劉明周　馬　靖　王　強(qiáng)　楊　清

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源配置及信息集成技術(shù)研究

劉明周馬靖王強(qiáng)楊清

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

針對(duì)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于促進(jìn)制造系統(tǒng)發(fā)展所具有的重要現(xiàn)實(shí)意義，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品制造系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造資源為研究對(duì)象，以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源配置模型為核心目標(biāo)開展研究。 結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品制造過程及制造資源特點(diǎn)，在分析物聯(lián)網(wǎng)制造系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，提出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源分類方法；據(jù)此，采用面向?qū)ο蟮馁Y源建模、任務(wù)資源匹配等映射機(jī)制，構(gòu)建物聯(lián)制造資源本體模型、映射模型和組態(tài)模型，并建立制造資源感知和信息集成框架，實(shí)現(xiàn)制造資源的互聯(lián)感知與信息集成。研究結(jié)果為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源配置提供了一種有效的參考模式和實(shí)現(xiàn)途徑。以生產(chǎn)實(shí)踐中開發(fā)的原型系統(tǒng)為例，驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

資源配置；物聯(lián)網(wǎng)；資源感知；信息集成

0　引言

在日益增強(qiáng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)杠桿的作用下，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境，機(jī)械產(chǎn)品制造系統(tǒng)的智能高效與制造過程的透明化已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)制造思想在企業(yè)中不斷滲透，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被部分應(yīng)用于制造過程監(jiān)測(cè)與控制中，企業(yè)的制造過程已由傳統(tǒng)的“黑箱”模式逐漸向“多維度、透明化和泛在感知”模式發(fā)展。例如，文獻(xiàn)[1]提出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)、文獻(xiàn)[2]提出的基于RFID的實(shí)時(shí)制造信息追溯技術(shù)、文獻(xiàn)[3]提出的基于射頻識(shí)別的車間物料實(shí)時(shí)管理等，這種以信息感知技術(shù)為驅(qū)動(dòng)力的制造系統(tǒng)——物聯(lián)制造系統(tǒng)，將有力地推動(dòng)著制造系統(tǒng)向全球化、信息化、智能化和綠色化方向發(fā)展[1]。

制造資源是生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),制造系統(tǒng)的運(yùn)行與動(dòng)態(tài)優(yōu)化受到資源的約束，建立物聯(lián)制造資源模型不僅是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造系統(tǒng)過程分析與動(dòng)態(tài)優(yōu)化的基礎(chǔ)，而且在物聯(lián)網(wǎng)制造模式下,企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)形成了一個(gè)大范圍資源共享的物聯(lián)制造系統(tǒng),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造系統(tǒng)已不再局限于自身資源的互聯(lián)、共享與集成，研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源建模、組態(tài)及其信息集成,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)制造資源的共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),利用物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展,已經(jīng)成為制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。很多文獻(xiàn)針對(duì)不同的制造環(huán)境、制造系統(tǒng)和建模目的，使用不同的方法建立了不同的制造資源模型和信息集成方法。文獻(xiàn)[4-6]分別建立了云制造環(huán)境和不確定環(huán)境下的資源分配模型；文獻(xiàn)[7]針對(duì)不同的生產(chǎn)系統(tǒng)建立了制造資源模型；文獻(xiàn)[8-9]分別使用基于元模型、本體(Ontology)和特征的方法建立了制造資源模型；文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了云制造資源集成共享模型。

不同制造環(huán)境下的資源分類和配置方法不同。裝配是機(jī)械產(chǎn)品制造過程中的最后一個(gè)生產(chǎn)階段，具有工藝過程復(fù)雜、資源種類繁多等特點(diǎn)。本文結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品裝配工藝和最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以機(jī)械產(chǎn)品裝配過程中的制造資源為研究對(duì)象，以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源配置模型為核心目標(biāo)，在分析物聯(lián)制造特征和提出物聯(lián)制造資源分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的資源本體模型、映射模型和組態(tài)模型，并提出制造資源感知和信息集成框架，最后通過實(shí)例分析驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

