物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息感知與交互標(biāo)準(zhǔn)

馬永敬 劉明周 文 勃 凌 琳

1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島，2661112.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

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物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息感知與交互標(biāo)準(zhǔn)

馬永敬1,2劉明周2文 勃1凌 琳2

1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島，2661112.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

在機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中信息的產(chǎn)生具有多源異構(gòu)性，裝配過程中產(chǎn)生的大量多源信息給信息交互帶來了很大的困難。在分析機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息通信中存在的信息交互困難和應(yīng)用多源信息感知技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息的交互標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)闡述了該交互標(biāo)準(zhǔn)的交互形式、交互結(jié)構(gòu)以及該交互標(biāo)準(zhǔn)在裝配過程中的通信過程；最后，結(jié)合該交互標(biāo)準(zhǔn)在某汽車發(fā)動機(jī)裝配過程中的應(yīng)用，展現(xiàn)了該交互標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，證明了該信息交互標(biāo)準(zhǔn)具有可應(yīng)用性。

物聯(lián)網(wǎng)；多源信息感知；交互標(biāo)準(zhǔn)；裝配過程

0 引言

隨著自動化技術(shù)、IT技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與結(jié)合，以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)使信息交互溝通領(lǐng)域正在迅速覆蓋從企業(yè)工廠層到設(shè)備層的控制、管理等各個層次[1]。尤其是近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2-3]的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中產(chǎn)生大量的裝配數(shù)據(jù)，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)在裝配設(shè)備之間流動，并且機(jī)械產(chǎn)品裝配車間不同的設(shè)備采用不同的操作平臺，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式也不相同，即生產(chǎn)信息具有多源異構(gòu)性，因此，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下如何準(zhǔn)確獲得機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中的多源感知信息成為車間信息采集需要解決的關(guān)鍵問題。同時，數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一也會給設(shè)備之間或設(shè)備與上層系統(tǒng)之間進(jìn)行交互帶來很大不便，容易造成底層設(shè)備信息孤島，生產(chǎn)管理人員不能及時掌握現(xiàn)場的裝配情況。針對上述信息交互問題，需要對裝配過程中涉及的信息交互方式和交互標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一考慮，從而使得裝配信息能夠很好地在裝配車間流通與交互。目前很多學(xué)者在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信息感知和信息交互方面做了相關(guān)研究。胡永利等[4]總結(jié)了目前物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信息感知技術(shù)和信息交互技術(shù)。賀德強(qiáng)等[5]提出利用對等網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互，可以提高信息交互的實(shí)時性，他們還提出了基于對等網(wǎng)絡(luò)和移動Agent的車間層信息交互模型[6]。蔣研川等[7]研究了基于簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol，SOAP)的成套電器產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化定制系統(tǒng)的信息交互技術(shù)，包含信息內(nèi)容、信息格式和信息傳輸技術(shù)三個方面。張映鋒等[8]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系構(gòu)架，提出了一套基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系和實(shí)現(xiàn)框架，包括基于傳感網(wǎng)的制造資源物物互感技術(shù)、制造執(zhí)行過程多源信息的主動感知與增值技術(shù)、制造執(zhí)行過程動態(tài)優(yōu)化技術(shù)、生產(chǎn)過程質(zhì)量信息傳感/監(jiān)控和全程追溯技術(shù)等。

本文在分析機(jī)械產(chǎn)品裝配過程車間層信息多源感知的基礎(chǔ)上，通過對裝配過程的信息交互環(huán)境與交互構(gòu)架進(jìn)行分析(即對企業(yè)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析，再對車間層的信息流進(jìn)行分析),給出信息流流通圖，最后建立一個車間層的信息交互協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)，給出信息交互協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的原則、通信方式以及具體的制定方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息感知

1.1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息感知平臺構(gòu)架

所謂信息感知就是對信息數(shù)據(jù)的一種反應(yīng)，也就是對信息數(shù)據(jù)的采集。信息感知為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)來源，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，信息感知的最基本形式就是數(shù)據(jù)收集，即感知數(shù)據(jù)從感知節(jié)點(diǎn)匯集到匯聚節(jié)點(diǎn)的過程。在機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中，由于裝配過程涉及的裝配信息存在多源異構(gòu)、復(fù)雜的特征，如操作工、在制品和物料的狀態(tài)信息和移動信息，產(chǎn)品的加工裝配狀態(tài)信息，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息等，故傳統(tǒng)的感知信息的采集系統(tǒng)已經(jīng)不適用于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配過程。需要結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為背景，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品裝配過程多源信息感知系統(tǒng)。

