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    機采棉加工質(zhì)量追溯系統(tǒng)構(gòu)建方法研究

    2025-04-29 00:00:00路程孫文磊王麗鑫常賽科肖磊峰王順利
    中國農(nóng)機化學報 2025年4期

    摘要:針對機采棉加工環(huán)節(jié)質(zhì)量信息鏈斷裂、可追溯性差的問題,提出一種基于標識解析的質(zhì)量追溯方法。分析棉花加工過程各環(huán)節(jié)的全要素信息,構(gòu)建棉花加工廠人、機、料、法、環(huán)、測的標識物元模型,設(shè)計一種機采棉數(shù)據(jù)存儲和檢索的層次編碼方法,為機采棉加工過程每個關(guān)鍵節(jié)點賦予唯一編碼,實現(xiàn)機采棉加工過程全要素信息的結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián);通過建立機采棉收購、分垛、加工、包裝、標識和銷售出庫全生命周期過程的Petri追溯網(wǎng)絡(luò),能夠精準分析機采棉質(zhì)量問題的傳播路徑,快速定位機采棉質(zhì)量異常的來源和產(chǎn)生原因;基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系和上述質(zhì)量追溯模型,開發(fā)機采棉質(zhì)量追溯系統(tǒng),并對比系統(tǒng)測試時間與標識追溯時間。結(jié)果表明,Hbase數(shù)據(jù)庫在所提追溯方法中具有良好的表現(xiàn),且追溯時間分別是MySql、SQL Server與Elasticsearch的2.1倍、1.8倍和1.2倍,實現(xiàn)機采棉生產(chǎn)全流程質(zhì)量的高效溯源和管控。

    關(guān)鍵詞:機采棉;標識解析;全要素;Petri網(wǎng);質(zhì)量追溯

    中圖分類號:S562; TS113; TP391.9" " " 文獻標識碼:A" " " 文章編號:2095?5553 (2025) 04?0064?10

    Research on the construction method of quality tracing system for

    machine?picked cotton processing

    Lu Cheng Sun Wenlei Wang Lixin Chang Saike Xiao Leifeng Wang Shunli

    (1. School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi, 830049, China;

    2. Kuitun Yinli Cottonseed Oil Machinery Co., Ltd., Kuitun, 833200, China)

    Abstract: In order to address the problems of broken quality information chain and poor traceability in machine?picked cotton processing, a quality traceability method based on identification resolution was proposed. By analyzing the information of all elements in each link of the cotton processing process, the marker matter?element model of man, machine, material, method, loop and measurement in the cotton processing plant was constructed. A hierarchical coding method for the storage and retrieval of machine?picked cotton data was designed, and a unique code was assigned to each key node of the machine?picked cotton processing process to realize the structured correlation of the information of all elements of the machine?picked cotton processing process. By establishing Petri traceability network of the whole lifecycle process of the machine?picked cotton acquisition, palletizing, processing, packaging, labeling and sales out of the warehouse, the propagation path of machine?picked cotton quality problems can be precisely analyzed, and the sources and causes of machine?picked cotton quality anomalies can be quickly located. Finally, based on the industrial Internet identity resolution system and the above quality traceability model, a machine?picked cotton quality traceability system is developed, and the system is tested through system testing and comparison with labeling traceback time, in which Hbase database has a good performance in the proposed traceability method, and the traceability time is 2.1, 1.8 and 1.2 times of the traceability time of MySql, SQL Server and Elasticsearch respectively, which realizes the efficient traceability and control of the quality of the whole process of machine?picked cotton production.

