基于大數(shù)據(jù)的智能制造領(lǐng)域的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

徐佳 陳小虎 劉森 鄧梓辰

（武漢問道信息技術(shù)有限公司 湖北省武漢市 430000）

信息化時(shí)代背景下，智能制造的發(fā)展進(jìn)度不斷加快，在這一過程中信息所發(fā)揮的作用越來越突出，強(qiáng)化智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為工作重點(diǎn)。為此，技術(shù)人員需要基于大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)智能制造信息系統(tǒng)，并結(jié)合制造業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)管理需求，推動(dòng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)等智能制造信息有效融合、科學(xué)應(yīng)用。

1 智能制造信息系統(tǒng)功能分析

設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)，必須充分展現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的合理應(yīng)用。為此，在開展基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，相關(guān)工作人員應(yīng)該從智能制造信息管理的實(shí)際需求出發(fā)，明確系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.1 數(shù)據(jù)管理功能

對(duì)基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)管理功能是一個(gè)籠統(tǒng)的功能概念，其中應(yīng)該包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)追溯、數(shù)據(jù)分析等多個(gè)分支功能。簡(jiǎn)而言之，基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能，需要涵蓋數(shù)據(jù)信息應(yīng)用的全過程。

為保證智能制造有效性，生產(chǎn)基地內(nèi)的所有生產(chǎn)車間都應(yīng)該被互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，這樣一來基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)可直接捕捉所有生產(chǎn)線運(yùn)行過程中的信息，無論是設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)還是管理內(nèi)容，都將會(huì)被及時(shí)采集；在使用中，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確捕捉、定義設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模處理與圖像捕捉，從而為切實(shí)展現(xiàn)生產(chǎn)情況，真實(shí)完整地采集生產(chǎn)信息提供保障。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)需借助于分布式技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、追溯管理。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，應(yīng)充分展現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和挖掘功能，強(qiáng)調(diào)海量信息處理有效性。

1.2 資源管理功能

所謂資源管理功能，就是利用基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)，智能制造領(lǐng)域的基本業(yè)務(wù)管理。比如，利用該系統(tǒng)完成人力資源管理、財(cái)務(wù)管理等。此時(shí)，此時(shí)，需要發(fā)揮基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)的過程性、全面性控制功能，做好多元業(yè)務(wù)信息的采集與處理[1]。

1.3 數(shù)據(jù)可視功能

數(shù)據(jù)可視化是提高數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)效性的重要方法，在設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)工作人員也需要對(duì)這一功能進(jìn)行合理規(guī)劃。在使用中，系統(tǒng)需要基于可視化圖表直觀展現(xiàn)數(shù)據(jù)，推動(dòng)抽象數(shù)據(jù)與可視化圖表之間的有機(jī)轉(zhuǎn)換。而且，基于這一功能，還將初步完成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分類和整合。

1.4 控制預(yù)警功能

為保證基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，必須在設(shè)計(jì)階段強(qiáng)調(diào)智能控制與預(yù)警功能研究?；诖髷?shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)的信息采集與處理范圍覆蓋所有生產(chǎn)線，即監(jiān)控所有生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，在生產(chǎn)管理中充當(dāng)協(xié)助者和監(jiān)控者。因此，該系統(tǒng)必須具備智能控制和技術(shù)預(yù)警功能，才能面對(duì)異常信息時(shí)快速給出適當(dāng)反應(yīng)。

2 智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受到智能制造的特性影響，智能制造的信息系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用的結(jié)構(gòu)是分層體系，將數(shù)據(jù)管理當(dāng)作該系統(tǒng)的中心。此信息系統(tǒng)的整體架構(gòu)分別為以下五點(diǎn)。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層，該層作為制造類的企業(yè)建設(shè)智能化信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)主要包括了企業(yè)的硬件環(huán)境與軟件環(huán)境。硬件環(huán)境中包括各種工作站、服務(wù)器、傳感器、機(jī)房等，軟件環(huán)境則主要由信息處理的各大軟件構(gòu)成。