1　物聯(lián)制造的特征及資源分類

1.1物聯(lián)制造的特征

文獻(xiàn)指出物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是通過傳感器、RFID、圖像識(shí)別等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接，達(dá)到對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別與管理，具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化等重要特征[1,11]。本文在結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品制造系統(tǒng)特點(diǎn)和最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為物聯(lián)制造具有以下特征：

(1)多源異構(gòu)性。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源種類較多、交互協(xié)議等各異。

(2)物物互聯(lián)性?！拔锫?lián)網(wǎng)關(guān)”與“中間件”等能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)物理世界和信息世界的互聯(lián)和整合[12]。

(3)實(shí)時(shí)感知性。物聯(lián)制造資源具有主動(dòng)感知能力，能夠?qū)崟r(shí)反映生產(chǎn)過程中的資源狀態(tài)變化。

(4)動(dòng)態(tài)性。制造資源的快速流動(dòng)和生產(chǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化等特征，使制造系統(tǒng)整體呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性。

(5)共享與協(xié)作性。物聯(lián)制造資源能夠被物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的其他自治單元所共享。

(6)其他特征。物聯(lián)制造系統(tǒng)還具有普適制造服務(wù)智能化與鏈條化、自組織與自維護(hù)等特性。

1.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源分類及特征

文獻(xiàn)[13]指出，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)軟硬物理制造資源的全面互聯(lián)、感知與反饋控制，解除物理制造資源與制造應(yīng)用服務(wù)之間的緊密耦合關(guān)系，必須將物理制造資源虛擬化和邏輯化，并轉(zhuǎn)化為信息制造資源。因此，文獻(xiàn)[13]在結(jié)合傳統(tǒng)資源分類的基礎(chǔ)上，將制造資源分為物理制造資源Pmr(physical manufacturing resources)和信息制造資源Imr(information manufacturing resource)。其中，信息制造資源是對(duì)物理制造資源的邏輯映射和虛擬化。物理制造資源分為軟制造資源和硬制造資源，軟制造資源包括知識(shí)資源、軟件資源、人力資源等，硬制造資源包括物料資源、設(shè)備資源、硬件資源等[4,13]，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)給出了詳細(xì)的描述，在這里不再贅述。

制造資源具備互聯(lián)感知與交互能力是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造系統(tǒng)的重要特征。為了體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造資源的特點(diǎn)，在結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中資源分類方法的基礎(chǔ)上，從機(jī)械產(chǎn)品裝配過程角度出發(fā)，依據(jù)車間物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造資源的存在形式和使用途徑，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將軟硬制造資源按照車間物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造系統(tǒng)的功能特性進(jìn)行分離，并組合成信息單元、控制單元、標(biāo)識(shí)單元、執(zhí)行單元、管控處理器、柔性智能裝配單元、管控中心等智能制造資源和其他輔助資源(如物料資源、知識(shí)資源、人力資源等)，智能制造資源[1]具有任何單一物理資源不具備的制造能力集，信息制造資源是對(duì)智能制造資源的邏輯映射，相關(guān)定義如下：

定義1柔性智能裝配單元Fiu(flexible and intelligent assembly unit)，能夠主動(dòng)感知裝配環(huán)境信息和執(zhí)行多種柔性裝配功能，并且具有獨(dú)立的監(jiān)控和通訊功能的裝配單元稱為柔性智能裝配單元。它是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的機(jī)械產(chǎn)品裝配系統(tǒng)的主要組成部分,主要由信息單元、控制單元、標(biāo)識(shí)單元、執(zhí)行單元、管控處理器、知識(shí)規(guī)則庫組成。

定義2管控單元Ui={Iui, Cui, Idui, Eui}，是柔性智能裝配單元中能完成相同基本系列功能且能夠獨(dú)立運(yùn)作的自治單元，屬于柔性智能裝配單元基本組件，主要包括信息單元、控制單元、標(biāo)識(shí)單元與執(zhí)行單元[14]。