    Keywords: machine?harvested cotton; identity resolution; all elements; Petri net; quality traceability

    0 引言

    隨著政府對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管控力度加大和先進技術(shù)的迭代更新,面向產(chǎn)品智能制造的數(shù)字化工廠正處于自動化、信息化建設(shè)的關(guān)鍵階段。硬件提升的同時對企業(yè)信息化提出迫切的升級需求。需要先進的生產(chǎn)信息系統(tǒng)進行全方位智能化管理。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁,是實現(xiàn)生產(chǎn)過程中數(shù)字化管理和提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段,為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供了一種可靠的方法。An等[1]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的半集中式可追溯體系結(jié)構(gòu),成功實現(xiàn)了風力發(fā)電機關(guān)鍵零部件全生命周期管理。Kumar等[2]提出一個在紡織品供應(yīng)鏈中實現(xiàn)可追溯性的框架,實現(xiàn)了產(chǎn)品供應(yīng)鏈信息跟蹤管理。鄒宗峰等[3]通過結(jié)合汽車產(chǎn)品市場流通實際需求,提出一種面向模塊化生產(chǎn)的管理辦法,實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的事前控制和缺陷產(chǎn)品的事后追溯。然而,上述研究均基于傳統(tǒng)消費互聯(lián)網(wǎng)的域名解析,無法實現(xiàn)所制造的產(chǎn)品沿產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的信息共享與交互,容易導(dǎo)致信息孤島問題。

    近年來,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的日趨成熟,出現(xiàn)了一種結(jié)合標識解析技術(shù)的信息溯源方法,其核心內(nèi)容涉及標識編碼、標識解析系統(tǒng)、標識數(shù)據(jù)服務(wù),能夠有效識別標識符背后數(shù)據(jù)的來源、流動過程和用途[4]。作為支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的神經(jīng)樞紐,國內(nèi)外眾多學者基于該技術(shù)對不同領(lǐng)域制造行業(yè)進行探索與研究。常賽科等[5]基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析搭建了工業(yè)設(shè)備全生命周期運維系統(tǒng),其通過編碼、賦碼與掃碼解析成功實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵零部件全流程信息追溯;Sun等[6]通過設(shè)計產(chǎn)品標識的防偽代碼,實現(xiàn)了水產(chǎn)品質(zhì)量的追溯與監(jiān)管。顏波等[7]基于射頻識別(RFID)和產(chǎn)品電子代碼,開發(fā)了包含管理、加工、配送、銷售、查詢等子系統(tǒng)的追溯平臺。

    然而,早期研究報道集中于食品、藥品及資產(chǎn)管理領(lǐng)域[8?10],針對機采棉加工質(zhì)量信息溯源管理方面的研究鮮有報道。機采棉加工階段處于棉花產(chǎn)業(yè)鏈的中游階段,是支撐棉花供應(yīng)鏈體系的核心組成部門,是支撐上游棉花種植戶與下游采購企業(yè)信息互聯(lián)互通的樞紐。目前,棉花加工制造行業(yè)還存在數(shù)字化應(yīng)用程度不深、制造系統(tǒng)建模應(yīng)用效果不佳、數(shù)據(jù)深度不足、智能集成場景缺乏、基于數(shù)據(jù)的精益改善的能力不足等問題[11],構(gòu)建機采棉加工質(zhì)量追溯系統(tǒng)勢在必行。

    本研究嘗試將機采棉加工環(huán)節(jié)進行標識,并結(jié)合Petri網(wǎng)建立工廠內(nèi)部的質(zhì)量追溯模型,定義其五元組表示影響棉花加工質(zhì)量因素的相關(guān)路徑與對應(yīng)的全要素物元模型。并在此基礎(chǔ)上,搭建棉花加工環(huán)節(jié)的質(zhì)量追溯系統(tǒng),通過標識解析和先進傳感技術(shù)實現(xiàn)機采棉加工環(huán)節(jié)的各種數(shù)據(jù)信息的感知,以期為當前棉花加工企業(yè)面臨的數(shù)據(jù)斷裂問題提供理論基礎(chǔ)與借鑒。