工廠物聯(lián)網(wǎng)是通過各種感知技術(shù)，如傳感器、無線射頻識別(radio frequency identification ，RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時采集工廠中任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程的聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種信息，構(gòu)建企業(yè)局域網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理工廠中的人機(jī)料、水電氣、生產(chǎn)進(jìn)度、工藝參數(shù)、質(zhì)量、環(huán)境等各種生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)管理自動化?；谏鲜龉S物聯(lián)網(wǎng)的定義，本文提出了圖1所示的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息感知平臺構(gòu)架，該構(gòu)架主要由感知裝配層、網(wǎng)絡(luò)層、信息融合層、裝配采集系統(tǒng)、上層應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)中心六部分組成。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息感知平臺構(gòu)架

(1)感知裝配層主要面向物理制造資源層，針對要采集的多源裝配數(shù)據(jù)，通過配置各類感知單元(如RFID讀寫器、視頻設(shè)備、IC讀卡器、PDA(掌上電腦)和掃描槍等)，利用標(biāo)識單元(如RFID電子芯片、二維碼、一維碼和IC卡等)和信息單元(如各類傳感器、光電開關(guān)、報(bào)警燈和信息指示燈等)，確保對多源裝配數(shù)據(jù)的可靠獲取。

(2)網(wǎng)絡(luò)層主要面向多源信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，該層定義了信息傳輸?shù)臒o線和有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，結(jié)合了現(xiàn)代藍(lán)牙傳輸技術(shù)和總線技術(shù)，該層結(jié)合感知裝配層實(shí)現(xiàn)制造資源的互聯(lián)、互感，確保了機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息的實(shí)時、精確和可靠的獲取與傳輸。

(3)信息融合層。在獲取裝配數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，信息感知中間件建立事態(tài)和信息映射，特征提取則是對感知信息進(jìn)行過濾與分類、信息集成以及通過信息轉(zhuǎn)換的形式，將源自異構(gòu)傳感器上多源、分散的現(xiàn)場裝配數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可被制造執(zhí)行層利用的標(biāo)準(zhǔn)制造信息提供服務(wù)。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)層主要是面向不同的裝配企業(yè)用戶，從利用裝配現(xiàn)場采集的多源信息實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行過程的優(yōu)化管理的角度，通過提供可視化管理、裝配資源實(shí)時監(jiān)控、裝配在線質(zhì)量監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)動態(tài)調(diào)度、物料優(yōu)化配送、返修管理、設(shè)備監(jiān)控管理以及其他應(yīng)用服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝配過程的信息透明、過程實(shí)時感知和動態(tài)優(yōu)化管理。

(5)上層應(yīng)用系統(tǒng)主要面向企業(yè)的上層管理系統(tǒng)，如企業(yè)資源管理系統(tǒng)(enterprise resource planning，ERP)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)(supply chain management，SCM)、客戶管理系統(tǒng)(customer experience management，CEM)、工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及銷售服務(wù)管理系統(tǒng)等，通過與上層應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)裝配過程與上層系統(tǒng)的聯(lián)通，利于企業(yè)對整個裝配過程的透明化管理。如裝配車間通過信息感知平臺可以獲取上層系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)訂單、銷售計(jì)劃、采購計(jì)劃以及庫存等信息；反之，信息感知平臺也可以將生產(chǎn)訂單的執(zhí)行結(jié)果、設(shè)備人員配置情況、物料消耗的情況反饋給上層應(yīng)用系統(tǒng)來供上層系統(tǒng)進(jìn)行決策。

(6)數(shù)據(jù)服務(wù)中心主要是從數(shù)據(jù)、信息和知識的層面為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信息感知平臺的運(yùn)行提供隨時會用到的信息服務(wù)，主要包括制造資源信息、感知件的配置信息、企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型、實(shí)時數(shù)據(jù)整合、生產(chǎn)管理知識庫、實(shí)時的數(shù)據(jù)和信息等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息主動感知模型

