復(fù)雜工業(yè)過(guò)程可視化監(jiān)控、分析平臺(tái)的需求分析

秦 瑩

（天津藥業(yè)集團(tuán)有限公司，天津 300000）

工業(yè)系統(tǒng)包括化學(xué)過(guò)程、制造過(guò)程、電力網(wǎng)絡(luò)、可持續(xù)能源系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人系統(tǒng)和生物制藥醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)正變得越來(lái)越復(fù)雜。復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程可視化自動(dòng)生產(chǎn)程序也變得越發(fā)煩瑣，具有高度的非線性和隨機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)工業(yè)系統(tǒng)變得越來(lái)越昂貴，對(duì)操作性能、生產(chǎn)性、可用性、可靠性和安全性的要求也越來(lái)越高[1]。

此外，工業(yè)4.0已經(jīng)成為自動(dòng)化行業(yè)的當(dāng)前趨勢(shì)，對(duì)自動(dòng)化行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行性能。因此，在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的建模、監(jiān)控和控制中開(kāi)發(fā)有效的技術(shù)至關(guān)重要，但具有挑戰(zhàn)性。隨著工業(yè)自動(dòng)化、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的建模、監(jiān)控和控制受到了極大的刺激，近年來(lái)出現(xiàn)了新的技術(shù)和應(yīng)用[2]。目前針對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)可視化監(jiān)控的應(yīng)用背景有所受限，現(xiàn)存較多系統(tǒng)的多為定制化開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的通用性較差。在不同的工業(yè)流程應(yīng)用下，難以依據(jù)變更或重組完成適應(yīng)性變更。目前，監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下傳統(tǒng)復(fù)雜工業(yè)從數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)型的需求[3]。

針對(duì)傳統(tǒng)的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程，其生產(chǎn)過(guò)程中的指標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，大部分缺少對(duì)系統(tǒng)的全面監(jiān)測(cè)與分析，從而滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求。但是面對(duì)愈加煩瑣的生產(chǎn)流程和大量的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)操作人員無(wú)法快速識(shí)別有用數(shù)據(jù)信息，不能為決策者提供可靠依據(jù)。因此，提供對(duì)數(shù)據(jù)的有效探測(cè)手段對(duì)于提高監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度具有重要的作用[4，5]，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)難以滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下傳統(tǒng)復(fù)雜工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)過(guò)程智能監(jiān)控需求，智能監(jiān)控能為自動(dòng)化系統(tǒng)的決策及質(zhì)量保證提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

為了解決上述問(wèn)題，以制藥生產(chǎn)過(guò)程為例，針對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)過(guò)程的可視化監(jiān)控分析靜態(tài)進(jìn)行需求分析，解決生產(chǎn)過(guò)程規(guī)范化、生產(chǎn)指標(biāo)可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)輸入不清晰的問(wèn)題，為復(fù)雜工業(yè)過(guò)程平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)指標(biāo)分類與分析

復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的門(mén)類多、范疇廣、工藝種類繁雜，涵蓋了諸多的工業(yè)過(guò)程，其中不僅包括化工、冶金、鋁冶煉、選礦、制藥等制造體系。上述工業(yè)過(guò)程的共同點(diǎn)表現(xiàn)在：連續(xù)性高、工藝流程復(fù)雜多樣、變量參數(shù)耦合性強(qiáng)、生產(chǎn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)量大等方面。如今，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及以及工業(yè)智能化的推進(jìn)，復(fù)雜工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這些工業(yè)數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：

1.1 各維度交錯(cuò)分布，數(shù)據(jù)總量極大

鑒于檢測(cè)技術(shù)和各工藝要求的不同，關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要通過(guò)高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成采集，采取的數(shù)據(jù)用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等。一些低頻采樣數(shù)據(jù)，可以依據(jù)其他數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，或者由人工測(cè)量記錄。因此，復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同規(guī)模的其他行業(yè)。此情況導(dǎo)致工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總量過(guò)大，生產(chǎn)操作人員無(wú)法快速判別有效數(shù)據(jù)，監(jiān)控監(jiān)測(cè)效率大大降低。

1.2 數(shù)據(jù)類型多樣

因各生產(chǎn)工藝的差異性大，其所需檢測(cè)手段和數(shù)據(jù)的含義各不相同，采集的數(shù)據(jù)類型多種多樣，取值包括數(shù)值型、非數(shù)值型、邏輯型等，按照時(shí)域分為連續(xù)性和離散型。另外，由于采集過(guò)程或者存儲(chǔ)過(guò)程造成的一些明顯偏差的數(shù)據(jù)被稱為無(wú)效數(shù)據(jù)。

1.3 高維且耦合性強(qiáng)