(1)信息單元Iu(Information Unit)，負(fù)責(zé)感知制造資源和傳遞感知信息，并觸發(fā)相應(yīng)的生產(chǎn)管控事件，諸如掃描槍、RFID、各類狀態(tài)和數(shù)值傳感器等。

(2)控制單元Cu(Control Unit)，負(fù)責(zé)響應(yīng)信息單元所傳遞的控制信號(hào)閥值，并執(zhí)行生產(chǎn)管控事件。諸如電磁閥等具有實(shí)際觸發(fā)功能的硬件功能團(tuán)或監(jiān)控線程等具有邏輯觸發(fā)功能的線程組或程序段。

(3)標(biāo)識(shí)單元Idu(Identifying Unit)，負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)裝配對(duì)象與裝配物料等，諸如一維碼、二維碼、RFID電子標(biāo)簽、狀態(tài)指示燈等實(shí)際標(biāo)識(shí)功能團(tuán)。

(4)執(zhí)行單元Eu(Execution Unit)，負(fù)責(zé)響應(yīng)管控指令和執(zhí)行邏輯動(dòng)作，諸如測(cè)量機(jī)、機(jī)器人手臂、物料配送單元等具有實(shí)際執(zhí)行功能的硬件組或邏輯控制功能的系統(tǒng)。

定義3管控處理器Cmp(Control and Management Processor)是柔性智能裝配單元正常運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)期裝配功能的核心組件。負(fù)責(zé)分解上層管控策略、接收和解析智能管控單元反饋信號(hào)，輸出管控優(yōu)化指令。管控處理器由物理分散邏輯統(tǒng)一的事務(wù)處理單元組成，諸如可編程處理器PLC、服務(wù)器、工控機(jī)等具有自主傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與邏輯判斷能力的設(shè)備群。

定義4管控中心Cmic(Control and Management Integration Center)，是裝配系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)期裝配目標(biāo)的核心部件，主要負(fù)責(zé)提供資源配置、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)應(yīng)用等服務(wù)，并驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控柔性智能裝配單元完成裝配目標(biāo)(信息裝配目標(biāo)和實(shí)體裝配目標(biāo))。

本研究結(jié)合物聯(lián)制造資源的分類與時(shí)間特性，將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源對(duì)象特征分為靜態(tài)特征Sf(Static Feature)、組合特征Cf(Combined Feature)和運(yùn)行特征Df(Dynamic Feature)，分別用于表征資源的靜態(tài)特性、資源之間的耦合特性與資源的動(dòng)態(tài)特性。

2　資源模型

依據(jù)上述對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源分類方法，本文從機(jī)械產(chǎn)品裝配過程角度出發(fā)，采用面向?qū)ο蠛突诒倔w相結(jié)合的資源建模方法，從資源本體、資源功能和資源之間的聯(lián)系入手，分析多粒度、多層次資源的特點(diǎn)與功能，歸納物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造資源的特性，建立統(tǒng)一、規(guī)范的資源本體模型(resource-ontology model,R-O)和資源映射模型(resource mapping model,R-M)。

2.1資源本體模型(R-O)

本體作為知識(shí)的良好載體，有很好的概念層次結(jié)構(gòu)以及對(duì)邏輯推理的有效支持，它實(shí)現(xiàn)了各個(gè)層次資源領(lǐng)域本體之間的獨(dú)立性，具有良好的可擴(kuò)展性和互操作性，能夠?yàn)楹侠磉x擇、配置設(shè)備、人員、知識(shí)等資源提供依據(jù)[15]。在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源分類方法的基礎(chǔ)上，從智能制造資源基本功能角度出發(fā)，結(jié)合資源本體和元資源建模方法[8,15-16]對(duì)多粒度資源領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行描述和建模，并使用形式化的方法進(jìn)行表達(dá)。

