智能工廠的感知、通信與控制

關(guān)新平　呂玲　楊博

摘要：認(rèn)為信息化和工業(yè)化的深度融合是未來(lái)工業(yè)化的必然趨勢(shì)，基于感知、通信、控制相融合的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有利于推動(dòng)全局統(tǒng)籌調(diào)度、過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化和系統(tǒng)反饋控制等的實(shí)現(xiàn)，為建立高品質(zhì)、低能耗、個(gè)性化、小批量生產(chǎn)的智能工廠奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，還提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能工廠架構(gòu)，指出了傳統(tǒng)工廠面臨的挑戰(zhàn)，以及實(shí)現(xiàn)智能工廠亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 智能工廠；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；感知通信控制一體化設(shè)計(jì)

Abstract： Deeply integration of informatization and industrialization is an inevitable trend of future industrialization. The industrial network based on combining sensing， communications and control is beneficial for global scheduling， process optimization and feedback control. In this way， the high-product-quality， low-energy-consumption and small-batch-production smart factories foundation can be built. Moreover， an architecture of smart factory is proposed， the challenges of traditional factories and the key issues in realizing the smart factory are analyzed.

Key words： smart factory； industrial network systems； co-design of sensing， communication and control

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。改革開放以來(lái)，中國(guó)制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國(guó)力，支撐世界大國(guó)地位。然而，與世界先進(jìn)水平相比，中國(guó)制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。在新環(huán)境下，中國(guó)政府立足于國(guó)際產(chǎn)業(yè)變革大勢(shì)，全面提升中國(guó)制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平。國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造2025》，明確提出通過(guò)政府引導(dǎo)、資源整合，實(shí)施國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)、智能制造、工業(yè)強(qiáng)基、綠色制造、高端裝備創(chuàng)新5項(xiàng)重大工程，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期制約制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)突破，提升中國(guó)工業(yè)企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

近年來(lái)，日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)迫使工業(yè)企業(yè)由過(guò)去的單純追求大型化、高速化、連續(xù)化，轉(zhuǎn)向注重提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，減少資源消耗和環(huán)境污染，可持續(xù)發(fā)展的道路上來(lái)。面對(duì)制造模式的逐步轉(zhuǎn)型升級(jí)，智能工廠本質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，融合智能裝備/設(shè)備，形成高度協(xié)同的生產(chǎn)系統(tǒng)（含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)化流程管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理等系統(tǒng)），達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化、流程的最簡(jiǎn)化和效率的最大化。其主要特征為廣泛利用工業(yè)自動(dòng)化、智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)等，形成具有自感知、自調(diào)節(jié)、自執(zhí)行等“知識(shí)自動(dòng)化”功能的新一代智能系統(tǒng)：通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的跨層協(xié)同與跨域集成，通過(guò)面向服務(wù)制造的工業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的上下互動(dòng)，通過(guò)工業(yè)系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)保證可管、可控與可信。

1 智能工廠發(fā)展面臨的

機(jī)遇和挑戰(zhàn)

以信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)為核心的智能工廠發(fā)展戰(zhàn)略是提高中國(guó)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇。信息技術(shù)作為智能工廠的關(guān)鍵，已經(jīng)成為信息化推動(dòng)工業(yè)化發(fā)展的代表性技術(shù)，是國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)和科技的制高點(diǎn)。隨著信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，成本低、易部署、可移動(dòng)的無(wú)線設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制，如基于傳感器、控制器、執(zhí)行器等構(gòu)成的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。在智能化工廠車間中，感知設(shè)備可布置在一些不易人為監(jiān)測(cè)和管理的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制與預(yù)警操作，并能在緊急情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)測(cè)控制的應(yīng)急處理，避免工業(yè)設(shè)備的大規(guī)模級(jí)聯(lián)失效等故障。此外，智能設(shè)備的感知信息通過(guò)有線/無(wú)線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制中心，控制中心將網(wǎng)絡(luò)空間的高級(jí)計(jì)算能力有效運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)世界中，從而可對(duì)與生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、開發(fā)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源、人力資源和經(jīng)濟(jì)資源的合理分配，并對(duì)工廠中各物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)高效地調(diào)整和控制，提高工程監(jiān)管的效率。