在復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各流程工藝相互耦合十分普遍。系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)量之間存在多種相關(guān)性，即系統(tǒng)的任意一個(gè)輸入可能影響系統(tǒng)的多個(gè)輸出，或者任意一個(gè)輸出是受多個(gè)系統(tǒng)輸入的影響。由于這種錯(cuò)綜耦合現(xiàn)象的存在，很大程度上增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的監(jiān)控難度。

總而言之，復(fù)雜工業(yè)過(guò)程在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的工業(yè)數(shù)據(jù)，使得指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)控在復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨巨大的挑戰(zhàn)。通常包括多個(gè)工藝流程，各工藝流程下又存在多個(gè)子流程，復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中往往伴隨著多種多樣的物理變化、化學(xué)變化。各類工業(yè)生產(chǎn)的指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)又是不盡相同的[6]，最常用的是按照空間層次分類法、指標(biāo)類型分類法，具體分類情況如下圖1所示。

圖1 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程指標(biāo)分類

按空間層次劃分，分為綜合生產(chǎn)指標(biāo)、工序生產(chǎn)指標(biāo)及原料生產(chǎn)指標(biāo)。以醫(yī)藥復(fù)雜生產(chǎn)工藝過(guò)程為例，其主要包括：溶解、回流、過(guò)濾、濃縮、冷卻、離心等工序。工藝過(guò)程中的生產(chǎn)指標(biāo)也是多樣的，見(jiàn)表1所示。

表1 按空間層次劃分指標(biāo)

按指標(biāo)類型劃分，分為質(zhì)量指標(biāo)、計(jì)量指標(biāo)、設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、能源指標(biāo)、成本指標(biāo)、倉(cāng)儲(chǔ)料位和工藝指標(biāo)。以醫(yī)藥復(fù)雜生產(chǎn)工藝過(guò)程為例對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行陳列，見(jiàn)表2所示。

表2 按指標(biāo)類型劃分指標(biāo)

2 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程可視化監(jiān)控分析平臺(tái)需求分析

2.1 可視化監(jiān)控平臺(tái)功能需求分析

復(fù)雜工業(yè)過(guò)程可視化監(jiān)控分析平臺(tái)通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)信息的建模，以組態(tài)的形式搭建監(jiān)控流程的可視化監(jiān)控環(huán)境，創(chuàng)建出各流程行業(yè)、不同項(xiàng)目的工藝流程。利用生產(chǎn)各工藝之間相互的邏輯關(guān)系，建立各工序流程及其相關(guān)子流程。結(jié)合各流程中數(shù)據(jù)的采集處理，對(duì)其關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行跟蹤分析監(jiān)控，針對(duì)監(jiān)控特點(diǎn)及監(jiān)控要求，系統(tǒng)提供算法配置功能，用戶可以根據(jù)監(jiān)控需求配置不同的監(jiān)控算法、可視化方案，提升指標(biāo)監(jiān)控平臺(tái)的可讀性、人機(jī)交互性。最后結(jié)合多種可視分析方案輔助用戶對(duì)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)估，以評(píng)估監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為動(dòng)態(tài)調(diào)整監(jiān)控指標(biāo)、監(jiān)控算法或監(jiān)控算法的參數(shù)提供決策依據(jù)，使得生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控系統(tǒng)具備初步動(dòng)態(tài)演化能力?？梢暬O(jiān)控平臺(tái)的功能需求分析主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展。

2.1.1 基礎(chǔ)信息需求

工廠信息的管理是以數(shù)據(jù)為中心的信息化交付，完善的信息管理制度能有效提高工廠的運(yùn)營(yíng)效率。平臺(tái)具備基礎(chǔ)信息建模功能：①組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)信息管理；②工序流程基礎(chǔ)信息管理；③設(shè)備檔案基礎(chǔ)信息管理；④指標(biāo)檔案基礎(chǔ)信息管理；⑤計(jì)量單位基礎(chǔ)信息管理等。

2.1.2 可視監(jiān)控組態(tài)需求

考慮到現(xiàn)有工業(yè)流程監(jiān)控系統(tǒng)多為定制開(kāi)發(fā)，適用性不強(qiáng)，很難滿足不同復(fù)雜工業(yè)流程行業(yè)對(duì)指標(biāo)監(jiān)控的需求，同時(shí)不同用戶對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)監(jiān)控的需求各不相同，進(jìn)而對(duì)各指標(biāo)的關(guān)注點(diǎn)也不盡相同?？梢暬O(jiān)控平臺(tái)應(yīng)該具備重構(gòu)性，并且其可配置性強(qiáng)，可以通過(guò)監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境模塊，構(gòu)建出不同的工藝流程并配置監(jiān)控指標(biāo)、監(jiān)控事件等。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析需求