定義5元資源Sui，屬于制造資源基本粒度，是不可再分的單元資源。元資源的描述方法為DeSui∷={Ob-Type,Obj-Name,Obj-Id,Obj-Adress,Obj-Pa,Obj-Pro,Obj-Provaule,Obj-Sta,Obj-Rela,Obj-Res,Obj-Other}, 其中，Obj-Type為元資源所屬類別，Obj-Name為元資源名稱，Obj-Id為元資源標(biāo)識(shí),Obj-Adress為元資源操控地址,Obj-Pa為父節(jié)點(diǎn)資源及屬性集,Obj-Pro為屬性集,Obj-Provaule為屬性值集,Obj-Sta為元資源狀態(tài),Obj-Re為元資源關(guān)系集,Obj-Res為元資源約束集,Obj-Other為其他特征，元資源Sui表對(duì)資源的靜態(tài)特征Sf進(jìn)行了形式化表征。

定義6組合資源，具有可再分性，是多個(gè)元資源或其他資源的組合體，用ComSui表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為ComSui∷=∪{Su1,Su2,…,Sun,ComSu1,ComSu2,…,ComSuj}(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。組合資源是元資源在一定的約束條件下耦合而成的，描述方法為DeComSui∷={Com-name,Com-Id,Com-Adress,Com-Type,Com-Pa,Com-Sta,∑DeSui,Com-Re}，其中Com-Name為組合資源名稱，Com-Id為組合資源標(biāo)識(shí)，Com-Adress為組合資源操控地址，Com-Type為組合資源所屬類別，Com-Pa為父節(jié)點(diǎn)資源，Com-Sta為組合資源狀態(tài)，∑DeSui為元資源集合，Com-Re表示元資源之間的關(guān)系集合。組合資源的狀態(tài)Com-Sta∷={Com-Failure,Com-Leisure,Com-Halfload,Com-Foad,Com-Overload}。其中，Com-Failure為故障狀態(tài)，Com-Leisure為空閑狀態(tài)，Com-Halfload為未滿負(fù)荷，Com-Foad為滿負(fù)荷，Com-Overload為超負(fù)荷。組合資源ComSui對(duì)資源的組合特征Cf進(jìn)行了形式化表征。

2.2制造資源映射模型(R-M)

依據(jù)物聯(lián)制造資源的分類方法，面向機(jī)械產(chǎn)品物聯(lián)裝配過程的Pmr主要包括Ui、Cmpi、Fiui、Cmici和其他輔助資源等，是滿足某種特定裝配工藝的物理制造資源集合。而Imr主要包括客戶需求Cri、制造任務(wù)信息集和生產(chǎn)信息集等，是機(jī)械產(chǎn)品裝配任務(wù)的抽象描述和實(shí)體裝配目標(biāo)的虛擬映射。

本文在結(jié)合物聯(lián)制造特征和制造系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從Imr-Pmr、Pmr-Pmr、Pmr-Imr、Imr-Imr4種映射模式入手，基于制造任務(wù)資源匹配與閉環(huán)反饋等映射機(jī)制，將映射模型從上到下依次分為企業(yè)資源計(jì)劃層、管控中心層、柔性智能裝配層和生產(chǎn)信息層，映射模型如圖1所示。其中，企業(yè)資源計(jì)劃層旨在完成基于客戶需求的制造任務(wù)的分解、制造任務(wù)的管理和生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤等，實(shí)現(xiàn)Imr-Imr映射。

圖1　制造資源映射模型

Cmic在資源模型配置的基礎(chǔ)上，以制造任務(wù)Imr(i)為驅(qū)動(dòng)因子，通過模型解析、對(duì)象結(jié)構(gòu)化派生和過程數(shù)據(jù)加載實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的分解，生成與Fiui相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)任務(wù)資源匹配因子Rui={PlanCode，ProType，ProtNo，ProBom，ProRoutes，SDetail,…,MDeliv，CellOrder}，驅(qū)動(dòng)柔性智能裝配單元Fiui完成裝配目標(biāo)(實(shí)體裝配目標(biāo)和信息裝配目標(biāo))，同時(shí)對(duì)Fiui反饋的異常信息進(jìn)行策略運(yùn)算與指令修正等，最終實(shí)現(xiàn)Imr-Pmr映射。