然而，目前企業(yè)的工廠仍處在批量化、低收益、高能耗的傳統(tǒng)工業(yè)模式，因此要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能工廠面臨著巨大挑戰(zhàn)，其中較為顯著且至關(guān)重要的三大挑戰(zhàn)如下。

挑戰(zhàn)1：數(shù)據(jù)采集器功能單一、數(shù)目稀少、采集參數(shù)少，難以滿足個(gè)性化、小批量生產(chǎn)對(duì)多維豐富數(shù)據(jù)的要求。隨著人們消費(fèi)理念與偏好的升級(jí)，追求消費(fèi)的個(gè)性化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)與趨勢(shì)，消費(fèi)者不再滿足現(xiàn)有制造業(yè)所能夠提供的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，這些傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的用戶滿意度越來(lái)越低，個(gè)性化、小批量定制生產(chǎn)已成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。由于全流程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)眾多且動(dòng)態(tài)變化，需要部署更多數(shù)目、更多種類以獲取更多參數(shù)信息數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的泛在感知。因此，智能工廠必須具備多類大量的智能感知設(shè)備，以快速獲取生產(chǎn)全流程的全面數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的自我調(diào)整，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)加工，保持產(chǎn)品品質(zhì)，最后生產(chǎn)出個(gè)性化產(chǎn)品。

挑戰(zhàn)2：現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限、可擴(kuò)展性較差、可承載業(yè)務(wù)量與種類有限，難以為智能工廠中大量不同應(yīng)用提供滿意的服務(wù)質(zhì)量。隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被引入了工業(yè)控制領(lǐng)域；但在許多工業(yè)領(lǐng)域，由于安全性、效率、費(fèi)用等，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不太可能取代目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的各種有線網(wǎng)絡(luò)。因此，有線/無(wú)線異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已成為工業(yè)監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域的一個(gè)新興熱點(diǎn)，推動(dòng)了傳統(tǒng)工廠向智能工廠發(fā)展，降低了智能工廠全面監(jiān)測(cè)的建設(shè)和維護(hù)成本。在有線、無(wú)線異構(gòu)，多種網(wǎng)絡(luò)并存的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過(guò)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)并存的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)設(shè)計(jì)建立工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議轉(zhuǎn)換體系，實(shí)現(xiàn)有線/無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的融合，既保留了有線通信的高安全性與可靠性，也充分利用工業(yè)無(wú)線技術(shù)為多類工業(yè)應(yīng)用提供滿意的服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)按需高效地獲取眾多在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制定制生產(chǎn)，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高能源效率，完成個(gè)性化柔性生產(chǎn)的目標(biāo)。

挑戰(zhàn)3：企業(yè)管理與生產(chǎn)排程、工序分配相分離，難以滿足智能工廠對(duì)柔性生產(chǎn)智能按需控制的需求。智能工廠自動(dòng)化系統(tǒng)已由集散控制系統(tǒng)演進(jìn)到計(jì)算、通信與控制融合的時(shí)代，探索智能工廠從控制域到管理域的垂直集成實(shí)現(xiàn)技術(shù)新模式，研發(fā)智能工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工廠的智能生產(chǎn)與智能管理。由于智能工廠的子系統(tǒng)眾多，智能工廠中感知信息與控制決策傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過(guò)程與傳統(tǒng)工廠存在很大的差異，傳統(tǒng)工廠的控制管理系統(tǒng)已不能夠提供滿意的控制性。通過(guò)設(shè)計(jì)可重構(gòu)軟件架構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以促進(jìn)制造過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制與優(yōu)化工業(yè)軟件。通過(guò)開發(fā)可編程智能控制器實(shí)現(xiàn)可編程分布式自主邏輯控制，以實(shí)現(xiàn)智能控制器與系統(tǒng)的開發(fā)。與此同時(shí)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能好壞既取決于控制器執(zhí)行控制算法，也與系統(tǒng)參數(shù)、控制命令等數(shù)據(jù)的感知精度與傳輸質(zhì)量有關(guān)，因此控制算法設(shè)計(jì)與感知策略、通信協(xié)議是相互依賴、相互影響的，單純優(yōu)化任意一個(gè)并不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能要求。因此，感知通信控制一體化設(shè)計(jì)對(duì)于提高智能工廠性能至關(guān)重要。

