面向運動控制的信息物理融合系統設計與驗證

梁建才

（杭州電子科技大學，杭州 310018）

0 引言

隨著工業技術的發展以及物質水平的提高，產品復雜化使得工業生產面臨越來越多的挑戰。與此同時，為了滿足不斷變化的市場對定制化產品的要求，以傳統的工業生產方式，當前的工業自動化生產力將很快飽和。因此，日益迫切的市場需求，需要一種更加靈活化與智能化的技術來代理傳統的工業生產，以更具競爭力的方式來支持其生產。

“工業4.0”驅動了新一輪工業革命，被稱之為第四次工業革命。其本質是通過數據流動構建自動化技術，將原本工業生產中的規模經濟轉向更具特色的范圍經濟。同時，推動產業改革，以之前同質化、規模化的成本來構建創新的異質化、定制化的智能產業。其中，提倡信息技術與物理設備共存，以網絡進行互聯的信息物理融合系統成為“工業4.0”這一工業革命的核心內容。2015年，中國也提出了自己的智能制造計劃“中國制造2025”，其核心目的就是推進信息化與工業化的深度融合，推動智能制造的發展。

信息物理融合系統（Cyber-Physical System，CPS），基于網絡的互聯特性，連接了信息世界與物理世界，尤其是其中更加典型的工業信息物理融合系統，其本質就是現代互聯網技術與傳統工業控制系統的結合。與傳統的工業控制系統相比，基于傳感器設計的感知設備、基于運動控制的控制設備以及執行設備數量都有了劇烈的增長，與此同時大量設備端接入帶來的高并發量和數據量，對服務器的性能有了更加高的要求。工業智能制造的核心是以運動控制為核心技術的智能化的機械控制技術，其中典型的代表就是可編程邏輯控制器和基于PLCopen標準的運動控制功能塊。

基于上述討論，本文提出了面向運動控制的信息物理融合系統的方案設計。根據主流的三層CPS體系結構[1]，主要實現了在CPS的信息層，即計算單元、服務器，中消息的整個處理機制，包括基于Reactor模型與負載預測的響應機制以及為了滿足CPS實現時特點[2]，提高消息響應而實現的消息優先隊列與時間周期管理機制。在物理層中，基于多代理智能系統（Multi Agent System，MAS）提出結合局部感知單元、控制單元與執行單元的CPSA（Cyber-Physical System Agent）用于實現核心功能需求[3]，CPSA滿足了CPS的實行性、多余性和自治性等性質，其核心特點是用于原子服務，即不可分割任務。同時，多CPSA通過多個原子服務的并行組合可以有效實現組合服務[4]。在驗證階段引入形式化技術，利用時間自動機建立運動系統的形式化描述[5]，再通過Uppaal來驗證運動系統的安全性與可靠性。

1 相關概念與技術

1.1 信息物理融合系統

信息物理融合系統是集計算單元、網絡通信以及物理設備于一體的混成系統。物理設備中的連續過程通常由計算單元中的離散信息控制，在信息采集與反饋控制基礎上，引入計算單元與物理設備的深度融合，通過提高自治性的方式，有效控制物理設備，最終提供可靠的服務[6]。

目前主流的CPS體系結構是將CPS構建成三層層次架構，由物理層、網絡層和信息層組成。物理層處于系統的最底端，主要工作是與客觀物理世界的交互，核心構成是傳感器與執行器，傳感器負責客觀物理世界的感知與信息采樣，執行器只能具備特定的機械動作，接受控制指令執行相應操作。網絡層負責信息的傳輸，工業控制系統中，系統層與設備層的通信方式多種多樣，如Modbus協議、EtherCAT工業自動化現場總線以及TCP/IP網絡通信。相對抽象的網絡層卻是CPS的核心紐帶，用于連接整個系統，其中包括了各種通信協議與通信設備。信息層負責數據信息相關的工作，其作用包括對物理層中傳感單元采集的信息進行處理、根據任務需求和資源的調度對執行單元生成控制指令以及系統整體的管理與狀態監測，其構成包括終端、數據庫以及服務器等一系列信息組件。

1.2 PLCopen與運動控制功能塊

隨著智能制造的發展，可編程邏輯控制器的作用日益凸顯，而其中PLCopen組織所制定的該領域的編程標準與規范對推動行業發展與確保系統的可靠性起到了至關重要的作用。組織通過標準化的編程接口，用于統一各廠家在PLC開發平臺中編程規范。其中，通過將PLC中運動控制與IEC61131標準中定義的編程語言相結合，封裝了傳統數控系統的控制算法，提供了利用圖表示的運動控制功能塊，降低研發運動控制系統的門檻[7]。