    1 機采棉加工過程物元模型構(gòu)建

    1.1 機采棉加工工藝過程

    棉花的生產(chǎn)加工過程主要包括籽棉收購、分級分垛、機采棉加工、入庫銷售4個環(huán)節(jié)。其中,機采棉加工環(huán)節(jié)又可分為籽棉一次清理、籽棉二次清理、籽棉三次清理、軋花皮棉清理、集棉打包標識5個部分。其具體流程:籽棉經(jīng)采棉機進行采收打包并通過公檢部門的相關(guān)質(zhì)量檢測項目后,運送至加工工廠,經(jīng)企業(yè)抽檢合格后過磅卸棉。由于機采棉加工前后要求顏色一致,需對棉花入庫時分級分垛,為加工階段的“因花配車”做準備。根據(jù)棉花清理除雜的加工需要,在一次和二次籽棉清理環(huán)節(jié)后對棉花進行加濕或烘干以達到各環(huán)節(jié)清花設(shè)備的需求;在軋花皮棉清理環(huán)節(jié)時,對皮棉進行加濕以達到皮棉打包的目的,打包完成后將皮棉質(zhì)量檢測指標信息進行賦碼和打碼處理。具體加工工藝階段可以將數(shù)據(jù)分為輸入、處理和輸出(IPO)過程,如圖1所示。

    產(chǎn)品的加工質(zhì)量與每個階段人員、設(shè)備、工藝、環(huán)境都有一定聯(lián)系,其中,分級分垛與倉儲物流環(huán)節(jié)中的環(huán)境指的是棉花存放空間的溫度、濕度等條件,加工過程中的環(huán)境指在輸送管道內(nèi)的溫度、濕度等條件。根據(jù)環(huán)節(jié)容器所表示的具體工序,向環(huán)節(jié)容器添加工藝過程輸入輸出要素,考慮一個由多臺設(shè)備通過串、并聯(lián)方式組成的生產(chǎn)系統(tǒng),生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共有N個加工階段,其中第k個階段由m臺設(shè)備組成([1≤k≤N])。為平衡串行線的產(chǎn)能,每個階段的加工能力均為P,因此,每個環(huán)節(jié)階段可表示為

    作為新疆棉花主要的采收方式,與傳統(tǒng)手摘棉相比,機采棉普遍存在含雜率大、回潮率高等特性[12]。但棉花的質(zhì)量受到眾多因素的影響,包含加工環(huán)節(jié)中的運儲[13]、加工工藝[14, 15]、加工設(shè)備和員工經(jīng)驗[16]等;對機采棉質(zhì)量數(shù)據(jù)進行溯源分析時,棉花品種、采收方式、檢測數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)與設(shè)備、系統(tǒng)中一些存在經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)運算操作派生而來的動態(tài)數(shù)據(jù),如溫度、濕度等[17, 18],都將成為棉花質(zhì)量追溯中的重要因素,將上述數(shù)據(jù)進行有效融合,對后續(xù)棉花加工過程的優(yōu)化具有重要意義。

    1.2 機采棉全要素信息分類

    按照機采棉的加工企業(yè)特點將追溯信息分為實體與數(shù)據(jù)兩部分。實體分為6類,分別為人、機、料、法、環(huán)、測;其中關(guān)鍵是構(gòu)建以實體編碼為核心的追溯方案,以期能實現(xiàn)棉花工廠的人員問責、設(shè)備數(shù)據(jù)、加工工藝、質(zhì)量檢測和加工環(huán)境的全要素追溯;從數(shù)據(jù)角度可分為兩類,包括靜態(tài)信息與動態(tài)數(shù)據(jù)(表1)。

    靜態(tài)數(shù)據(jù)蘊含以批次為單位的棉花基本信息、入庫檢驗、統(tǒng)計等數(shù)據(jù)信息,動態(tài)數(shù)據(jù)包含機采棉加工過程中各類設(shè)備如烘干塔、加濕器以及在線質(zhì)量檢測等數(shù)據(jù)。這些信息涵蓋加工過程中影響機采棉質(zhì)量的主要因素,能夠滿足本企業(yè)和下游紡織企業(yè)對皮棉質(zhì)量追溯在深度和廣度上的要求,確保棉花質(zhì)量信息的可追溯性。