復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)流程系統(tǒng)往往涉及眾多的生產(chǎn)指標(biāo)，在采集全部生產(chǎn)指標(biāo)的同時(shí)存在不能突出重點(diǎn)的問(wèn)題，從而導(dǎo)致重點(diǎn)指標(biāo)被忽視。一些相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)同步監(jiān)控，但是數(shù)據(jù)形態(tài)展示過(guò)于煩瑣，從而無(wú)法使操作人員快速提煉出有效信息。故，平臺(tái)應(yīng)該具備對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)探測(cè)的功能，通過(guò)應(yīng)用不同的算法，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)重要生產(chǎn)指標(biāo)的快速定位，另一方面獲取生產(chǎn)指標(biāo)間的潛在聯(lián)系。

2.1.4 可視分析需求

平臺(tái)的人機(jī)交互界面需要制定交互友好的可視化展示與分析方案。在平臺(tái)的使用過(guò)程中可以借助圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)關(guān)鍵信息。交互式操作應(yīng)簡(jiǎn)單便捷，能夠讓用戶詳細(xì)了解所需監(jiān)控的指標(biāo)，快捷有效地獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而更快地理解和掌握監(jiān)控平臺(tái)的運(yùn)行情況。

2.1.5 監(jiān)控需求

構(gòu)建完成可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境組件工藝流程后，通過(guò)監(jiān)控模塊對(duì)其進(jìn)行可視化監(jiān)控。結(jié)合數(shù)據(jù)探測(cè)模塊得到的指標(biāo)數(shù)據(jù)的關(guān)系，借助可視化模塊與分析組件對(duì)測(cè)得指標(biāo)進(jìn)行可視分析。據(jù)實(shí)際需求對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史追溯、多視圖監(jiān)控等。

2.2 可視化監(jiān)控平臺(tái)性能需求分析

性能可以理解為是一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特性功能的能力，即系統(tǒng)在展現(xiàn)某種特定功能時(shí)所呈現(xiàn)出的及時(shí)特性。本監(jiān)控平臺(tái)是針對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程場(chǎng)景設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，最終目的需應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，該平臺(tái)應(yīng)該滿足以下一些性能需求。

2.2.1 平臺(tái)的實(shí)用性及可擴(kuò)展性

面向復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控與分析平臺(tái)，首先要滿足實(shí)際工業(yè)過(guò)程中生產(chǎn)指標(biāo)的監(jiān)控需求，同時(shí)應(yīng)滿足未來(lái)的發(fā)展需求。該平臺(tái)采用組件化、模塊化的開(kāi)發(fā)理念，盡可能地減少平臺(tái)的耦合性，開(kāi)發(fā)完成后的平臺(tái)能夠便于后續(xù)開(kāi)發(fā)人員新增功能或者對(duì)現(xiàn)有功能進(jìn)行改進(jìn)，使平臺(tái)后期維護(hù)成本低、難度小。

2.2.2 平臺(tái)的安全性及穩(wěn)定性

平臺(tái)應(yīng)部署一套完善的安全體系，可以保證重要的數(shù)據(jù)信息不被工業(yè)病毒損壞，不被用戶隨意訪問(wèn)、泄露。其在保證平臺(tái)安全運(yùn)行的同時(shí)，需要確保監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)處理大量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)自動(dòng)備份并迅速恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

2.2.3 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

實(shí)際復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的大量數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控平臺(tái)中會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)，企業(yè)操作員不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障，導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)的目的失去了意義，故平臺(tái)需要保證數(shù)據(jù)從實(shí)際生產(chǎn)到監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)性。

2.2.4 平臺(tái)的響應(yīng)速度

系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢是用戶衡量一個(gè)系統(tǒng)好快最直觀的感受。當(dāng)用戶在打開(kāi)某一界面或搜索某一網(wǎng)絡(luò)輿情時(shí)，平臺(tái)的反應(yīng)速度應(yīng)保證在可接受范圍內(nèi)，對(duì)于大數(shù)據(jù)量的查詢等操作需采用必要的方法去滿足用戶對(duì)響應(yīng)速度的需求。

2.2.5 平臺(tái)的交互性

作為可視監(jiān)控與分析平臺(tái)，在滿足基本功能的同時(shí)應(yīng)提高用戶體驗(yàn)，保證平臺(tái)頁(yè)面布局美觀合理、交互邏輯清晰、信息提示準(zhǔn)確等。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章首先指出現(xiàn)有生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)雜工業(yè)流程的特點(diǎn)，以制藥生產(chǎn)過(guò)程為例，對(duì)工藝指標(biāo)進(jìn)行分類并總結(jié)其指標(biāo)的特點(diǎn)，進(jìn)而分析了生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控與分析平臺(tái)的需求。其包括功能需求和性能需求，為復(fù)雜工業(yè)過(guò)程可視化監(jiān)控分析平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。