基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程機械智能裝配關(guān)鍵技術(shù)分析

張如偉 李媛 張圓圓

摘? 要：針對基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程機械智能裝配關(guān)鍵技術(shù)進行了分析論述。首先回顧了工程機械裝配的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，分析了目前存在的自動化程度低、信息不透明等不足。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為主要架構(gòu)，對工程機械裝配過程的狀態(tài)感知技術(shù)，數(shù)據(jù)處理、存儲與演化技術(shù)，數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化技術(shù)等進行了分析論述。

關(guān)鍵詞：工程機械;智能裝配;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);狀態(tài)感知

中圖分類號：TU606? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0139-02

引言

制造業(yè)的核心業(yè)務(wù)是物料的制造生產(chǎn)，但由于業(yè)務(wù)類別繁多，物料的種類多樣，生產(chǎn)過程錯綜復(fù)雜，因而企業(yè)提高效率降低成本的關(guān)鍵在于對物料與產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程進行監(jiān)管與優(yōu)化[1]。工程機械、裝備制造等類型企業(yè)的產(chǎn)品裝配是一項涉及物料、人員、機器等眾多因素的復(fù)雜性活動[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使得在物與物之間、物與人之間建立廣泛聯(lián)系成為可能，為工程機械生產(chǎn)管理以及在線監(jiān)測提供新的途徑[3]。將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)充分嵌入到工程機械生產(chǎn)裝配過程之中，實現(xiàn)實時地監(jiān)測和管理設(shè)備的原料采購、生產(chǎn)、流通的各個環(huán)節(jié)的實施，并為企業(yè)的智能決策提供依據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)的智能化管理，是未來工程機械智能制造的重要方向。

工程機械的生產(chǎn)量較小，自動化程度落后，雖然近年來有了較快發(fā)展，但裝配工藝水平整體仍然不高，一是輸送自動化程度低，除總裝線外，絕大部分仍然采用固定式裝配，通過起重機或叉車進行車間之間的轉(zhuǎn)運;二是依靠人工作業(yè)，由人工完成工件的搬運、安裝等，國內(nèi)國際尚無自動化程度較高的裝配生產(chǎn)線。針對大型工程機械裝配車間中的數(shù)據(jù)采集困難、信息反饋滯后、能耗較高等諸多問題，建立基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工程機械智能裝配系統(tǒng)，提升工程機械復(fù)雜裝配執(zhí)行過程的透明性、敏捷性及容錯性，提高過程響應(yīng)能力與對生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)控制管理能力，達到對生產(chǎn)過程進行全方位的跟蹤、分析、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)生產(chǎn)過程更精確和及時的監(jiān)控與主動感知，推動裝配生產(chǎn)模式的改善，對加快運用信息技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，推動兩化深度融合有著重要意義。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)感知技術(shù)

研制環(huán)境適應(yīng)與抗干擾能力的工業(yè)現(xiàn)場傳感器。裝配生產(chǎn)線上需要多種傳感器，包括工件定位、力矩、壓力傳感器等。傳統(tǒng)的傳感器存在環(huán)境適應(yīng)性低、抗干擾能力差、接口功能單一等不足，不能適應(yīng)工程機械智能制造的需求。因此需進行傳感器智能化、可靠性、安全性、低功耗方面的研究設(shè)計，開發(fā)嵌入式軟硬件平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能，提高整機平均無故障時間和采樣精度;分析工程機械生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境特點和噪聲特點，研究基于模擬濾波和數(shù)字濾波器的混合濾波方法，提高數(shù)據(jù)采集精度，保證數(shù)據(jù)的準確性和正確性。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心軟硬件產(chǎn)品研制及組網(wǎng)研究。工程機械裝配車間需要在控制成本的前提下，構(gòu)建由大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的大型網(wǎng)絡(luò)，建立節(jié)點與車間現(xiàn)場物理實體之間長期穩(wěn)定有效的關(guān)聯(lián)，通過實時信息的交互，對多源、海量狀態(tài)信息進行感知及監(jiān)控，到達對生產(chǎn)車間的全面監(jiān)控。但車間環(huán)境復(fù)雜，信號干擾源多，以及要面對工程機械裝配過程中的復(fù)雜性、多樣性、不確定性等問題，因此需要開展針對性的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品研究。研究可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強的組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模數(shù)據(jù)節(jié)點可靠互聯(lián)。

復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作模式、拓撲結(jié)構(gòu)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)研究。在復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中，不同工段具有不同的環(huán)境要求，在其中構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作模式和拓撲結(jié)構(gòu)有很大不同，各網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)性，要實現(xiàn)各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，使得不同區(qū)域或工作面的網(wǎng)絡(luò)既可以獨立運行，又可以聯(lián)合運行，互相支撐，共享數(shù)據(jù)資源。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種與具體應(yīng)用高度相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，在進行路由設(shè)計時，需要考慮其環(huán)境適應(yīng)性。在面向工程機械裝配車間的應(yīng)用中，要求路由協(xié)議能夠具有好的能量均衡性、可擴展性、魯棒性以及安全性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一定的數(shù)據(jù)融合，從而減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

網(wǎng)絡(luò)冗余與可靠性研究。復(fù)雜工況環(huán)境增加了無線信號傳輸?shù)碾y度，大量的不規(guī)則金屬會對無線信號產(chǎn)生強烈干擾，因此需要開展復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信可靠性研究，通過理論分析、實際測試等方法獲得信號無線傳送的阻礙因素、干擾因素和解決方法。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、存儲與演化技術(shù)