    1.3 機采棉加工過程全要素標識基元模型構(gòu)建

    1.3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系

    國內(nèi)外存在多種標識解析體系,可以分為兩類演進方式。一類是基于DNS的改良路徑,如EPC、OID、NIOT等。另一類是與DNS無關(guān)的革新路徑,如Handle、UID等。相對于DNS服務(wù)方式的僵硬性,Handle體系服務(wù)更為靈活,支持用戶自定義與環(huán)境描述,因此更適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。機采棉編碼設(shè)計如圖2所示。本研究在為企業(yè)的標識對象進行Handle標識編碼生成規(guī)則制定前,首先向新疆標識解析二級節(jié)點平臺申請注冊唯一的企業(yè)標識前綴88.376.30029,標識前綴相關(guān)申請信息主要涉及企業(yè)機構(gòu)名稱、中文地址、企業(yè)/機構(gòu)所屬行業(yè)等信息。

    Handle編碼由“/”分隔符分成前綴和后綴兩部分。企業(yè)前綴由分隔符“.”將數(shù)字分為幾個部分與節(jié)點信息一一對應(yīng),后綴為命名機構(gòu)下的內(nèi)部唯一編碼。通過參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析編碼規(guī)范、和固定資產(chǎn)分類與代碼,并參考《棉花加工機械產(chǎn)品型號編制方法》《棉包信息管理技術(shù)規(guī)程》,先構(gòu)建起產(chǎn)品與設(shè)備的編碼構(gòu)成。棉花編碼部分應(yīng)符合棉包條碼編碼規(guī)則,線上查詢需要對接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系二級節(jié)點,保證用戶掃描二維碼時,實現(xiàn)頁面跳轉(zhuǎn)的功能,與線下可通過編碼讀取相關(guān)基本信息,如圖2所示,將DNS域名與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析編碼進行拼接,其中,標識前綴和棉花加工設(shè)備編碼或棉包標識28位后綴共同構(gòu)成Handle編碼格式。

    1.3.2 機采棉全要素對象標識載體

    圖3展示了以機采棉標識編碼為核心的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)?;跇俗R編碼將不同的表級結(jié)構(gòu)連接起來,分別保存靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)于不同的數(shù)據(jù)庫中,構(gòu)成一個動靜結(jié)合的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。其標識編碼需要特定的介質(zhì)作為載體,包括主動載體和被動載體兩類,機采棉加工工廠中的被動標識載體主要采用一維條碼、二維碼等載體,主動標識載體包括電路卡、芯片、模組、終端、RFID射頻識別等載體。主動標識具備聯(lián)網(wǎng)通信能力,能夠主動與標識解析服務(wù)節(jié)點或標識數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺建立連接,承載了必要的證書、算法或密鑰,對工廠關(guān)鍵設(shè)備加裝主動標識載體進行改造和優(yōu)化,能夠加強設(shè)備的自主化標識解析交互能力,實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的唯一標識和主動上報。

    1.3.3 機采棉全要素對象標識基元模型

    2 機采棉加工過程質(zhì)量信息追溯模型構(gòu)建

    2.1 機采棉全要素信息的層次編碼方法

    為實現(xiàn)以機采棉原料信息為核心的追溯方案,構(gòu)建棉花工廠的棉花質(zhì)量、人員問責、設(shè)備數(shù)據(jù)、加工工藝與加工環(huán)境全要素追溯,以編碼為基礎(chǔ),分析皮棉與籽棉的各模塊信息的組成關(guān)系,確定棉花編碼信息、加工節(jié)點活動信息和檢測節(jié)點信息。為方便編碼的信息存儲和檢索,以應(yīng)對目前棉花活動信息數(shù)據(jù)激增、數(shù)據(jù)來源復(fù)雜和數(shù)據(jù)類型多樣,提出一種改進的層次編碼法,構(gòu)建以標識編碼為核心的概念層次樹,由R個域構(gòu)成,并為每個節(jié)點賦予一個唯一的編碼,編碼形式為c0.c1…cR,由符號“.”區(qū)分,R是該節(jié)點的父節(jié)點的編碼,其中c0為根節(jié)點。為后續(xù)在圖中進行可視化,故采用實數(shù)表征,編碼值為1,cR為該節(jié)點在R層上的兄弟節(jié)點編碼信息,以確保編碼的唯一性和有效性。圖4為機采棉質(zhì)量追溯體系的概念層次樹,在數(shù)據(jù)庫中,使用標識解析技術(shù)將數(shù)據(jù)與特定的標識符關(guān)聯(lián)起來。為其附上編碼信息,編碼結(jié)果明確了各層的域的劃分,節(jié)點“1.1.2.4”表示集棉打包技術(shù),從編碼可以看出其位于第4層,其父節(jié)點是“1.1.2”。其中每個節(jié)點都代表存儲在數(shù)據(jù)庫中的一張表。