雖然實(shí)現(xiàn)智能工廠面臨著巨大挑戰(zhàn)，但是智能工廠的發(fā)展卻是勢(shì)在必行、亟需推進(jìn)的。與此同時(shí)，各國(guó)針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)智能工廠也采取眾多舉措。德國(guó)的工業(yè)4.0充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，將實(shí)體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界融合、產(chǎn)品全生命周期、全制造流程數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，形成一種高度靈活、個(gè)性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)新生產(chǎn)模式。美國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)以及信息通信技術(shù)巨頭與傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)廠商攜手推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，GE、思科、IBM、AT&T、英特爾等80多家企業(yè)成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。通過(guò)制定通用標(biāo)準(zhǔn)，利用網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的力量，打破技術(shù)壁壘，提升整個(gè)工業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造能力，更好地促進(jìn)物理世界和數(shù)字世界的融合。2016年3月，德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟雙方達(dá)成共識(shí)，形成了初始映射圖，以顯示兩種架構(gòu)之間的直接關(guān)系；制定了未來(lái)確保互操作性的一個(gè)清晰路線圖，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)準(zhǔn)化、架構(gòu)和業(yè)務(wù)成果方面的合作。

中國(guó)將智能制造定位于國(guó)家戰(zhàn)略高度。2015年國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》，明確提出通過(guò)政府引導(dǎo)、整合資源，實(shí)施國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)、智能制造、工業(yè)強(qiáng)基、綠色制造、高端裝備創(chuàng)新5項(xiàng)重大工程，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期制約制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)突破，提升中國(guó)工業(yè)企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)共產(chǎn)黨第十六次代表大會(huì)（以下簡(jiǎn)稱16大）報(bào)告明確指出：“實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍然是中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程中艱巨的歷史性任務(wù)。信息化是中國(guó)加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。堅(jiān)持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，，走出一條科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子”。中國(guó)共產(chǎn)黨第十七次代表大會(huì)（以下簡(jiǎn)稱17大）報(bào)告也明確指出：“加強(qiáng)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力”， “發(fā)展現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系，大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合，促進(jìn)工業(yè)由大變強(qiáng)，振興裝備制造業(yè)，淘汰落后生產(chǎn)能力”。

2 面向智能工廠的感知

傳輸控制一體化設(shè)計(jì)

目前工廠的管理與運(yùn)行大多以工程師為主體，當(dāng)市場(chǎng)需求和生產(chǎn)工況發(fā)生頻繁變化時(shí)，以人工操作為主體的生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和工藝技術(shù)等部門不能及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整相應(yīng)的指標(biāo)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率降低和能耗增加，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制。因此，面向未來(lái)智能工廠，研究基于感知傳輸控制一體化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智能工廠從控制域到管理域的垂直集成，實(shí)現(xiàn)工廠的智能生產(chǎn)與智能管理，對(duì)提高工業(yè)產(chǎn)值、個(gè)性化生產(chǎn)至關(guān)重要。智能工廠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)主要分為3層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，網(wǎng)關(guān)層，傳感器云層[1]。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的泛在感知。其主要目的是通過(guò)利用異構(gòu)大量的智能感知設(shè)備以快速全面地獲取生產(chǎn)加工過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期信息的全面掌控。

網(wǎng)關(guān)層面主要是建立現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的雙向連接并完成數(shù)據(jù)通信。其主要目的是通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)有線無(wú)線并存的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，為多類工業(yè)應(yīng)用提供滿意的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)按需高效獲取眾多在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)。