PLCopen標準中的運動控制功能塊主要分為管理模塊和運動模塊，管理模塊負責運動過程中各種實時運動信息的讀取，運動模塊用于具體運動的控制，包括單軸運動、多軸運動。通過建立軸狀態機，可以將軸的運動以離散狀態來表現，并通過形式化的方式進行驗證。根據PLCopen標準中規定，運動控制中的基本狀態包括使能態（Disable，DS）、回零態（Homing，HM）、保持態（StandStill，SS）、停止態（Stopping，SP）、錯誤停止態（ErrorStop，ES）、離散運動態（Discrete Motion，DM）、連續運動態（Continue Motion，CM）以及同步運動態（Synchronized Motion，SM）等8種[8]。

1.3 Uppaal與時間自動機

為了保證軟件的可靠性，在軟件開發過程中，開發人員通常會采用單元測試的方式，而后期也會有專門的測試人員對軟件的可靠性進行進一步測試，但是這兩種方式都屬于后驗方式，驗證過程和開發過程處于交織過程，通過不斷迭代來確保軟件的可靠性。而模型驗證則是利用系統的狀態模型，通過遍歷狀態的方式檢測系統是否能達到預期的功能，以此確保系統的可行性與安全性。

由Uppsal大學和Aalborg大學聯合開發的Uppaal就是一種可以驗證實時系統的模型驗證工具，支持時間自動機的驗證。有限狀態自動機可以用于表述系統內部狀態的轉變，但是對于實時系統的描述卻有些不足，時間自動機在有限狀態機的基礎上引入時間約束，因此時間自動機的本質也是一個包括有限節點和邊的圖，主要通過在邊上引入表示時間的變量，用于約束和限制自動機的行為。

2 系統設計

2.1 信息層設計

目前高性能服務器主要應用于兩個大方向，一是服務客戶終端的商業應用服務器，其特點是利用集群、分布式、微服務等方式實現系統性能提升，另一個是以共享單車為代表的物聯網服務器，用于服務物理設備。參考這兩種服務器開發，并結合CPS系統特點和業務需求，將信息層分成了5個主要部分，包括授權與驗證、業務接受與分發、消息處理機制、異常處理與日志記錄，數據持久化與緩存。授權與驗證模塊、異常處理與日志記錄這兩者的功能有所差異，但是目的都是為了確保系統的可靠性與安全性，授權與驗證的目的屬于在消息進入服務器核心功能區域之前的防護，通過驗證設備的固有設備號以及IP等方式，進行過濾驗證，確保設備的合法性。異常處理與日志記錄部分，除了需要監測服務器自身的狀態信息，對設備單元出現的問題也需要根據實際情況進行處理、記錄，包括重傳、重啟甚至提示人工干預等方式。數據持久化是利用MySQL等數據庫進行業務數據與設備信息的持久化存儲，而緩存機制則是利用Redis等非關系型數據庫進行特定信息的短時存儲，作用是服務異常處理、消息處理等模塊。業務接受與分發模塊主要作用是區分當前業務服務對象，主要包括設備單元和客戶終端。而消息處理機制則是為了實現CPS而對傳統工業服務器核心功能進行的優化設計[9]，同時也是本文介紹的核心內容，CPS系統架構如圖1所示。

圖1 CPS系統架構

2.2 協議設計

通信協議是用于消息發送端和消息接收端共同遵守的規范。消息在傳輸過程中，表現為無意義、無明確含義的二進制序列，因此在消息傳送之前，首先需要確定一個消息“模板”。模板的作用是規定消息的具體格式，在消息發送之前，需要根據模板的要求進行設計，將消息具體內容，如控制指令、狀態指令等，按具體格式進行切割、分配。同時，消息的接受端在接受到無意義的二進制序列后，也是根據協議模板的要求，解析相應消息的內容。

傳統的工業系統，主要目的是用于生成同質化的產品，其獲利方式是其規模化的產品數量，因此系統設計之初，就會將物理設備、服務器架構進行固定設計，這也要求通信采用現有的協議，如Modbus協議、MQTT協議甚至Http協議等。CPS出現的目的是解決市場對定制化產品的大量需求，物理系統是多設備、多組合的，因而系統中必然出現多種協議方式。在服務器中采用動態配置的方式，用于運行時加載相應設備中協議的編碼、解碼代碼，并通過引入責任鏈模式，分別對不同的協議進行解析，而消息處理過程中，核心內容部分必然需要一個協議，用于不同協議解析后的統一性。