    在機采棉的數(shù)據(jù)追溯和數(shù)據(jù)治理過程中,為每批機采棉分配唯一的批次號或標識符,再將與該批次相關(guān)的數(shù)據(jù)(如生產(chǎn)日期、供應(yīng)商信息、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)等)存儲在數(shù)據(jù)庫中。通過標識解析技術(shù),根據(jù)特定的批次號或標識編碼快速檢索和查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)。由于實際狀態(tài)下影響某一棉花指標的影響因素眾多,涉及到幾個環(huán)節(jié)或者各個加工階段,故優(yōu)先采用廣度優(yōu)先搜索(BFS),遍歷每一路徑對應(yīng)統(tǒng)一層級的節(jié)點,對每一層節(jié)點信息表進行判斷是否存在不滿足該環(huán)節(jié)的范圍指標,并將有誤節(jié)點信息記錄至隊列集合中,直至循環(huán)結(jié)束。對于表級的信息追溯,需要對每個路徑節(jié)點中的關(guān)鍵影響質(zhì)量的因素進行判定,其具體算法邏輯如圖5所示。

    借助IDEA中的PsiParser組件快速解析Java語言程序代碼,將其轉(zhuǎn)換為基于文檔對象模型(DOM)結(jié)構(gòu)的抽象語法樹表示。在抽象語法樹中,每個代碼元素都明確對應(yīng)于樹上的一個節(jié)點。解析過程采用廣度優(yōu)先搜索策略,并借助相關(guān)的API獲取代碼元素,包含語句、操作、參數(shù)等,并捕獲它們之間的上下文語義關(guān)系,以及特定語句、操作、參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。此外,通過分析抽象語法樹上不同操作節(jié)點是否具有相同的輸入變量,明確重復(fù)對象集。

    2.2 基于標識物元的機采棉質(zhì)量追溯Petri網(wǎng)絡(luò)

    針對1.3.3節(jié)所述,在可拓學物元模型基礎(chǔ)上建立機采棉的Petri網(wǎng),在Petri網(wǎng)模型中,物元可以被表示為庫所(Places),每個庫所代表一個物元,例如不同類型的原材料、設(shè)備或環(huán)境因素。事元則可以表示為變遷(Transitions),代表不同的事件或行動,例如加工步驟或操作。Petri網(wǎng)的?。ˋrcs)用于表示物元和事元之間的關(guān)聯(lián)和影響。本文在調(diào)研采集溯源關(guān)鍵信息的基礎(chǔ)上建立Petri網(wǎng),將機采棉收購、分級分垛、加工處理、包裝標識到入庫銷售整個過程中可能造成機采棉質(zhì)量的因素進行梳理,并在網(wǎng)中標記各物元活動信息所在的環(huán)節(jié)、位置;在機采棉質(zhì)量追溯Petri網(wǎng)模型中,定義五元組描述機采棉加工中質(zhì)量影響因素的整個過程PN=(P,T,F(xiàn),L,W),來表示追溯機采棉質(zhì)量變化的整個過程。(1)庫所有限集合:[P={P1,P2,…,P15}]代表機采棉加工過程中質(zhì)量的影響因素,用圓圈表示。(2)變遷有限集合[:T={t1,t2,…,t12}]代表影響質(zhì)量安全事件發(fā)生的過程,反映其事件傳播后變化情況,用短矩形表示。(3)有向弧集合:F?(P×T)∪(T×P)代表連接庫所和變遷的有向弧,用單箭頭表示。(4)標記函數(shù)L:用于指定庫所P所對應(yīng)的令牌數(shù)量,表示變遷發(fā)生的次序。(5)F權(quán)函數(shù)W:表示令牌傳遞中的加權(quán)系數(shù),在本文規(guī)定為有向弧的條數(shù)。