（2）數(shù)據(jù)支撐層。該層能夠?yàn)橹圃祛愋偷钠髽I(yè)提供生產(chǎn)信息方面的數(shù)據(jù)服務(wù)，其能夠?qū)⒅圃鞓I(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及時(shí)地存儲(chǔ)起來，并且其完整性得到了一定保障，當(dāng)企業(yè)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)改變時(shí)，該層能夠及時(shí)變更相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)支撐層實(shí)施數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的框架為Hadoop。其作為分布式類型的框架不僅可以存儲(chǔ)海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其獨(dú)特的架構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)的功能。

（3）技術(shù)支撐層。該層是整個(gè)智能制造信息系統(tǒng)核心的技術(shù)保障，其主要作用是作為技術(shù)支持幫助信息系統(tǒng)中的硬件設(shè)備穩(wěn)定、正常地運(yùn)行。該信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)支持層囊括了數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)與各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)行的環(huán)境。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。該層是智能制造的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的核心環(huán)節(jié)。其為制造類型的企業(yè)準(zhǔn)確地提供業(yè)務(wù)、系統(tǒng)、標(biāo)識(shí)以及決策等核心業(yè)務(wù)方面的管理規(guī)劃。

（5）用戶層。該層中的用戶不僅包括核心用戶以及管理用戶，同時(shí)還包括了普通用戶以及訪問用戶，不同層級(jí)的用戶在該信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中所擁有的使用權(quán)限存在差別，通過分層權(quán)限訪問落實(shí)了系統(tǒng)中的信息安全保護(hù)工作[2]。

設(shè)計(jì)該信息系統(tǒng)時(shí)運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)有兩種，其一是圖像精確識(shí)別技術(shù)，其二是大數(shù)據(jù)的分析算法。當(dāng)前的圖像識(shí)別技術(shù)大多是依賴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)各種動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，然而其存在一定缺陷，基礎(chǔ)類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)因?yàn)榫植康臉O小化以及較低的收斂速度導(dǎo)致識(shí)別圖像時(shí)出現(xiàn)偏差，識(shí)別的結(jié)果并不準(zhǔn)確。為了彌補(bǔ)這一缺陷，需要將學(xué)習(xí)深度強(qiáng)化，通過結(jié)合感知能力與決策能力直接依照輸入系統(tǒng)的圖像實(shí)施控制，將識(shí)別圖像的能力有效提高。進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析時(shí)分析的對(duì)象是企業(yè)在生產(chǎn)制造以及銷售的過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，通過針對(duì)性的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)更完善的資源分配，方便產(chǎn)品的投放。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)需要對(duì)制造生產(chǎn)的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以便于查找異常數(shù)據(jù)，針對(duì)異常數(shù)據(jù)實(shí)施算法分析。進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析時(shí)需要注意智能制造的領(lǐng)域中各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)速率并不相同，其銷售的對(duì)象也存在差異，因此其對(duì)數(shù)據(jù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)需要依據(jù)實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)制造情況改變。智能制造信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是先進(jìn)的、多層次的，其能夠?yàn)橹圃炱髽I(yè)中的企業(yè)提供多樣化的服務(wù)，幫助其更好地進(jìn)行智能制造[3]。

2.2 智能制造信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)階段，在現(xiàn)代化裝備制造業(yè)的發(fā)展過程中，智能制造信息系統(tǒng)的自動(dòng)化建設(shè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。利用設(shè)備現(xiàn)有的機(jī)械手與增加機(jī)械手、可編程邏輯控制器以及自動(dòng)控制軟件相結(jié)合的方式能夠有效實(shí)現(xiàn)智能制造信息系統(tǒng)的自動(dòng)化。數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)化改造一般通過機(jī)械手與專用的定制自動(dòng)化設(shè)備單元進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。該方式為智能制造裝備在數(shù)字化、智能化以及系統(tǒng)規(guī)模化發(fā)展等領(lǐng)域取得重要性的轉(zhuǎn)變。對(duì)于重點(diǎn)行業(yè)裝備來說，擁有較高的數(shù)控化率，大量的信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備也較多，同時(shí)，上述信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備具有較強(qiáng)的先進(jìn)技術(shù)且信號(hào)較為穩(wěn)定、安全，設(shè)備數(shù)量的增多便會(huì)產(chǎn)生較多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)。大量的數(shù)據(jù)參數(shù)分散在不同的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其組織形式以及存儲(chǔ)方式也各不相同，因此，便成為大量的單一數(shù)據(jù)個(gè)體，不同數(shù)據(jù)之間無法形成有效的訪問形式，科學(xué)、合理的利用較為困難。使得數(shù)據(jù)在具體應(yīng)用和使用方面具有一定難度。