傳感器云層面主要是將各類應(yīng)用需求與網(wǎng)關(guān)層面的服務(wù)質(zhì)量需求相匹配，并生成控制指令。其主要目的是根據(jù)用戶個(gè)性化需求，智能地做出生產(chǎn)決策，并將其轉(zhuǎn)化為底層系統(tǒng)相應(yīng)的控制指令，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、小批量、低能耗、高收益的生產(chǎn)目標(biāo)。

2.1 感知

數(shù)據(jù)是所有智能的源頭，因此數(shù)據(jù)獲取是實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的第1步。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感設(shè)備收集物理單元運(yùn)行狀態(tài)信息，并且將其通過(guò)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)智能控制。在此過(guò)程中，數(shù)據(jù)獲取性能受到傳感設(shè)備硬件、通信資源、時(shí)變傳輸環(huán)境影響，最終導(dǎo)致某個(gè)或某些獲取不到數(shù)據(jù)或者獲取到的數(shù)據(jù)收到嚴(yán)重污染。因此，需要對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可使用基于信息稀疏性的重構(gòu)技術(shù)與基于部分可觀測(cè)信息的狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，盡可能地提取原始數(shù)據(jù)攜帶的信息，完成最終的物理單元感知過(guò)程。

針對(duì)狀態(tài)問(wèn)題，我們前期工作著眼于如何提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)感知的準(zhǔn)確性與一致性[2-6]。在復(fù)雜惡劣的工業(yè)環(huán)境中，機(jī)器馬達(dá)和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)干擾傳感器節(jié)點(diǎn)的正確感知，使得其感知性能和感知數(shù)據(jù)存在較大誤差，且分布在不同位置的節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)往往存在較大差異，單一節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、節(jié)點(diǎn)間信息不一致等現(xiàn)象明顯。針對(duì)工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)控制的需求，將大量、多類傳感器根據(jù)不同工藝過(guò)程進(jìn)行密集部署，以獲取更豐富、更準(zhǔn)確的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息。同時(shí)，將底層現(xiàn)場(chǎng)子網(wǎng)、中間層Mesh骨干網(wǎng)和頂層工業(yè)以太網(wǎng)的無(wú)線/有線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相互融合，形成新一代的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充與改進(jìn)。此分布式/集中式混合架構(gòu)可以保證感知信息的準(zhǔn)確性、一致性、完備性，因此基于有線/無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合式信息感知是實(shí)現(xiàn)泛在感知的關(guān)鍵。

考慮感知設(shè)備涉及兩類傳感器節(jié)點(diǎn)，其中第1類節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，其全體記為[IS]；第2類節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，其全體記為[IR]。每個(gè)主節(jié)點(diǎn)獲得測(cè)量值[yi，wk]，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)為主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并無(wú)感知能力。一般將網(wǎng)絡(luò)抽象為圖，從圖論的角度來(lái)刻畫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓蟾鶕?jù)節(jié)點(diǎn)間的距離來(lái)確定鄰居集合，鄰居節(jié)點(diǎn)間相互交換信息，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同估計(jì)，最終達(dá)到一致。將節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)建模為一個(gè)無(wú)向圖[G=V，E]，其中[V=IS?IR]為所有節(jié)點(diǎn)的全體，[E?V×V]為節(jié)點(diǎn)間所有通信鏈接的集合。在節(jié)點(diǎn)[i]的通信半徑[κ]范圍之內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)[i]的鄰居，記為[Ni]，[Ni=j∈V：di，j≤κ，?i∈V]。在濾波器的演化過(guò)程中，主節(jié)點(diǎn)首先感知環(huán)境，獲得狀態(tài)的觀測(cè)值以及鄰居節(jié)點(diǎn)的估計(jì)值，并根據(jù)這些信息去更新自己的估計(jì)值，如公式（1）所示。

其中，[?i，w]和[φi，w]為常數(shù)，[?wi，j]與傳感器發(fā)射功率與鄰居間具有有關(guān)，[?wi，j≥0，j∈Νi?wi，j=1，?i∈IR]。在上述過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)間的通信僅限于鄰居節(jié)點(diǎn)之間，故公式（1）和公式（2）是分布式的，且能夠很好地消除單一節(jié)點(diǎn)感知不準(zhǔn)確性對(duì)物理單元狀態(tài)感知性能的影響。