組合資源Fiui∷=∪{Cui,Idui,…,Iui,Eui,…,Cmpj}。其中，F(xiàn)iui通過解析生產(chǎn)任務(wù)資源匹配因子Rui獲得柔性智能裝配單元生產(chǎn)指令和單元知識(shí)庫等；信息單元Iui通過信息感知線程實(shí)時(shí)采集標(biāo)識(shí)單元Idui中的資源狀態(tài)和裝配數(shù)據(jù)鏈，并通過管控處理器Cmpi將差異數(shù)據(jù)傳輸至控制單元Cui；當(dāng)差異值達(dá)到控制單元Cui某個(gè)控制指標(biāo)的閥值時(shí)，控制單元Cui改變自身狀態(tài)標(biāo)識(shí)量并向管控處理器Cmpi發(fā)送策略觸發(fā)信號(hào)；管控處理器Cmpi在接收到控制單元Cui傳輸?shù)牟呗杂|發(fā)信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行判斷辨識(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)層次與相關(guān)方面的關(guān)聯(lián)管控策略模塊進(jìn)行策略分析，并生成裝配指令，最終通過調(diào)用執(zhí)行單元Eui完成物理和信息裝配目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)Pmr-Pmr、Pmr-Imr映射；裝配過程數(shù)據(jù)通過生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)傳輸通道反饋至企業(yè)資源計(jì)劃層，實(shí)現(xiàn)Imr-Imr映射, 最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)映射。

綜上所述，生產(chǎn)任務(wù)資源匹配因子Rui與柔性智能裝配單元Fiui的運(yùn)行過程體現(xiàn)了資源的運(yùn)行特征Df。

2.3資源組態(tài)與模型解析

本文將生成與Fiui相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)任務(wù)資源匹配因子Rui的過程稱為資源組態(tài)與模型解析，如圖2所示。

(1)資源組態(tài)。首先，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源分類方法、資源本體R-O與映射模型R-M的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)組態(tài)因子，采用面向?qū)ο蟮慕M態(tài)思想，以生產(chǎn)過程基本資源(包括元資源Sui和組合資源ComSui)對(duì)象構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)柔性組態(tài)基元，主要包括產(chǎn)品信息類(如產(chǎn)品BOM)、智能管控單元Ui(Iui,Cui,Idui,Eui)與管控處理器Cmpi、生產(chǎn)事件類(如質(zhì)量參數(shù)校驗(yàn)、裝配完整性校驗(yàn)、Fiui故障等)、響應(yīng)事件類(主要包括觸發(fā)條件和響應(yīng)事件，如設(shè)備報(bào)警、質(zhì)量報(bào)警等)；其次，依據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性組態(tài)基元與組態(tài)因子，構(gòu)建以柔性智能裝配單元Fiui為元載體的生產(chǎn)系統(tǒng)基本粒度， 其中元載體Fiui={Person-Parment,Equipment,UCmp-Configure,Event-Configure,Respon-Configure,Others}；最后，在對(duì)柔性智能裝配單元Fiui與組態(tài)因子進(jìn)行抽象和封裝的基礎(chǔ)上，采用耦合映射機(jī)理構(gòu)建以工藝路線為組合載體的資源組態(tài)模型，模型中耦合了Fiui、工序、物料、質(zhì)量規(guī)范等參數(shù)，最終能夠?yàn)橹噶罘纸饽K提供結(jié)構(gòu)化派生和處理對(duì)象。

(2)模型解析。指令分解模塊以計(jì)劃、物料配送等為驅(qū)動(dòng)因子，通過調(diào)用制造資源標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象結(jié)構(gòu)和加載動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，最終完成基于指令驅(qū)動(dòng)的資源組態(tài)模型實(shí)例化分解，并生成與Fiui相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)任務(wù)資源匹配因子Rui并驅(qū)動(dòng)柔性智能裝配單元完成裝配目標(biāo)，對(duì)象結(jié)構(gòu)更新事件能夠?qū)Y源組態(tài)模型進(jìn)行定期更新。