根據業務需求，本文設計了一種較輕量級的通信協議，用于滿足系統的通信要求。自定義的私有協議，除了能夠滿足了消息處理機制的功能需求外，同時也考慮未來設備擴展和業務變更的要求[10]。如圖2所示，消息由消息首部和消息內容組成，首部的長度固定，由唯一性ID、設備號、優先級、消息類型、序列號組成，消息內容采用鍵值對的方式進行存儲，首部各組成部分作用如下：

圖2 消息協議的基本結構

1）唯一性ID

利用用戶信息與訂單信息生成唯一性ID，即ID=F（UserInfo+OrderInfo）。在信息物理融合中，產品和用戶存在一對一關系，唯一性ID保證了系統對該用戶及訂單信息持續性追蹤。在關系性數據庫MySQL中，利用該ID可以有效地進行數據的存儲與讀取。同時，在Redis中進行消息指令緩存，確保消息的可靠性。

2）設備號

工業生產系統，尤其是小型生產設備系統，往往采用單服務器+單控制器的方式，如用于訂單信息管理的服務器與用于設備控制的PLC進行組合。工業設備的控制全部由PLC進行執行，IO模塊負責傳感器等相關信號的輸入、輸出，基于EtherCAT協議傳輸驅動器設備控制信號。信息物理融合系統，通常采用多服務器+多設備單元的方式，多服務器用于保證系統的可靠性與支持高負載，多設備單元用于支持定制化需求，因此在通信協議中引入設備號用于標記發送端的設備單元。

3）優先級

不同的設備之間，根據任務的重要程度不同，對設備的權重進行安排，從而引入優先級的概念，因此相應設備發出的消息也具有了優先級。優先級可以確定消息在消息處理機制中的處理順序，使緊急的、要求立刻響應的消息得到及時響應，以使設備單元能迅速執行。

4）消息類型

在服務器與設備單元之間，不同的設備單元所負責的任務不同，如生產線中負責抓取的機械臂、負責噴碼的噴碼設備以及負責監控的HMI設備。而根據任務的不同，需要建立不同的連接方式，當設備單元需要不斷輪詢服務器，即消息發送間隔較短，通過建立長連接可以減少服務器線程壓力，而消息發送間隔長的抓取設備，采用短連接就不會一直占用服務器資源，即時釋放連接，有效保障了多設備單元的連接。因此，在協議中規定了消息類型用于確定連接方式，進而可以采取相應的業務處理邏輯。

5）序列號

在常規的消息協議中，為了確保數據在傳送過程中正確無誤，往往采用校驗碼的方式，用于檢驗是否出現誤碼。由于協議本身是在TCP協議之上的應用層協議，因此可靠性得到TCP自身特性的保證，通過在系統中引入序列化機制中的序列號功能，利用序列號的方式來減少校驗過程的性能消耗，阻止系統處理來自惡意設備的消息，在保證系統可靠的同時，提高系統的性能。

2.3 消息處理機制

2.3.1 基于Reactor模型與負載預測的響應機制

Reactor模型，尤其是較多使用的主從Reactor多線程模型，的特點是將TCP/IP中通信的連接與處理部分用多線程的方式分割開來。傳統的工業服務器，由于服務的對象往往只有數量較少的生產設備，因此大多通過線程池的方式，將每個連接分發了相對獨立的線程處理，而由于業務處理的復雜性以及I/O操作的阻塞特性，限制了服務器性能，消息響應較慢，因此這種通信機制不能滿足CPS高設備請求并發量的業務需求。通過引入主從Reactor多線程模型，將服務器對端口的輪詢監聽服務和業務數據處理分割開來，提高服務器性能。主線程負責監聽端口，只負責對新接入的連接進行響應，從線程負責業務處理。

線程的創建與銷毀，對系統的性能有一定的影響，在高并發服務器中這個性能影響尤其嚴重，所以引入線程池的方式，可以有限減少線程的創建造成的系統負擔，而線程池中閑置線程的數量可以通過負載預測的方式進行數量控制。通過定義采樣周期T，使用Δw表示兩次觀測線程池變化量，閑置線程池的線程量用m表示，消息處理的負載能力用Lt表示，因此任務所需的線程增量Δk則可以表示為：

線程的增量表示下一階段消息處理需要增加的線程數量，引入這種動態負載預測方式可以有效控制閑置線程的數量，減少系統資源的占用。

2.3.2 消息優先隊列與時間周期管理機制

傳統的應用程序常采用消息隊列作為處理消息的方式，這種消息處理機制通過輪詢的方式不斷讀取隊列中的消息，消耗并處理隊列頭部消息，而新到消息不斷添加到隊列尾部。

信息物理融合系統和傳統工業系統不同，不同的設備單元、多樣的消息內容導致傳統的消息機制不能保證消息處理的時間周期，某一條消息的過長響應時間對設備單元的影響，會導致其他設備單元出現執行問題。同時，設備單元的重要性和不同消息的復雜度，要求信息物理融合系統對不同的消息需要提供更加合理的響應時間，因此本文設計并實現了一種新的消息機制以便解決消息響應實時性和優先級問題。消息處理機制的設計如圖3所示。