2.2 通信

針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大規(guī)模、異構(gòu)、高實(shí)時(shí)、高可靠及可重構(gòu)需求，研究工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)泛在互聯(lián)、可靠傳輸和即插即用的問(wèn)題。為了攻克工業(yè)以太網(wǎng)與低速現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)共存技術(shù)，研究制造裝備垂直集成和水平集成的互操作標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系與架構(gòu)。并在此架構(gòu)下，研究基于軟件定義的可重構(gòu)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以攻克基于軟件定義的流交換技術(shù)，管理和控制業(yè)務(wù)混合傳輸模式下的實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重構(gòu)技術(shù)。基于上述研究的架構(gòu)，設(shè)計(jì)多網(wǎng)間跨域跨層合作通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性。

針對(duì)可靠傳輸問(wèn)題，我們前期部分工作著眼于如何提高工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸可靠性[7-8]。工業(yè)無(wú)線傳輸過(guò)程涉及電磁頻譜異常擁擠，頻譜資源受限，通信設(shè)備能量受限，多信道接入、傳輸沖突、傳輸時(shí)延大等問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠的通信，有必要構(gòu)建一個(gè)保障服務(wù)質(zhì)量的、實(shí)時(shí)的、可靠的和自適應(yīng)的通信協(xié)議，特別是無(wú)線通信協(xié)議，以保障信息物理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸[9]。現(xiàn)有的WirelessHART、ISA100.11a 和WIA-PA工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議都基于時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，進(jìn)行確定性的、可控的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度以保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性與可靠性。越來(lái)越多的無(wú)線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)對(duì)有限的頻譜資源形成巨大壓力，然而當(dāng)非授權(quán)無(wú)線頻譜資源越來(lái)越擁擠和不足時(shí)，部分己被分配的固定用戶使用頻段卻沒(méi)有得到充分的利用，降低頻譜資源利用率。為減少頻譜資源浪費(fèi)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被提出并逐漸興起，它使無(wú)線設(shè)備具有認(rèn)知功能，能主動(dòng)感知周圍環(huán)境的可用頻譜，并在其空閑時(shí)加以利用，實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)分配，極大地提高頻譜利用率，解決頻譜資源緊張的問(wèn)題，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注，被認(rèn)為是通信領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[10-11]。因此可以借助認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的可用頻譜，通過(guò)設(shè)計(jì)高效可靠的信息傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)感知信息的可靠傳輸，這對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制性能至關(guān)重要。

另外，在智能工廠中部署多類傳感器節(jié)點(diǎn)，感知不同參數(shù)，各類節(jié)點(diǎn)根據(jù)信息重要性的不同，具有不同的傳輸優(yōu)先等級(jí)。過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)效一般為毫秒級(jí)到秒級(jí)，需要很高的傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性；而設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性相對(duì)要長(zhǎng)很多，一般在秒級(jí)以上。因此，自動(dòng)化過(guò)程數(shù)據(jù)就要求比設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的優(yōu)先級(jí)，如何設(shè)計(jì)滿足智能工廠多優(yōu)先級(jí)異構(gòu)數(shù)據(jù)收集和傳輸對(duì)于整個(gè)工控系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行至關(guān)重要。針對(duì)此問(wèn)題，我們前期工作將異構(gòu)多優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)抽象建模成不同的傳輸優(yōu)先級(jí)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)器，指定當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)在指定的時(shí)隙沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示，以一個(gè)3 類優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)信道的場(chǎng)景為例，說(shuō)明此多信道多優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制。此機(jī)制首先為3 類優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)計(jì)了多信道超幀，由3個(gè)不同顏色深度的超幀表示。通過(guò)這種TDMA 多信道傳輸規(guī)劃，在相同的優(yōu)先等級(jí)的節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)發(fā)生沖突，沖突只可能發(fā)生在不同傳輸優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)之間。由于3個(gè)超幀是分離設(shè)計(jì)的，都完全利用了超幀中的所有信道和時(shí)隙資源，因而每個(gè)時(shí)隙都同時(shí)分配給了不同優(yōu)先等級(jí)的節(jié)點(diǎn)。為了解決這種可能的沖突，進(jìn)而設(shè)計(jì)了優(yōu)先級(jí)傳輸控制機(jī)制，通過(guò)引入一個(gè)優(yōu)先級(jí)指示標(biāo)識(shí)來(lái)協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)這種方式，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)只能機(jī)會(huì)式地傳輸。因此，需要引入一個(gè)優(yōu)先級(jí)指示標(biāo)識(shí)，以便對(duì)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行聲明和辨識(shí)，進(jìn)而利用此指示標(biāo)識(shí)完成多優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸控制，協(xié)調(diào)不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)在來(lái)各個(gè)時(shí)隙和信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 控制

