生產(chǎn)過程制造物聯(lián)關鍵事件主動感知實現(xiàn)技術及方法

陳偉興，李少波,2

CHEN Wei-xing1 , LI Shao-bo1,2

（1.貴州大學 現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

隨著自動識別、嵌入式、傳感器及網(wǎng)絡等電子信息技術與制造技術的融合發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)、RFID和傳感網(wǎng)等物聯(lián)技術在制造領域不斷滲透，實現(xiàn)了對產(chǎn)品制造與服務過程中制造資源與信息資源的動態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制，促進了制造業(yè)向信息密集的智能化方向發(fā)展，以全面感知、異構集成、按需架構、自適應和互操作為技術特征的新型智能制造模式——制造物聯(lián)（IOMT）應運而生[1,2]。

面對產(chǎn)品制造過程管控能力增強的需求，制造物聯(lián)信息綜合感知、智能處理等難題亟待解決。國內外制造物聯(lián)技術絕大部分側重于感知識別，主要研究特定一類制造信息的感知實現(xiàn)，較少涉及生產(chǎn)過程關鍵監(jiān)控事件的感知方法以及處理等問題。制造物聯(lián)模式下，由于生產(chǎn)過程多源原始數(shù)據(jù)與監(jiān)控環(huán)節(jié)之間缺乏映射關系和高效聚合模型，使得關鍵生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)信息難以被實時精準感知，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控及優(yōu)化控制，生產(chǎn)過程關鍵監(jiān)控環(huán)節(jié)信息感知的研究成了制造企業(yè)信息化轉型升級攻關的重點。

1 關鍵事件的定義及描述

1.1 關鍵事件的定義

以特色食品——油制辣椒生產(chǎn)為例，確定制造物聯(lián)關鍵事件包括：員工/物料的狀態(tài)信息、設備工況、在制品質量信息、生產(chǎn)計劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)環(huán)境信息等。

圖1 多層次事件數(shù)據(jù)模型

定義1：原始事件為RFID設備、傳感器、數(shù)字化生產(chǎn)設備等采集到的數(shù)據(jù)信息，主要包含事件的主體和內容。

定義2：關鍵事件指原始事件或多層次事件經(jīng)過規(guī)則運算形成的新的具有意義的事件。

在多層次事件關系描述方面，關鍵事件的描述主要采用操作符，包括時序操作符、層次關系操作符、邏輯操作符和運算操作符等[3]。

1.2 制造信息XML描述

為了有效描述生產(chǎn)過程多層次事件關系，進行關系型以及XML結構數(shù)據(jù)的交換，建立基于XML的面向生產(chǎn)過程關鍵事件的描述語言，實現(xiàn)多層次事件XML統(tǒng)一描述。

面向生產(chǎn)過程的關鍵事件感知數(shù)據(jù)模型如圖1所示，原始事件與關鍵事件之間的映射通過描述模板實現(xiàn)。

[4]In short,Mr.Xi’s Marshall plan is likely to be hamstrung precisely by its differences from the Marshall Plan,which channeled U.S.aid to allied European democracies rebuilding after World War II

2 制造物聯(lián)關鍵事件主動感知技術實現(xiàn)

2.1 關鍵事件主動感知實現(xiàn)階段及模型

基于事件驅動的生產(chǎn)過程制造物聯(lián)關鍵事件主動感知主要包括：多源信息的采集及傳輸、多源異構信息的同構化處理、多層次事件關聯(lián)模型建立及關系解析、事件關聯(lián)匹配及操作運算、感知結果的推送和訪問等五個階段，如圖2所示。關鍵事件的主動感知模型如圖3所示，由感知的實時制造資源信息結合多層次事件關聯(lián)模型進行匹配與運算，得出關鍵事件。

圖2 制造物聯(lián)關鍵事件主動感知實現(xiàn)階段

2.2 關鍵事件主動感知技術架構

基于信息驅動的生產(chǎn)過程關鍵事件主動感知模型的構想，提出了如圖4所示的關鍵事件主動感知技術架構，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)刻劃、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)應用等六個部分。

圖3 制造物聯(lián)關鍵事件主動感知模型

圖4 制造物聯(lián)關鍵事件主動感知技術架構

數(shù)據(jù)采集層主要面向異構傳感設備組成的傳感器群，進行多源制造信息的采集及異構傳感器的管理。通過無線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)局域網(wǎng)、射頻、藍牙、紅外等傳輸采集的信息，實現(xiàn)多源制造信息的實時傳輸。數(shù)據(jù)刻劃層通過傳感設備注冊管理及數(shù)據(jù)的同構化、標準化，為實現(xiàn)各類傳感器在異構通訊網(wǎng)絡下主動感知和傳輸制造信息提供服務。數(shù)據(jù)整合層在獲取制造數(shù)據(jù)的基礎上，進行生產(chǎn)過程各多源信息的關系定義、關聯(lián)運算及增值處理，提供生產(chǎn)執(zhí)行過程監(jiān)控與決策優(yōu)化利用的關鍵事件信息。數(shù)據(jù)集成層主要針對感知事件的性質及用途，分類進行生產(chǎn)過程事件的匯集和存儲，以利于提供高效的數(shù)據(jù)調用服務。基于面向生產(chǎn)過程不同環(huán)節(jié)的需求，數(shù)據(jù)應用層調用或訪問制造企業(yè)不同系統(tǒng)存儲的感知信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的關鍵事件主動感知實現(xiàn)方法