因此，采用獨(dú)立的安全域聯(lián)盟的數(shù)據(jù)交換的方式，并有效的與共享框架結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的管理和控制，進(jìn)而達(dá)到不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)相互訪問、相互溝通的目的。使得數(shù)據(jù)信息之間能夠進(jìn)行有效的結(jié)合，當(dāng)上層決策系統(tǒng)需要進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析以及對(duì)故障進(jìn)行全面檢測(cè)時(shí)，該方式能夠?yàn)槠涮峁┫鄳?yīng)的數(shù)據(jù)支持和保障。除此之外，該系統(tǒng)中將單個(gè)的數(shù)據(jù)信息源作為獨(dú)立的安全盟友進(jìn)行科學(xué)、有效的管理，單獨(dú)盟友間能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效的共享，利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)容器搭建系統(tǒng)的虛擬數(shù)據(jù)庫的可視化圖景。保證單個(gè)數(shù)據(jù)盟友能夠?qū)μ摂M數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)進(jìn)行訪問，提高了數(shù)據(jù)盟友間的透明度與安全系數(shù)。擁有時(shí)效性的其他數(shù)據(jù)，例如實(shí)時(shí)、定時(shí)數(shù)據(jù)等，應(yīng)利用盟友數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶的預(yù)先定制進(jìn)行數(shù)據(jù)的訂閱，完成對(duì)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的推送和接收工作。對(duì)于單個(gè)聯(lián)盟成員來說，可以通過獲取整個(gè)聯(lián)盟系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，在整個(gè)聯(lián)盟系統(tǒng)中所發(fā)布的數(shù)據(jù)信息中，當(dāng)出現(xiàn)本盟友在進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合分析需要的數(shù)據(jù)時(shí)，便可通過對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)采取訂閱的方式。當(dāng)盟友系統(tǒng)中所發(fā)布的數(shù)據(jù)發(fā)生更新變化時(shí)，訂閱相關(guān)數(shù)據(jù)的盟友便能通過該系統(tǒng)及時(shí)獲取到相應(yīng)的更新內(nèi)容。對(duì)于多源數(shù)據(jù)集中同步的問題，首先，將聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫中存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，進(jìn)而使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變成為中間的格式。然后，應(yīng)將中間格式改變?yōu)槟繕?biāo)格式。在具體的實(shí)施過程中通常采用消息隊(duì)列的通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)盟友和盟友間的通信關(guān)系解耦，利用相關(guān)的擴(kuò)展標(biāo)記語言當(dāng)作數(shù)據(jù)交換的基本格式，將不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)差異進(jìn)行有效的屏蔽，使得整個(gè)系統(tǒng)愈加靈活方便，且有效的加強(qiáng)了其擴(kuò)展性能[4]。

對(duì)于智能制造云服務(wù)平臺(tái)來說，其區(qū)域聯(lián)盟可分為以下不同的安全域，分別為：

（1）核心數(shù)據(jù)交換域。作為整個(gè)云平臺(tái)的中心域，能夠?qū)⑵脚_(tái)各區(qū)域內(nèi)的不同數(shù)據(jù)信息交換。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)域。在工業(yè)企業(yè)以及各類業(yè)務(wù)應(yīng)用中能夠提供相應(yīng)的服務(wù)。

（3）公開數(shù)據(jù)服務(wù)域。通過服務(wù)的方式為用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)。

（4）平臺(tái)核心服務(wù)域。作為綜合服務(wù)的核心域，能夠有效提供綜合平臺(tái)類的服務(wù)。

（5）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)域。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平臺(tái)核心數(shù)據(jù)以及無法對(duì)用戶開發(fā)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)。