智能工廠自動(dòng)化系統(tǒng)已由集散控制系統(tǒng)演進(jìn)到計(jì)算、通信與控制融合的時(shí)代，其智能化體現(xiàn)在：具有高效、靈活、可擴(kuò)展與可重構(gòu)功能的控制管理系統(tǒng)；具有自主、安全、穩(wěn)定與分布式控制功能的現(xiàn)場(chǎng)控制器；具有實(shí)時(shí)、可靠、魯棒與自適應(yīng)性能的控制算法等各個(gè)層面。

工業(yè)控制管理系統(tǒng)需要具有高效、靈活、可擴(kuò)展與可重構(gòu)功能。面向未來(lái)智能工廠，探索智能工廠從控制域到管理域的垂直集成，實(shí)現(xiàn)技術(shù)新模式，研發(fā)制造過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制與優(yōu)化工業(yè)軟件，研發(fā)智能工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工廠的智能生產(chǎn)與智能管理。由于智能工廠的子系統(tǒng)眾多，智能工廠中感知信息與控制決策傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)過(guò)程與傳統(tǒng)工廠存在很大的差異，傳統(tǒng)工廠的控制管理系統(tǒng)已不能夠提供滿意控制性，需要設(shè)計(jì)可重構(gòu)軟件架構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，建立工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議轉(zhuǎn)換體系以實(shí)現(xiàn)有線/無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的融合。分布式結(jié)構(gòu)為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了高度的靈活性與高效協(xié)作的可能性，基于IEC61499標(biāo)準(zhǔn)的分布式工業(yè)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)范式采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)，建立基于時(shí)間與事件混合驅(qū)動(dòng)的計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)高效、靈活、可擴(kuò)充與可重構(gòu)的工業(yè)分布式軟件架構(gòu)。完整分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件模型中應(yīng)包含控制軟件、工業(yè)系統(tǒng)物理信息模型以及通信模型。因此建模語(yǔ)言可以表示為[Mt = S， P， C]，其中S代表控制軟件模型，P代表系統(tǒng)物理仿真模型，C代表通信協(xié)議模型。考慮到分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性等特點(diǎn)，以及用戶體驗(yàn)，可在 IEC61499 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)分布式自動(dòng)化系統(tǒng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制、仿真與通信進(jìn)行抽象化建模，使得各類不同設(shè)備可以根據(jù)自身的性能從協(xié)議中選擇支持的指令，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)充、可重構(gòu)的分布式自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)控制器需要具有實(shí)時(shí)、自主、分布式以及模塊化控制能力。面向智能工廠大規(guī)模分布式控制需求進(jìn)行理念創(chuàng)新，研發(fā)智能控制器與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制的功能整合，開發(fā)先進(jìn)可編程智能控制器，實(shí)現(xiàn)可編程分布式自主邏輯控制，以及分布式實(shí)時(shí)可靠控制。從嵌入式硬件層面，進(jìn)行面向分布式集群控制的工業(yè)控制器模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用PC104總線架構(gòu)，基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的軟件可編程邏輯控制器（PLC）輸入/輸出模塊、模塊化控制擴(kuò)展模塊以及Can、Ethernet、EtherCat等通信模塊，實(shí)現(xiàn)面向運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、時(shí)序控制的混合控制架構(gòu)；從嵌入式軟件層面，通過(guò)研究軟件PLC模塊的關(guān)鍵技術(shù)，提升大規(guī)模多任務(wù)分布式控制模式下實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的響應(yīng)能力；從上位機(jī)軟件層面，基于組態(tài)編碼的數(shù)字量和條件解析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式信息交互的邏輯控制。