    根據(jù)機采棉加工環(huán)節(jié)追溯信息總結(jié)影響其關(guān)鍵質(zhì)量間的因果關(guān)聯(lián),構(gòu)建的機采棉生產(chǎn)環(huán)節(jié)Petri網(wǎng)模型,如圖6所示。利用Petri網(wǎng)動態(tài)性的特征估測影響棉花質(zhì)量因素的路徑,提高影響質(zhì)量關(guān)鍵點查找效率。最終將生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的檢驗結(jié)果、環(huán)境等影響質(zhì)量安全的活動信息進行分解、量化處理。

    根據(jù)機采棉加工工藝所示建立每個庫所P對應(yīng)的物元以及變遷t所對應(yīng)的事元,抽取與皮棉產(chǎn)品加工質(zhì)量的相關(guān)影響因素,構(gòu)建其追溯路徑。當令牌Pi為1時,代表該物元對應(yīng)的信息對最終的含雜率有影響;P為0時,代表該物元信息對最終的加工質(zhì)量無明顯影響。變遷ti使能,物元P發(fā)生躍遷的條件為[{M(Pi)≥1,W(ti,Pj)gt;0}],依據(jù)棉花加工工藝特點,氣力輸送完全不僅起到輸送作用,而且貫穿于棉花加工過程,故在機采棉生產(chǎn)全流程中,標識向量[M0={M0(P1),M0(P2),…,M0(Pi)}],表示該位置物元存在影響并且到變遷存在有向弧,且上階段物元所產(chǎn)生的影響之后的各個加工環(huán)節(jié),故M(Pi)的計算如式(2)所示。

    3 基于標識解析的質(zhì)量追溯系統(tǒng)實現(xiàn)

    3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析的最終目的是萬物互聯(lián),為每一個物體賦予唯一“身份”,借助各種信息技術(shù),例如識別技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器設(shè)備將人、機、物、法、環(huán)、測互通互聯(lián)形成一個網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng),對感知到的信息進行管理和整合。本系統(tǒng)架構(gòu)包含物理層、網(wǎng)絡(luò)層和功能應(yīng)用層,其中物理層包含產(chǎn)品、設(shè)備層和感知層,網(wǎng)絡(luò)層分為控制和信息網(wǎng)絡(luò)部分,系統(tǒng)構(gòu)建采用“基礎(chǔ)設(shè)備層+平臺+應(yīng)用”的方式實現(xiàn),技術(shù)總體架構(gòu)如圖7所示。

    基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS為機采棉質(zhì)量追溯系統(tǒng)提供了必要的軟硬件基礎(chǔ),包括現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備,用于實時采集和預(yù)處理棉花工廠中的異構(gòu)多源數(shù)據(jù),以及進行機器信息的感知和控制指令的下發(fā)。這些數(shù)據(jù)來源包括主動和被動標識(如條碼、射頻識別、通信模組等)、生產(chǎn)線上的物料信息感知、設(shè)備狀態(tài)感知(例如濕度、溫度、壓力、風速、位置)、環(huán)境感知等。圖8為對各階段加工工藝階段進行全要素元數(shù)據(jù)建模示意。

    數(shù)據(jù)采集模塊負責從現(xiàn)場采集各類數(shù)據(jù),通過標準化的通信協(xié)議或自定義接口上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)節(jié)點數(shù)據(jù)庫。上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過標識解析模塊處理,提取其中的關(guān)鍵標識信息,如產(chǎn)品編碼、設(shè)備標識和時間戳等。上傳可以通過標準化的通信協(xié)議或自定義接口進行,其中對不同用戶進行權(quán)限設(shè)置能夠有效防止數(shù)據(jù)泄露,保證數(shù)據(jù)的安全。從而實現(xiàn)機采棉質(zhì)量的追溯,從籽棉信息的采集,到生產(chǎn)加工的每個環(huán)節(jié),以滿足質(zhì)量追溯在深度和廣度上的要求,提高可追溯性和生產(chǎn)效率。