基于多源數(shù)據(jù)集成與異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)協(xié)同管理技術(shù)研究。由于現(xiàn)有計算機軟、硬件信息平臺的復(fù)雜性與異構(gòu)性，嚴重阻礙了生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)融合，因此必須研究多源數(shù)據(jù)的協(xié)同管理問題，特別是數(shù)據(jù)標準化、應(yīng)用系統(tǒng)的互操作性、信息的安全性以及數(shù)據(jù)源的動態(tài)配置能力。在此基礎(chǔ)上，將多個分散的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)，集成到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集合里，形成異構(gòu)數(shù)據(jù)集成。

物聯(lián)網(wǎng)涉及生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，存在大量不符合數(shù)據(jù)完整性條件、內(nèi)容不確定的測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不能維持數(shù)據(jù)與語義的一致性，不符合數(shù)據(jù)的完整性。同時這些不同結(jié)構(gòu)和不同來源的數(shù)據(jù)，其規(guī)模、可信度和可用度也參差不齊。因此多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)的實質(zhì)是解決多源分布式存儲數(shù)據(jù)之間的異構(gòu)問題，將不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式的數(shù)據(jù)，有效解決數(shù)據(jù)的差異性和信息集成的沖突。

高效的不完備信息系統(tǒng)融合規(guī)則提取方法研究。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，要融合的數(shù)據(jù)信息往往不完備。首先，需要研究在沒有先驗知識的情況下，從多傳感器數(shù)據(jù)中挖掘和發(fā)現(xiàn)信息之間的聯(lián)系，提取融合規(guī)則，從而完成對數(shù)據(jù)的融合，輔助決策;其次，在傳感器及其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于通信延遲、系統(tǒng)故障，傳感器節(jié)點受損或能源問題等各種各樣的原因，導(dǎo)致多傳感器信息系統(tǒng)中可能存在諸多數(shù)據(jù)值的缺失情況出現(xiàn)。因此如何在這種數(shù)據(jù)不完備的情況下實現(xiàn)準確快速地獲取融合規(guī)則是需要研究解決的問題。

可溯源的海量數(shù)據(jù)高效存儲與管理技術(shù)。溯源是一種描述數(shù)據(jù)的生成歷史以及對數(shù)據(jù)進行各種操作的元數(shù)據(jù)，能夠精確地描述一個數(shù)據(jù)對象的起源，顯示創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)對象的細節(jié)，并揭示不同對象之間的依賴性，可以用來作為復(fù)原數(shù)據(jù)的重要線索，對于工程機械生產(chǎn)過程的監(jiān)控和追溯非常有現(xiàn)實意義。但是，隨著對數(shù)據(jù)的訪問和修改越來越多，記載這些歷史信息的溯源信息也相應(yīng)的不斷增加，給系統(tǒng)的存儲空間開銷帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

設(shè)備數(shù)據(jù)的模型演化技術(shù)。工程機械生產(chǎn)線中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)多以時序數(shù)據(jù)為主，通常具有數(shù)據(jù)量大、連續(xù)、具有高度的領(lǐng)域相關(guān)性等特點，是一種典型的流數(shù)據(jù)。大量新的數(shù)據(jù)高速產(chǎn)生，需要不斷地對最新數(shù)據(jù)進行在線處理，這對數(shù)據(jù)處理的實時性提出了較高要求。在分布式環(huán)境下，還需保持動態(tài)數(shù)據(jù)訪問的全局一致性，保證分析結(jié)果的正確性。為此，需要進行動態(tài)演化模型、數(shù)據(jù)處理流程耦合等領(lǐng)域的研究。

3 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化技術(shù)

針對工程機械智能裝配生產(chǎn)線的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分析需求，為了提高生產(chǎn)過程監(jiān)測及產(chǎn)品追溯系統(tǒng)并行處理能力，促進網(wǎng)絡(luò)信息存儲與管理、信息融合、數(shù)據(jù)挖掘、智能處理和信息利用等， 需要建立基于高性能數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)絡(luò)海量信息處理平臺，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析和智能優(yōu)化的工具集。統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘算法為大數(shù)據(jù)提供了重要的基礎(chǔ)技術(shù)，具體包括：復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計、聚類、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類、遺傳算法等群體智能優(yōu)化技術(shù)。根據(jù)大數(shù)據(jù)的特點進行算法的改造和提升，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供算法支撐。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)線能耗優(yōu)化技術(shù)。采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對裝配設(shè)備進行智能化升級，對生產(chǎn)流程和裝備數(shù)據(jù)進行收集和分析，可有效提高智能裝備的利用率，進一步實現(xiàn)生產(chǎn)線的能耗優(yōu)化。針對裝配過程的單機設(shè)備，進行能耗動態(tài)優(yōu)化分析、能耗成本統(tǒng)計分析、能耗異常綜合分析以及能耗環(huán)境指標動態(tài)考核。針對車間的整體能耗，在綜合考慮調(diào)度效率、穩(wěn)定性和能耗的情況下，建立多目標的調(diào)度優(yōu)化模型，為生產(chǎn)調(diào)度決策提供科學(xué)多樣化的選擇方案。

4 結(jié)束語

圍繞建設(shè)工程機械智能化裝配生產(chǎn)線的發(fā)展需求，從自動化生產(chǎn)集成、工業(yè)現(xiàn)場傳感器智能化、生產(chǎn)線現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)驅(qū)動、數(shù)據(jù)協(xié)同管理等技術(shù)進行了分析論述，包括關(guān)鍵設(shè)備和傳感器的互聯(lián)、工業(yè)現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)感知和數(shù)據(jù)采集，多源生產(chǎn)線數(shù)據(jù)協(xié)同管理，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)能耗優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時感知與動態(tài)控制、異常情況的快速響應(yīng)與處理、產(chǎn)品質(zhì)量的完全可控和可追溯、生產(chǎn)過程工序能耗的分析與優(yōu)化等功能。

參考文獻：

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