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了制造系統(tǒng)對資源的互聯(lián)、識別、感知以及信息傳輸、集成和共享等[9]。在機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中以工位為裝配單元，根據(jù)各工位操作的不同，可將工位分為裝配對象數(shù)據(jù)初始化工位、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集工位、供應(yīng)商數(shù)據(jù)采集工位以及加工完成下線工位等[10-11]。為各工位配備感知元件(如傳感器、條碼識別、無線射頻識別等信息單元)，則工位變?yōu)樾畔⒏兄の?，具有感知能力的工位被稱為工位智能裝配單元，工位智能裝配單元是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的核心。以工位智能裝配單元為中心建立的多源信息感知模型如圖2所示，主要包括裝配資源建模與組態(tài)、智能裝配信息感知資源、感知信息集成。 (1)裝配資源建模與組態(tài)。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對裝配資源進(jìn)行分類建模，構(gòu)建裝配系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，主要有工廠建模(如公司信息、工廠信息、裝配線信息、工位信息、設(shè)備信息、供應(yīng)商信息等)、產(chǎn)品建模(如產(chǎn)品信息、零部件信息、產(chǎn)品物料清單(bill of material,BOM)信息、產(chǎn)品供應(yīng)商信息等)、人員建模(如人員基本信息、人員部門信息、人員班組信息、人員設(shè)備信息、人員工位信息等)、管控單元建模(如信息單元建模、控制單元建模、標(biāo)識單元建模、執(zhí)行單元建模、管控處理器建模等)。在裝配資源建?；A(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮慕M態(tài)思想，構(gòu)建裝配資源組態(tài)單元，主要有響應(yīng)事件組態(tài)(主要有觸發(fā)條件和響應(yīng)事件，如設(shè)備報(bào)警、質(zhì)量報(bào)警、按燈呼叫等)、裝配工藝組態(tài)(如工序零部件組態(tài)、工序質(zhì)量規(guī)范組態(tài)、工序作業(yè)指導(dǎo)組態(tài)、工序產(chǎn)品組態(tài)等)、生產(chǎn)事件組態(tài)(如工序能力指數(shù)、裝配完整性校驗(yàn)、質(zhì)量校驗(yàn)工位按燈呼叫、裝配工位故障等)、智能裝配單元組態(tài)。最后，建立裝配資源建模與組態(tài)的映射關(guān)系，為裝配過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源。

(2)智能裝配信息感知資源。在裝配資源建模與組態(tài)的基礎(chǔ)上，智能裝配信息感知層以信息采集終端為核心，通過調(diào)用數(shù)據(jù)感知單元和信號感知模塊來完成裝配過程中狀態(tài)、數(shù)值等數(shù)據(jù)信息感知。其中，數(shù)據(jù)感知單元主要有RFID讀寫器、掃描槍、IC卡讀寫器、圖像識別設(shè)備等，利用電子標(biāo)簽、條碼等技術(shù)完成資源信息的采集。信號感知模塊通過信息標(biāo)識單元(如各種傳感器、光電開關(guān)、信號指示燈等)獲取各種資源的狀態(tài)、參數(shù)值等感知信息，并能夠按一定的規(guī)律將感知信

圖2 多源信息主動感知模型

號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量、模擬量以及其他形式的數(shù)據(jù)輸出。通過智能裝配感知資源層可以實(shí)現(xiàn)裝配資源的物物互聯(lián)與感知。

(2)感知信息集成。在裝配事件組態(tài)基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)據(jù)控制地址與裝配事件關(guān)系的映射模型，基于控制地址與信息映射組件(如KEPServerEx、Siemens等OPC(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OLE for process control)組件)將感知數(shù)據(jù)接入工位智能裝配單元主感知組件，最終實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的獲取、分類及數(shù)據(jù)融合。對于獲取的實(shí)時感知數(shù)據(jù)，基于規(guī)則庫、方法庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史庫等方法實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的增值。通過傳感網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)將增值信息存入車間數(shù)據(jù)服務(wù)中心，完成多源異構(gòu)感知信息的標(biāo)準(zhǔn)接入與信息集成。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息交互標(biāo)準(zhǔn)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息交互是一個復(fù)雜的過程。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的構(gòu)成本身就復(fù)雜，再加上機(jī)械產(chǎn)品裝配中人、機(jī)、物復(fù)雜及具有動態(tài)不確定性，同時存在多種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，故信息的交互需要包括這些異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)所感知的信息數(shù)據(jù)，通過傳輸、共享以及交換的方式實(shí)現(xiàn)交互。本文針對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息交互過程并結(jié)合上節(jié)提出的多源信息主動感知模型，提出了一種交互標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品的裝配過程中，信息的傳輸和交互按照該交互標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交互，使得裝配過程中產(chǎn)生的信息更易于傳輸、共享和交互。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，隨著網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不斷更新，TCP/IP通信協(xié)議和現(xiàn)場總線技術(shù)使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing system,CIMS)企業(yè)各個層次[1]的信息交互變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，形成了三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。車間采集層處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)層的中間層，車間采集層與其他層以及車間檢測基層內(nèi)部的信息交換就成了裝配過程信息管理的關(guān)鍵。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞缴峡?，信息都是以某一信息格式流入車間采集層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的，車間層的采集設(shè)備對流經(jīng)這里的信息進(jìn)行加工處理?，F(xiàn)場的底層設(shè)備通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線等相關(guān)協(xié)議向車間采集層的采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)并與之進(jìn)行交互，同時車間層采集設(shè)備通過TCP/IP協(xié)議與工廠的管理層進(jìn)行信息交互。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械產(chǎn)品裝配的信息交互標(biāo)準(zhǔn)研究