3　信息集成

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了制造系統(tǒng)對(duì)資源的互聯(lián)、識(shí)別、感知以及信息傳輸、集成和共享等[13]。生產(chǎn)系統(tǒng)通過RFID、傳感器、條碼識(shí)別、以太網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵使能技術(shù)將生產(chǎn)資源接入物聯(lián)網(wǎng)制造環(huán)境。其中，將配備感知元件的生產(chǎn)資源稱為感知資源，感知資源(人、設(shè)備、裝配對(duì)象、物料等)根據(jù)所配備感知元的能力不同分為主動(dòng)感知源(配備量值和狀態(tài)傳感器、條碼識(shí)別和無線射頻識(shí)等信息單元的資源)和被動(dòng)感知源(配備電子標(biāo)簽與條碼等標(biāo)識(shí)單元的人員、裝配對(duì)象、裝配物料和承載托盤等)。資源感知及信息集成模型如圖3所示，主要包括物理感知層、感知中間件層和信息集成與共享層。

圖3　制造資源的感知與信息集成模型

(1)物理感知層。在資源模型和組態(tài)模型的支撐下，系統(tǒng)物理感知層以管控處理器Cmpi為核心組件，通過調(diào)用信息單元Iui完成狀態(tài)、數(shù)值等數(shù)據(jù)感知。其中，面向機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息單元主要包括掃描儀、RFID和傳感器等。其中，RFID、掃描儀等能夠激活I(lǐng)dui(電子標(biāo)簽、條碼)并采集Idui中的資源信息；傳感器通過功能敏感元件、信息轉(zhuǎn)換元件和發(fā)送原件等對(duì)產(chǎn)品裝配過程中的各種資源的狀態(tài)、參數(shù)值進(jìn)行感知、轉(zhuǎn)換和輸出(位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和光電傳感器等)，并能夠按一定規(guī)律將感知信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量、模擬量或其他所需形式的數(shù)據(jù)輸出。如果采用面向?qū)ο蟮那度胧介_發(fā)思想，將嵌入式技術(shù)與信息單元相結(jié)合，不僅可以擴(kuò)展信息單元的功能，而且能夠提高信息單元的智能程度與處理能力，實(shí)現(xiàn)制造資源的物物互聯(lián)與感知。

(2)感知中間件層。在組態(tài)操控地址與信息映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建感知事件和操控地址關(guān)系映射模型，并基于操控地址與信息映射組件(kepserverex、siemens、mitsubishi等opc組件)將物理感知數(shù)據(jù)接入object主感知組件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)接入數(shù)據(jù)的特征分析、數(shù)據(jù)路由與分類等。其中，數(shù)據(jù)融合功能塊能夠根據(jù)數(shù)據(jù)類型智能選擇融合模型，并進(jìn)行融合處理和輸出增值信息。

(3)信息集成與共享層。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與感知后,通過傳感網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等將增值信息傳遞、存儲(chǔ)到車間管控中心服務(wù)器與企業(yè)信息服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)資源感知信息的標(biāo)準(zhǔn)接入和信息集成， 資源信息訪問Client通過xml可擴(kuò)展標(biāo)記語言、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交互協(xié)議和ONS交互協(xié)議分別實(shí)現(xiàn)與車間管控中心服務(wù)器和企業(yè)信息服務(wù)器的信息共享。

4　實(shí)例驗(yàn)證

基于上述設(shè)計(jì)思想，本文以某高校物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室(圖4)為背景，采用基于.NET構(gòu)架開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的機(jī)械產(chǎn)品資源配置和集成平臺(tái)原型，驗(yàn)證了本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源配置和集成方法的有效性和可實(shí)現(xiàn)性。目前，該方法已初步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)的車橋、主減速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等裝配線，并在智能制造領(lǐng)域與國(guó)內(nèi)外高校進(jìn)行了交流與合作。