    3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

    應(yīng)用層SaaS方面,在標識解析二級節(jié)點平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)了標識解析企業(yè)節(jié)點服務(wù)系統(tǒng),通過Vue.js+html+css的前端架構(gòu)編寫,創(chuàng)建一個具有View、ViewModel、模塊化等特點的前端應(yīng)用,用于提供用戶交互界面,以采集和匯聚關(guān)于棉花質(zhì)量的基本數(shù)據(jù)。采用Web端(BS)的前后端分離模式,使用戶可以通過Web界面輕松訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)中存儲的機采棉質(zhì)量追溯流程依照Petri網(wǎng)模型以所提層次編碼法的形式存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中,以支持追溯和分析整個棉花質(zhì)量生產(chǎn)鏈的數(shù)據(jù)。

    如圖9所示的可視化界面上,該系統(tǒng)實時監(jiān)測和展示了籽棉棉包編碼的注冊數(shù)量、解析數(shù)量以及不同主動標識傳感器的標識解析接入情況等,通過看板輪播的方式展示了工廠中標識編碼的使用時間、關(guān)聯(lián)狀態(tài)信息等,進一步提升棉花加工工廠的數(shù)字化水平。通過該系統(tǒng)為棉花加工工廠的全要素資源提供了編碼注冊、編碼解析、標識數(shù)據(jù)處理、標識數(shù)據(jù)建模、標識數(shù)據(jù)存儲、標識數(shù)據(jù)交換和異構(gòu)數(shù)據(jù)互操作等服務(wù),通過標識管理系統(tǒng),對機采棉加工工廠全要素資源的標識接入、標識識別、追溯定位等進行監(jiān)測和管理,提升了棉花加工工廠的透明化程度。其中工廠內(nèi)部追溯掃描查詢結(jié)果如圖10所示。

    根據(jù)機采棉的生產(chǎn)加工流程,籽棉棉包、智能傳感器、批次標識卡、皮棉棉包等設(shè)備內(nèi)部與產(chǎn)品包裝表面附著標識解析二維碼載體,隨著產(chǎn)品加工制造等過程進行流動,經(jīng)過每個環(huán)節(jié)時,通過掃描機采棉批次信息標識卡的方式,將產(chǎn)品過程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品身份精準關(guān)聯(lián),從而實現(xiàn)產(chǎn)品全要素數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸集,形成可信產(chǎn)品檔案。當后續(xù)環(huán)節(jié)需要追溯產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)時,只需掃描棉包標識解析碼,即可從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析服務(wù)器內(nèi)設(shè)置的基于層次編碼法的Petri網(wǎng)追溯模型節(jié)點,獲取相關(guān)物元編碼對應(yīng)的真實數(shù)據(jù)和有效信息,大幅提高了棉花加工過程中質(zhì)量追溯的可靠度和便捷性。

    3.3 系統(tǒng)測試與追溯方案對比

    由于籽棉加工環(huán)節(jié)具有季節(jié)性周期的特點,導(dǎo)致工廠需要在短時間內(nèi)處理加工大批量棉花,隨著平臺大量設(shè)備的接入,服務(wù)器系統(tǒng)須具備大量并發(fā)訪問的能力。為了評估數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在高并發(fā)時的穩(wěn)定性和性能表現(xiàn),采用Postman和Siege性能測試工具,通過設(shè)定數(shù)據(jù)請求的數(shù)目為200~2 800,間距設(shè)為200,在同一環(huán)境配置的情況下,分別采用輪詢調(diào)度算法、隨機策略算法、一致性Hash算法和主導(dǎo)資源平均分配算法對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行對比測試。由圖11可知,隨著并發(fā)數(shù)的增加輪詢調(diào)度算法的響應(yīng)時間越長,其中主導(dǎo)資源平均分配算法根據(jù)服務(wù)器性能和負載情況來分配請求,相對于其他3種算法,其在高并發(fā)的情況下也就能有穩(wěn)定的響應(yīng)時間。

