生產過程制造物聯關鍵事件主動感知實現技術及方法

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和傳感網等物聯技術在制造領域不斷滲透，實現了對產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（IOMT）應運而生[1,2]。

面對產品制造過程管控能力增強的需求，制造物聯信息綜合感知、智能處理等難題亟待解決。國內外制造物聯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，較少涉及生產過程關鍵監(jiān)控事件的感知方法以及處理等問題。制造物聯模式下，由于生產過程多源原始數據與監(jiān)控環(huán)節(jié)之間缺乏映射關系和高效聚合模型，使得關鍵生產監(jiān)控環(huán)節(jié)信息難以被實時精準感知，為實現生產過程的動態(tài)監(jiān)控及優(yōu)化控制，生產過程關鍵監(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——油制辣椒生產為例，確定制造物聯關鍵事件包括：員工/物料的狀態(tài)信息、設備工況、在制品質量信息、生產計劃執(zhí)行情況、生產環(huán)境信息等。

圖1 多層次事件數據模型

定義1：原始事件為RFID設備、傳感器、數字化生產設備等采集到的數據信息，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

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

面向生產過程的關鍵事件感知數據模型如圖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。

[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 制造物聯關鍵事件主動感知技術實現

2.1 關鍵事件主動感知實現階段及模型

基于事件驅動的生產過程制造物聯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、多層次事件關聯模型建立及關系解析、事件關聯匹配及操作運算、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模型進行匹配與運算，得出關鍵事件。

圖2 制造物聯關鍵事件主動感知實現階段

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，包括數據采集、數據傳輸、數據刻劃、數據整合、數據集成和數據應用等六個部分。

圖3 制造物聯關鍵事件主動感知模型

圖4 制造物聯關鍵事件主動感知技術架構

數據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、互聯網、工業(yè)局域網、射頻、藍牙、紅外等傳輸采集的信息，實現多源制造信息的實時傳輸。數據刻劃層通過傳感設備注冊管理及數據的同構化、標準化，為實現各類傳感器在異構通訊網絡下主動感知和傳輸制造信息提供服務。數據整合層在獲取制造數據的基礎上，進行生產過程各多源信息的關系定義、關聯運算及增值處理，提供生產執(zhí)行過程監(jiān)控與決策優(yōu)化利用的關鍵事件信息。數據集成層主要針對感知事件的性質及用途，分類進行生產過程事件的匯集和存儲，以利于提供高效的數據調用服務?；诿嫦蛏a過程不同環(huán)節(jié)的需求，數據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 基于物聯網技術的關鍵事件主動感知實現方法

以離散型生產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，對生產過程異構傳感器進行集中管理及動態(tài)數據的協同采集，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；根據傳感器類型和數據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標準封裝數據；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)境數據、員工/物料狀態(tài)信息、設備工況、生產任務執(zhí)行情況等，通過嵌入式系統(tǒng)進行感知數據的分析和處理并經通訊網絡傳輸至第三方系統(tǒng)。

3.1 傳感網絡優(yōu)化配置及感知系統(tǒng)設計

3.1.1 傳感網絡的優(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，確定傳感網絡中相應傳感器的最小硬件成本為目標函數，如公式(1)所示。通過遺傳算法求解傳感網優(yōu)化配置的數學模型，得出最優(yōu)傳感器個數。

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代表傳感網中對于采集k個信息所需的主動傳感器數量總數[4]。

3.1.2 感知系統(tǒng)設計

制造信息感知裝置為集成了網絡化I/O控制、多源異構數據采集、業(yè)務邏輯分析與規(guī)則算法處理、數據存儲及網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，實現對傳感器獲取數據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據流之間的有效轉換。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)點集成了數據融合、邏輯運算等功能，實現數據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，輸出表示經過規(guī)則運算產生的新事件，在底層節(jié)點感知事件產生時會激活中間節(jié)點的處理程序進行相關的數據處理或控制。

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 數據加工處理及標準化封裝

3.2.1 數據格式及分類

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

3.2.2 數據處理及封裝

為解決異構數據的一致性和實時調用問題，進行XML—關系型數據交換，提取關系型數據庫的數據并利用XML文檔進行存儲。

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

感知數據處理與標準化封裝流程如圖6所示。

圖6 數據處理與封裝流程

3.3 事件的關聯分析及匹配運算

根據生產過程中多層次事件之間的關聯邏輯，選擇數據描述多樣化、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。運用數據挖掘關聯算法對預處理的原始事件或多層次事件數據集進行基于統(tǒng)計的數據關聯運算，從而生成匹配模板。

表1 感知數據的格式與結構

以Esper（事件流處理引擎）的實現原理為基礎，分析事件流與事件關系的處理思路。結合生產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，實現基于模板的生產過程多層次事件處理運算，然后導出關聯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)數據應用方面，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、協同化、信息化、服務化的發(fā)展趨勢，對制造物聯技術在制造業(yè)中的應用提出了要求。制造物聯為生產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模式。本文從制造系統(tǒng)數字化、網絡化、智能化發(fā)展對制造資源物聯感知需求的角度，構建了制造企業(yè)物聯生產過程關鍵事件主動感知的技術框架，并提出了基于物聯網技術的生產過程關鍵事件主動感知實現方法，為精確生產和制造系統(tǒng)智能決策與優(yōu)化提供重要支撐，以利于有效實現企業(yè)生產制造過程系統(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.一種基于物聯技術的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現方法與關鍵技術[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.制造單元物聯感知關鍵技術的研究與實踐[D].武漢：武漢理工大學,2013.