以離散型生產(chǎn)過程關鍵事件的感知與標準化傳輸為目標，建立具有自組織功能的多跳異構傳感網(wǎng)，對生產(chǎn)過程異構傳感器進行集中管理及動態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)同采集，并進行感知系統(tǒng)的模塊設計，采用ZigBee技術進行短距離無線通訊；根據(jù)傳感器類型和數(shù)據(jù)描述模板定義傳感器信息，進行異構信息的標準化加工處理，并采用ISA95標準封裝數(shù)據(jù)；結合業(yè)務邏輯與規(guī)則算法，基于XML模板對感知事件進行匹配運算得出關鍵事件；通過Web Service技術傳輸感知的關鍵事件。

多跳異構無線傳感網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式技術、Web Service技術等，主要采集制造環(huán)境數(shù)據(jù)、員工/物料狀態(tài)信息、設備工況、生產(chǎn)任務執(zhí)行情況等，通過嵌入式系統(tǒng)進行感知數(shù)據(jù)的分析和處理并經(jīng)通訊網(wǎng)絡傳輸至第三方系統(tǒng)。

3.1 傳感網(wǎng)絡優(yōu)化配置及感知系統(tǒng)設計

3.1.1 傳感網(wǎng)絡的優(yōu)化配置

以多源制造信息的采集量、采集精度、感知范圍作為約束，確定傳感網(wǎng)絡中相應傳感器的最小硬件成本為目標函數(shù)，如公式(1)所示。通過遺傳算法求解傳感網(wǎng)優(yōu)化配置的數(shù)學模型，得出最優(yōu)傳感器個數(shù)。

其中ASi表示第i個主動傳感器，PSij表示第i個主動傳感器配備的第j個附屬傳感配件，n代表傳感網(wǎng)中對于采集k個信息所需的主動傳感器數(shù)量總數(shù)[4]。

3.1.2 感知系統(tǒng)設計

制造信息感知裝置為集成了網(wǎng)絡化I/O控制、多源異構數(shù)據(jù)采集、業(yè)務邏輯分析與規(guī)則算法處理、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡傳輸功能為一體的嵌入式智能設備，用于集中管理異構傳感器群和感知采集的信息。

感知系統(tǒng)的組織結構設計如圖5所示，底層節(jié)點與傳感設備直接接觸，進行制造信息的實時采集，采用嵌入式處理機進行異構傳感器的即插即用運行服務，實現(xiàn)對傳感器獲取數(shù)據(jù)的實時感知和事件的驅動；中間節(jié)點模塊提供底層節(jié)點采集信息的融合與實時傳輸服務，同時下達上層生產(chǎn)管理決策信息到相應執(zhí)行節(jié)點；系統(tǒng)集成層匯聚了所有感知的信息，可采用工控機提供系統(tǒng)的決策支持功能。同時，建立便于用戶獲取信息及開發(fā)的統(tǒng)一接口及進行傳感器信息的統(tǒng)一描述。感知系統(tǒng)節(jié)點進行采集的信息與數(shù)據(jù)流之間的有效轉換。底層節(jié)點硬件包含了傳感器信號的有效轉換及調理電路、通訊總線接口、存儲器、微處理器等。中間節(jié)點集成了數(shù)據(jù)融合、邏輯運算等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息或事件的過渡，滿足制造企業(yè)系統(tǒng)的應用要求[5]。

圖5 感知系統(tǒng)組織結構

中間節(jié)點的輸入表示事件的發(fā)生，輸出表示經(jīng)過規(guī)則運算產(chǎn)生的新事件，在底層節(jié)點感知事件產(chǎn)生時會激活中間節(jié)點的處理程序進行相關的數(shù)據(jù)處理或控制。

感知系統(tǒng)集成的功能模塊主要包括異構傳感器的即插即用、設備工況監(jiān)測、多源異構信息加工處理及標準化、多層次事件的匹配運算及封裝、關鍵事件的推送和訪問等。