    由圖12可知,最小連接數(shù)算法在高并發(fā)的情況下,連接數(shù)的變化導(dǎo)致吞吐率的波動;一致性Hash算法在高并發(fā)情況下提供相對穩(wěn)定的吞吐率,因為它根據(jù)哈希值路由請求,并沒有受到并發(fā)量增加的直接影響;而主導(dǎo)資源平均分配算法的核心是將利益最大化,使服務(wù)器資源分配均衡,在不同的負載條件下穩(wěn)定維持吞吐率。綜上所述,相比于其他算法,主導(dǎo)資源平均分配算法在本系統(tǒng)上更合適。根據(jù)Petri網(wǎng)所示追溯路徑,針對多過程的數(shù)據(jù)追溯,這里以從籽棉一道清理至皮棉軋花清理4個環(huán)節(jié)的追溯為例,隨機選擇一道籽棉清理的10個含雜數(shù)據(jù),對每個數(shù)據(jù)追溯至最終皮棉檢測的10個含雜數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)追溯5次,分別記錄Mysql、SQL Server、Elasticsearch與Hbase平均追溯時間,結(jié)果如圖13所示。以上數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)追溯都隨標識數(shù)量的增加而增加,對其4條曲線進行多項式擬合,其最高次冪的系數(shù)分別為1.05、0.9、0.6和0.5,說明Hbase的追溯速度分別為Mysql的2.1倍,SQL Server的1.8倍,Elasticsearch的1.2倍。

    表3將傳統(tǒng)溯源方案與所提出的基于標識解析的方案分別在動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)追溯效率、數(shù)據(jù)共享、查詢效率、存儲空間、數(shù)據(jù)安全等方面進行對比。傳統(tǒng)追溯方案由于其采用中心化的管理模式,數(shù)據(jù)共享能力弱、數(shù)據(jù)容易篡改、數(shù)據(jù)查詢效率低。所提出的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析的機采棉質(zhì)量追溯系統(tǒng),在二級節(jié)點的基礎(chǔ)上搭建企業(yè)節(jié)點,將企業(yè)內(nèi)部的動態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)分別用主、被動標識進行管理,用分布式數(shù)據(jù)庫進行儲存,使系統(tǒng)具備去中心化的特點,并保存Petri網(wǎng)業(yè)務(wù)追溯模型,關(guān)聯(lián)各數(shù)據(jù)庫中的物元標識數(shù)據(jù),使其快速檢索關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)。

    4 結(jié)論

    1) 分析機采棉加工流程和各加工環(huán)節(jié)的信息追溯項,詳細說明機采棉物元編碼的構(gòu)建方法和追溯查找流程,通過為工廠內(nèi)部棉花與設(shè)備等實體附上編碼信息,構(gòu)建以物元標識為核心的棉花質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯框架,打破棉花加工環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)斷裂。

    2) 構(gòu)建機采棉加工過程中質(zhì)量的影響因素的Petri網(wǎng)模型,定義其五元組表示質(zhì)量追溯變化的整個過程,利用Petri網(wǎng)的動態(tài)特性結(jié)合所提層次編碼法實現(xiàn)工廠內(nèi)部棉花批次信息的可追溯性。

    3) 通過系統(tǒng)性能測試和追溯標識對比,結(jié)果表明,主導(dǎo)資源公平分配算法在本系統(tǒng)上能夠為所提追溯方法提供良好的數(shù)據(jù)解析穩(wěn)定性,同時Hbase具有良好的追溯速度,分別是Mysql、SQL Server與Elasticsearch的2.1、1.8和1.2倍,能夠?qū)崿F(xiàn)棉花加工過程中數(shù)據(jù)的高效追溯與監(jiān)測。

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