控制算法需要具有實(shí)時(shí)、可靠、魯棒的控制性能。智能工廠中控制器執(zhí)行的控制算法性能由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信性能和控制策略共同決定，且二者相互依賴、相互影響的關(guān)系，單純優(yōu)化任意一個(gè)并不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性設(shè)計(jì)要求，因此控制與通信一體化設(shè)計(jì)對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。在有線/無(wú)線多網(wǎng)共存且異構(gòu)的通信環(huán)境中，有線網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)較低，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在信道時(shí)變、衰落嚴(yán)重、噪音干擾等多種不利因素，導(dǎo)致工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有極大的動(dòng)態(tài)性、不確定性。加之可用通信網(wǎng)絡(luò)資源有限，攜帶控制命令的數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡(luò)中可能遭受較大的傳輸時(shí)延，即使此控制命令在決策時(shí)十分準(zhǔn)確，但是因?yàn)槠鋾r(shí)延過(guò)大，到達(dá)物理單元時(shí)已經(jīng)過(guò)時(shí)，因此物理單元將認(rèn)為此控制命令是無(wú)效的。另外，如果動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境導(dǎo)致此控制命令丟失，那么物理單元將無(wú)控制命令可執(zhí)行，因此需要考慮丟包、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)因素對(duì)控制性能影響。在這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)時(shí)、可靠、魯棒控制的技術(shù)難點(diǎn)在于有限的網(wǎng)絡(luò)資源導(dǎo)致部分感知信息丟失，無(wú)線資源調(diào)度直接控制器的穩(wěn)定性，使得基于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)以及狀態(tài)估計(jì)理論的設(shè)計(jì)與分析方法難以直接應(yīng)用到基于無(wú)線技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。因此，在網(wǎng)絡(luò)資源受限的情況下，實(shí)時(shí)、可靠、魯棒的控制面臨新的挑戰(zhàn)，直接決定智能工廠中的工業(yè)系統(tǒng)是否能夠安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。然而，目前基于控制與通信聯(lián)合設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能優(yōu)化在國(guó)際上仍處于探索階段，尚不具備一套完整的理論與設(shè)計(jì)方法，有必要深入地研究。關(guān)于感知、傳輸、控制一體化設(shè)計(jì)研究剛剛起步[12-16]，可將分布式狀態(tài)估計(jì)、基于估計(jì)的控制以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化聯(lián)合設(shè)計(jì)，構(gòu)建能夠表征工業(yè)信息系統(tǒng)的總代價(jià)函數(shù)，包括估計(jì)代價(jià)、控制代價(jià)以及通信代價(jià)。與此同時(shí)，還需要滿足無(wú)沖突可靠傳輸、最大發(fā)射功率限制、可用無(wú)線資源約束等要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的智能工廠中，智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的感知信息通過(guò)多網(wǎng)并存的有線/無(wú)線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制中心，控制中心運(yùn)用高級(jí)計(jì)算能力對(duì)與生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、開發(fā)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析與決策。基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能工廠架構(gòu)主要分為三大層面：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層面主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的泛在感知；網(wǎng)關(guān)層面主要是建立現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的雙向連接并完成數(shù)據(jù)通信；傳感器云層面主要是將各類應(yīng)用需求與網(wǎng)關(guān)層面的服務(wù)質(zhì)量需求相匹配，并生成控制指令。面向未來(lái)智能工廠，研究基于感知通信控制一體化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有利于推動(dòng)全局統(tǒng)籌調(diào)度、過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化和系統(tǒng)反饋控制等；有利于促進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能工廠從控制域到管理域的垂直集成；有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化小批量生產(chǎn)；有利于推進(jìn)智能工廠的建成。

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