3.2 數(shù)據(jù)加工處理及標準化封裝

3.2.1 數(shù)據(jù)格式及分類

根據(jù)數(shù)據(jù)的特性、結構及格式不同，分類進行感知數(shù)據(jù)的描述及存儲。感知數(shù)據(jù)的格式與分類如表1所示。將采集的實時制造信息劃分為動態(tài)數(shù)據(jù)，以XML文檔進行存儲，其數(shù)據(jù)結構以半結構化和非結構化為主；靜態(tài)數(shù)據(jù)指感知對象的基本信息，以關系型數(shù)據(jù)庫進行存儲[6]。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理及封裝

為解決異構數(shù)據(jù)的一致性和實時調用問題，進行XML—關系型數(shù)據(jù)交換，提取關系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并利用XML文檔進行存儲。

將傳感設備感知的數(shù)據(jù)以{Si,t,D}格式表示，其中Si為傳感器編號，t為數(shù)據(jù)感知的時刻，D為感知的動態(tài)數(shù)據(jù)。首先將RFID或條形碼傳感器采集的數(shù)據(jù)應用公式(2)處理，再采用ISA95和B2MML標準進行封裝[4]；感知的靜態(tài)數(shù)據(jù)首先通過XML—關系型數(shù)據(jù)交換再進行標準化封裝。

感知數(shù)據(jù)處理與標準化封裝流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理與封裝流程

3.3 事件的關聯(lián)分析及匹配運算

根據(jù)生產(chǎn)過程中多層次事件之間的關聯(lián)邏輯，選擇數(shù)據(jù)描述多樣化、支持遞歸處理層次事件的XML語言進行多源制造信息的關系定義及模板描述。運用數(shù)據(jù)挖掘關聯(lián)算法對預處理的原始事件或多層次事件數(shù)據(jù)集進行基于統(tǒng)計的數(shù)據(jù)關聯(lián)運算，從而生成匹配模板。

表1 感知數(shù)據(jù)的格式與結構

以Esper（事件流處理引擎）的實現(xiàn)原理為基礎，分析事件流與事件關系的處理思路。結合生產(chǎn)過程關鍵事件的特點和事件模板的構成特點，改進Esper中的算法表現(xiàn)，實現(xiàn)基于模板的生產(chǎn)過程多層次事件處理運算，然后導出關聯(lián)結果并進行增值處理得到關鍵事件。

3.4 關鍵事件的傳送及應用

制造企業(yè)數(shù)據(jù)應用方面，主要借助Web Service技術通過主動推送和遠程訪問兩種形式獲取感知的事件[4]。

主動推送工作邏輯如圖7所示，應用系統(tǒng)首先進行地址注冊和服務綁定，當新事件發(fā)生時，觸發(fā)主動推送服務，通過Wi-Fi、TCP/IP等將標準化關鍵事件向應用系統(tǒng)推送。

圖7 關鍵事件按主動推送服務

遠程訪問工作邏輯如圖8所示，應用系統(tǒng)首先進行地址注冊和服務綁定，遠程訪問服務每隔設置獲取多源實時信息的時間t自動獲取實時感知的標準化的關鍵事件信息并發(fā)送至應用系統(tǒng)。

4 結束語

圖8 關鍵事件遠程訪問服務

制造業(yè)自動化、集成化、協(xié)同化、信息化、服務化的發(fā)展趨勢，對制造物聯(lián)技術在制造業(yè)中的應用提出了要求。制造物聯(lián)為生產(chǎn)過程的多源異構信息采集、制造執(zhí)行過程的動態(tài)監(jiān)控及優(yōu)化控制提供了新的實現(xiàn)模式。本文從制造系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展對制造資源物聯(lián)感知需求的角度，構建了制造企業(yè)物聯(lián)生產(chǎn)過程關鍵事件主動感知的技術框架，并提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的生產(chǎn)過程關鍵事件主動感知實現(xiàn)方法，為精確生產(chǎn)和制造系統(tǒng)智能決策與優(yōu)化提供重要支撐，以利于有效實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造過程系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控。

[1]姚錫凡,于淼,陳勇,項子燦.制造物聯(lián)的內涵、體系結構和關鍵技術[J].計算機集成制造系統(tǒng),2014,20(1)：1-10.

[2]侯瑞春,丁香乾,陶冶,王魯升,井潤環(huán),李建華.制造物聯(lián)及相關技術架構研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2014,20(1)：11-20.

[3]張映鋒,趙曦濱,孫樹棟,王軍強,司書賓.一種基于物聯(lián)技術的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)方法與關鍵技術[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,18(12)：2634-2642.

[4]張映鋒,孫樹棟,王軍強.嵌入式多源制造信息感知裝置及方方法：中國,201310100948.X[P].2013-07-17.

[5]陸曉.家居環(huán)境中的復雜信息感知方法及系統(tǒng)設計[D].南京：南京郵電大學,2013.

[6]彭煜.制造單元物聯(lián)感知關鍵技術的研究與實踐[D].武漢：武漢理工大學,2013.