裝配現(xiàn)場的底層設(shè)備數(shù)量龐大，不同的設(shè)備采用的操作平臺和通信協(xié)議也不同，因此，設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在通過車間層采集設(shè)備時要對其進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化處理，上下層設(shè)備的信息交互涉及多種通信方式及協(xié)議，對其進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，把成熟的通信協(xié)議和自己制定的信息交互標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，取長補(bǔ)短，使整個裝配過程有序進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息通信方式如下:車間層的采集設(shè)備對底層設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化制定，通過采用統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)對底層設(shè)備信息進(jìn)行采集處理，通過TCP/IP協(xié)議將處理信息上傳到上層應(yīng)用系統(tǒng)后解析；上層指令通過TCP/IP協(xié)議下達(dá)到車間層采集設(shè)備，經(jīng)信息標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化后通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線下達(dá)到現(xiàn)場底層設(shè)備。

2.2.1 信息交互標(biāo)準(zhǔn)的制定原則

信息交互標(biāo)準(zhǔn)可以理解為是一個由特定的數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)格式組織的，在特定的交互系統(tǒng)進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組織形式。因此，信息標(biāo)準(zhǔn)的制定原則如下：

(1)分區(qū)定制。根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中設(shè)備信息的不同類型，在交互標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行分區(qū)交互，不同分區(qū)的數(shù)據(jù)交互互不干涉。

(2)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。盡量簡化設(shè)計(jì)，信息交互的雙方盡量采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交互。

(3)數(shù)據(jù)的標(biāo)識。進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識，防止相同的數(shù)據(jù)被重復(fù)訪問。

(4)可擴(kuò)展性。為方便交互標(biāo)準(zhǔn)的修改和補(bǔ)充，要求交互標(biāo)準(zhǔn)具有可擴(kuò)展性。

(5)通用性。制定的交互標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該具有通用性，也就是交互標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該滿足盡可能多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的交互，而不是滿足某一特定的設(shè)備信息交互。

(6)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)整合。在分析要進(jìn)行交互信息的類型基礎(chǔ)上，盡量對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，減少數(shù)據(jù)冗余，盡可能獲得想要的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

遵循以上原則，把雙方要進(jìn)行交互的信息進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃與定義，最后形成信息交互的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 信息交互標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容

在機(jī)械產(chǎn)品的裝配過程中是以工位為中心的，產(chǎn)品在裝配過程中依次流轉(zhuǎn)到各個工位，對工位進(jìn)行編號，每個工位可能要監(jiān)控多個點(diǎn)，對每個點(diǎn)的信息進(jìn)行分類，根據(jù)每個點(diǎn)信息的類型劃分信息區(qū)域，將某一工位采集的數(shù)據(jù)分類提取存到對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)中，每個工位的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)定義為工位數(shù)據(jù)塊。工位數(shù)據(jù)塊存儲工位要采集的數(shù)據(jù)信息，包括工位的狀態(tài)信息、工位設(shè)備信息、工位檢測信息、工位報(bào)警信息以及工位的其他裝配信息等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 工位數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)

在機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中，產(chǎn)品要流轉(zhuǎn)到每個工位進(jìn)行裝配，將每個產(chǎn)品在各個工位的工位數(shù)據(jù)塊信息連接起來形成數(shù)據(jù)流，加上產(chǎn)品的信息、裝配線的信息，最后加上自定義的報(bào)頭，定義為報(bào)文。報(bào)文數(shù)據(jù)表示某一產(chǎn)品在裝配過程中的裝配信息和裝配狀態(tài)，報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 報(bào)文結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 信息交互標(biāo)準(zhǔn)的工作機(jī)制