（6）業(yè)務(wù)管理服務(wù)域。業(yè)務(wù)管理服務(wù)域能實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理、平臺(tái)資源配置管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及信息化基礎(chǔ)資源交付等服務(wù)。

（7）數(shù)據(jù)交換域。能夠?qū)ζ脚_(tái)中的不同區(qū)域間、平臺(tái)和平臺(tái)間以及平臺(tái)和平臺(tái)之外的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（8）業(yè)務(wù)托管域。該域?yàn)閼?yīng)用服務(wù)區(qū)。向綜合服務(wù)中心的不同業(yè)務(wù)進(jìn)行有效的提供托管，并能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算資源、運(yùn)行環(huán)境以及安全設(shè)施等服務(wù)。但需注意的是，該域無法為門戶、面向公眾的業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)。

（9）互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)域。作為互聯(lián)網(wǎng)用戶服務(wù)域能夠?qū)﹂T戶網(wǎng)站、郵箱等面向公眾的業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)。

2.3 案例介紹

本文將以中云智慧工廠作為分析案例，該系統(tǒng)平臺(tái)能夠高效、快速的完成信息數(shù)據(jù)的在線整合，以此為智能決策提供數(shù)據(jù)支持，而且中云智慧工廠可以完成不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的傳輸與共享，使不同系統(tǒng)建立連接關(guān)系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)彼此間的有序運(yùn)行與互聯(lián)互通。同時(shí)中云系統(tǒng)平臺(tái)具有信息查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)控、需求預(yù)測(cè)、預(yù)警、排污效果監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)流程管理等功能，高度集成生產(chǎn)管理、安全管理等內(nèi)容，具有十分強(qiáng)大的兼容性，還能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信協(xié)議高度融合，并利用平臺(tái)管理設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取重要信息數(shù)據(jù)，從而為用戶提供可擴(kuò)充的服務(wù)模塊與資源報(bào)表，以此滿足用戶的多樣化、個(gè)性化需求，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，確保相關(guān)企業(yè)可以保持節(jié)能、高效的運(yùn)行模式。此外，中云智慧工廠將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器、VR 技術(shù)、無線通信技術(shù)進(jìn)行了高度整合，可以切實(shí)完成企業(yè)數(shù)字化管理，其主要功能可分為以下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集，一方面體現(xiàn)在能夠利用系統(tǒng)感知層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的收集與追溯。另一方面體現(xiàn)在利用圖像呈現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息采集，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中，方便后期進(jìn)行資料分析時(shí)完成歷史數(shù)據(jù)取調(diào)。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，即是將設(shè)備操控、設(shè)備配置等信息上傳至服務(wù)器當(dāng)中，為后續(xù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備性能探究等工作提供數(shù)據(jù)支持。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是指對(duì)企業(yè)生產(chǎn)狀況與安全性進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：借助傳感器對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控；利用視頻分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，確保潛在的安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)因素被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免相關(guān)問題不斷累積，最終引發(fā)安全事故；人員的實(shí)時(shí)定位與位置跟蹤；根據(jù)不同異常狀況，比如斷電、超限等，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并利用神經(jīng)網(wǎng)元程序完成報(bào)警信息的自動(dòng)處理和故障處理方法的制定；日志資料的可視化查詢與分析，管理人員可借助移動(dòng)電子設(shè)備對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行隨時(shí)隨地的掌握。

（4）報(bào)表，包含產(chǎn)量報(bào)表、報(bào)警報(bào)表、設(shè)備啟停報(bào)表、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表。

（5）其他子系統(tǒng)，比如：排風(fēng)、生產(chǎn)線、倉(cāng)儲(chǔ)等現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

綜上所述，基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要以設(shè)計(jì)整體架構(gòu)和選用關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該根據(jù)信息管理的現(xiàn)實(shí)需要，明確信息系統(tǒng)功能。通常來說，基于大數(shù)據(jù)的智能制造信息系統(tǒng)，應(yīng)該具備采集、處理、存儲(chǔ)、追溯、分析數(shù)據(jù)的功能，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該合理選用先進(jìn)科技，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和智能控制預(yù)警。