圖3 CPS信息層中的消息處理機制

將傳統的消息隊列改為有優先級的優先隊列，根據消息的權重，將消息保存在大頂堆中。權重較大、優先級較高的消息保存在堆的頂端，而新接收到的外部消息首先插入堆的尾端，再根據優先級進行動態調整，由此構成基本的消息處理模塊。同時，為了控制消息處理的時間周期，以此保證設備單元響應的實時性，在消息處理機制中引入時間周期管理模塊。時間周期管理模塊負責分配處理消息的時間片周期，保證單個消息在其相應的時間周期中得到處理。若消息的處理時間超過設置的周期范圍，可以根據具體情況采用重試、重傳等方式進行處理，保證系統的可靠性。對于某設備單元的消息處理，如果出現多次、較長處理時間等問題，可利用時間周期管理模塊進行日志記錄。而消息處理機制中的處理模塊則根據單個消息中的解析內容以及系統的設備狀態量，生成相應的響應消息，即設備單元的控制信息。

2.4 物理層設計

工業生產系統往往采用單主控的方式，如基于可編程邏輯控制器PLC設計的控制系統。PLC系統的本質是循環運行的系統，利用信息輸入改變內部的運行狀態，利用輸出信息控制相應的執行機構。感知單元由各種傳感器組成，包括限位傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等，PLC在執行過程中不斷輪詢各個感知單元相應的狀態位信號，變更不同的控制路線，因此協調不同執行機構進行工作，物理系統結構，如圖4所示。在CPS系統中，設備單元數量的增多，這因此導致PLC對復雜的環境變化和不可預測的物理交互往往不能全部兼顧，而且循環控制邏輯和基于事件響應的常規思維方式又有所差異，這兩個原因導致面向PLC編程變得更加復雜[12]。

圖4 基于PLC的傳統構建模式

通過引入多代理智能系統的概念，將生產系統中的任務進行最低限度的劃分，如通過兩個基本的限位傳感器、單軸模塊、驅動器以及PLC構成一個基本的設備單元CPSA，其核心作用就是實現負載的推拉動作，將這一工作稱為一個原子服務，這樣我們同樣可以基于PLC、傳感器和機械臂構成一個CPSA，其作用就是機械臂的末端從一點運行到另一點，實現抓取功能，如圖5所示。CPSA內部的功能代碼可以根據不同需求與方式進行開發，但是同類型的CPSA其外在表現功能應屬于同一類別。通過這種設計方式，同時基于PLCopen標準的運動控制模塊，CPSA內部可以用一個時間自動機來表示運動過程的狀態轉換[11]，但是對外只表現出請求態、執行態、停止態等少量狀態，這避免了傳統PLC開發的復雜度，也避免了信息物理融合系統在多設備單元情況下容易出現的狀態空間爆炸問題。

圖5 基于CPSA的構建模式

3 系統驗證

3.1 服務器性能測試

為了研究面向運動控制的信息物理融合系統方案，實驗室搭建了一套可定制化生產飲品的生產線設備。項目前期采用的是傳統控制方案，流水線設備采用PLC進行整體的控制，所以服務器的核心作用是進行訂單管理，PLC每生產完一批飲品，則通過網絡請求訂單數據，根據這種特點，服務器采用了普通的BIO方式用于處理網絡請求。在CPS系統中，采用了本文的模型用于提高系統性能，因此在實驗中通過分析系統的資源消耗、響應時間等方面對兩種服務器的性能進行對比。

由于并發量的提高，服務器的線程數量激增，對系統資源影響，尤其是CPU占用率的影響會比較明顯。利用Java中CountDownLatch同步輔助類實現一個可以提供高并量的模擬程序，用于模擬大量物理設備同時訪問服務器的實驗。如圖6所示，普通IO在并發量增高時，CPU占用率持續上升。而采用本文模型，事先設定了主從Reactor中所需的線程數，雖然最初使CPU占用比普通IO方式略高，但是占用率上升比較平緩且不高，負載預測機制保證了服務器在應對穩定增長并發量時，逐漸增加工作線程，確保了系統的穩定性。

圖6 服務器資源消耗對比

圖7 服務器響應時間對比

3.2 物理層CPSA模型驗證

4 結語