本文將機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息交互標(biāo)準(zhǔn)抽象為報(bào)文結(jié)構(gòu)，闡述報(bào)文在產(chǎn)品裝配過程中的工作機(jī)制。圖6為機(jī)械產(chǎn)品裝配示意圖，在產(chǎn)品上線時將產(chǎn)品信息存入報(bào)文產(chǎn)品信息區(qū)域，同時服務(wù)器和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)等上層系統(tǒng)通過報(bào)文與上線工位進(jìn)行交互。當(dāng)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到下一工位時，下一工位將該工位的交互信息存入報(bào)文相應(yīng)的工位數(shù)據(jù)塊

圖6 報(bào)文工作機(jī)制

信息區(qū)域，同時通過報(bào)文與服務(wù)器和上層系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過報(bào)文該工位還可以獲取上一工位的裝配信息來指導(dǎo)該工位的裝配，也可以給下一工位提供前序工位的裝配信息。

圖6中，在產(chǎn)品上線工位OP1010，上線工位信息采集終端從車間管理系統(tǒng)獲取待上線的產(chǎn)品信息以及裝配線的信息，并將信息寫入報(bào)文中相應(yīng)的產(chǎn)品信息區(qū)域和線體信息區(qū)域，信息采集終端將報(bào)文中的產(chǎn)品信息與上層信息管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，跟蹤計(jì)劃的執(zhí)行情況。當(dāng)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到工位OP1070時，在此工位進(jìn)行零部件的裝配，通過掃描槍獲取裝配的零部件信息，信息采集終端解析條碼后與報(bào)文中的產(chǎn)品信息進(jìn)行型號匹配判斷，匹配成功后將裝配的零部件信息存入報(bào)文相應(yīng)的工位數(shù)據(jù)塊信息區(qū)域和工位合格狀態(tài)區(qū)域。當(dāng)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到工位OP1130時，在此工位通過報(bào)文獲取前序工位的合格狀態(tài)信息，若前序工位不合格則在此工位不進(jìn)行裝配，只有前序工位合格后才能在此工位進(jìn)行裝配；若在此工位有報(bào)警信息，則將報(bào)警信息寫入報(bào)文中相應(yīng)的工位數(shù)據(jù)塊中的報(bào)警信息區(qū)域。當(dāng)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到工位OP1180時，在此工位進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)的測量，設(shè)備從報(bào)文中獲取產(chǎn)品的信息，根據(jù)產(chǎn)品信息調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備程序，當(dāng)測量結(jié)束后將測量數(shù)據(jù)寫到報(bào)文工位數(shù)據(jù)塊中相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)區(qū)域，若有設(shè)備報(bào)警信息，則將報(bào)警信息寫到報(bào)文中相應(yīng)的報(bào)警信息區(qū)域，最后將工位狀態(tài)信息寫入報(bào)文相應(yīng)的區(qū)域。當(dāng)產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到工位OP1210時，此工位為返修工位，在此工位若產(chǎn)品要進(jìn)行返修，返修結(jié)束后將產(chǎn)品返修數(shù)據(jù)寫入報(bào)文工位數(shù)據(jù)塊中的相應(yīng)返修信息區(qū)域。在后續(xù)的工位中產(chǎn)生的裝配信息按照報(bào)文的格式存入報(bào)文的相應(yīng)信息區(qū)域中。在裝配的每個工位，利用車間層的采集設(shè)備，根據(jù)報(bào)文的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制編寫后臺和監(jiān)控程序，運(yùn)用B/S、C/S或兩者相結(jié)合的模式，在機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備的交互和信息采集、數(shù)據(jù)的上傳及上層指令的下達(dá)等功能，并在前臺界面進(jìn)行顯示。信息采集終端和上層信息管理系統(tǒng)都可以通過報(bào)文獲取工位的實(shí)時裝配信息，通過報(bào)文可以對裝配過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和可視化管理。

3 應(yīng)用實(shí)例

在本文所描述的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的機(jī)械產(chǎn)品過程信息感知框架和信息交互標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基于Java2平臺企業(yè)版(Java2 platform enterprise edition，J2EE)構(gòu)架開發(fā)了信息感知系統(tǒng)原型，原型通過采用本文提出的信息交互標(biāo)準(zhǔn)，并在安徽某汽車發(fā)動機(jī)裝配車間對該信息交互標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。在發(fā)動機(jī)的裝配過程中，涉及產(chǎn)品的機(jī)型較多，裝配的零部件種類繁多，設(shè)備的種類和數(shù)量也較多，且不同的設(shè)備的信息交互方式也不盡相同，尤其隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配過程中的應(yīng)用，使發(fā)動機(jī)的裝配過程產(chǎn)生大量的裝配信息，發(fā)動機(jī)裝配過程中設(shè)備之間、設(shè)備與車間管理系統(tǒng)以及車間管理系統(tǒng)與企業(yè)上層系統(tǒng)之間需要進(jìn)行大量的信息交互，如果沒有統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)，就會使發(fā)動機(jī)裝配過程信息的交互出現(xiàn)混亂，發(fā)動機(jī)的裝配也就不能順利進(jìn)行。根據(jù)本文提出的信息交互標(biāo)準(zhǔn)制定了感知件FRID的電子芯片的數(shù)據(jù)格式和工位可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)格式。在發(fā)動機(jī)的裝配過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)流轉(zhuǎn)到每個工位時將產(chǎn)生的工位裝配數(shù)據(jù)和工位狀態(tài)信息以及設(shè)備信息存入RFID標(biāo)簽和PLC工位數(shù)據(jù)塊中，車間采集設(shè)備的監(jiān)控程序?qū)FID和PLC中的數(shù)據(jù)實(shí)時讀取上傳服務(wù)器或上層應(yīng)用系統(tǒng)。上層指令通過車間采集設(shè)備下達(dá)到RFID或PLC工位數(shù)據(jù)塊中來與底層的設(shè)備進(jìn)行交互。在信息集成系統(tǒng)中建立工位控制地址與裝配事件的映射，如設(shè)備報(bào)警與控制地址的映射、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集與控制地址的映射、物料ANDON(按燈)與控制地址的映射等，當(dāng)控制地址發(fā)生跳變時引起裝配事件的觸發(fā)，數(shù)據(jù)采集管控處理器根據(jù)裝配事件的觸發(fā)獲取感知信息，并將感知信息存入相應(yīng)的工位PLC數(shù)據(jù)塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)和RFID相應(yīng)工位數(shù)據(jù)區(qū)。工位智能裝配單元主程序?qū)FID和工位PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并上傳到車間信息集成系統(tǒng)。信息集成系統(tǒng)可以對采集的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢和分析，滿足車間信息管理的需求。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)中信息感知和交互涉及多方面的研究內(nèi)容，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，提出了一種面向機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息感知構(gòu)架，并以工位智能裝配單元為中心建立機(jī)械產(chǎn)品裝配過程多源信息主動感知模型。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息感知平臺和多源信息主動感知模型的基礎(chǔ)上又提出了針對機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息交互標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上介紹了該標(biāo)準(zhǔn)的制定原則、信息交互標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容以及信息交互標(biāo)準(zhǔn)的工作機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中以安徽某汽車發(fā)動機(jī)裝配過程為例，在發(fā)動機(jī)裝配過程中按照該信息交互標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中的信息交互，按照該信息交互標(biāo)準(zhǔn)可以對機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息進(jìn)行整合，減少了數(shù)據(jù)冗余，有利于裝配過程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，該信息交互標(biāo)準(zhǔn)能較好地滿足機(jī)械產(chǎn)品裝配過程信息的交互。

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(編輯 陳 勇)

Multi-source Information Perception and Interaction Standards of Mechanical Products Assembly Process Based on Internet of Things

Ma Yongjing1,2Liu Mingzhou2Wen Bo2Ling Lin2

1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.，Qingdao,Shandong,266111 2.Hefei University of Technology,Hefei,230009

With the heterogeneity of multiple source informations in the mechanical product assembly processes, the large amounts of multi-source informations brought great difficulties to the information interaction. On the basis of analyses of the interaction difficulties that existed in the processes of information communications and the applications of the multi-source information sensing technologies in the mechanical product assembly processes, a kind of information interaction standard was put forward， which was applicable to the mechanical product assembly processes. It focused on the interaction forms, the interaction structure and the communication process of the interaction standard in the assembly processes. Finally, an interaction standard in the applications of an automobile engine assembly process showed the interaction characteristics of the standard in the practical applications, which proves that the information interaction standard has nice applicability and feasibility.

internet of things; polygenetic information perception; interaction standard; assembly process

2015-12-21

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAF08B02)

TH186

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.23.010