圖4　物聯(lián)制造資源組態(tài)及信息集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括元資源Sui和組合資源ComSui，其中Iui(如掃描槍、身份授權(quán)設(shè)備、傳感器與RFID等)、Idui(如電子標(biāo)簽、條形碼與指示燈等)、Eui(機(jī)器人、堆垛機(jī)和動(dòng)力頭等)、Cui(如電磁閥與監(jiān)控線程等)、Cmpi(PLC、MU主控制器與工控機(jī)等)與感知物料(如配備一維碼的節(jié)氣門體、二維碼的凸輪軸等)等為元資源；Fiui(實(shí)驗(yàn)工位)、Cmici(實(shí)驗(yàn)室控制中心)與感知產(chǎn)品(如配備電子標(biāo)簽的缸蓋裝配體等)等為組合資源。

xml、owl語言等對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范化描述，能夠屏蔽資源的異構(gòu)性，規(guī)范制造資源描述，同時(shí)便于模型網(wǎng)絡(luò)傳輸[17]。由于篇幅限制，本文根據(jù)資源本體模型及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源配備，構(gòu)建了基于xml資源數(shù)據(jù)模型片段，對(duì)組合資源ComSui(PLC與Fiui)進(jìn)行語義化描述，模型數(shù)據(jù)片段如下：

管控處理器

OP06裝配單元設(shè)備PLC

6ES7 315-2EH14-0AB0

192.168.1.11

Fiu

OP105裝配單元

OP105

<∑DeSui>

<∑DeSu1>RFID、掃描槍

<∑DeSu2>數(shù)模量傳感器

<∑DeSu3>電子標(biāo)簽、條形碼和指示燈

<∑DeSu4>擰緊機(jī)動(dòng)力頭

<∑DeSu5>擰緊參數(shù)合格校驗(yàn)線程

Fiu

OP105裝配單元

OP105

Cimc

管控中心

質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)

軸1扭矩檢測(cè)上下限

軸1轉(zhuǎn)角檢測(cè)上下限

缸蓋螺栓擰緊

[14.2,15.3]NM [89.2,91.3] 度

<∑DeSui>

<∑DeSu1>設(shè)備PLC

<∑DeSu2>RFID、掃描槍

<∑DeSu3>數(shù)字量傳感器

<∑DeSu4>電子標(biāo)簽、條形碼和指示燈

<∑DeSu5>擰緊機(jī)動(dòng)力頭

在結(jié)合資源本體模型實(shí)例化和語義描述的基礎(chǔ)上，開發(fā)了物物互聯(lián)感知與信息集成平臺(tái)。本文以缸蓋凸輪軸螺栓擰緊工位為例，對(duì)資源的感知互聯(lián)與信息集成流程進(jìn)行描述，主要實(shí)現(xiàn)流程為：裝配資源標(biāo)識(shí)→資源組態(tài)與互聯(lián)→資源操控地址映射→事件映射→資源編碼→數(shù)據(jù)感知與集成。

(1)裝配資源標(biāo)識(shí)。在托盤上配備RFID電子標(biāo)簽，用于標(biāo)識(shí)缸蓋和存儲(chǔ)缸蓋裝配過程質(zhì)量數(shù)據(jù)鏈；在凸輪軸上配備條形碼，用于標(biāo)識(shí)物料并與缸蓋進(jìn)行BOM匹配性校驗(yàn)；在動(dòng)力頭上配備扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器，用于采集螺栓擰緊所產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)角質(zhì)量參數(shù)。

(2)資源組態(tài)與互聯(lián)。使用DP總線、以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議將PLC、RFID網(wǎng)關(guān)、傳感器接入模塊等進(jìn)行互聯(lián)，形成工位互操作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

(3)資源操控地址映射。使用映射組件kepserverex對(duì)PLC與控制器中所有資源所對(duì)應(yīng)的物理地址進(jìn)行映射。如缸蓋標(biāo)識(shí)碼在PLC中的物理存儲(chǔ)地址為db116, array[1,20]，在映射組件中的地址為s7.zone1.op166.bornbarcode。

(4)事件映射。在平臺(tái)中配置所有映射地址與生產(chǎn)事件之間的映射關(guān)系(如s7.zone1.op116.t2_equip_breakdown與op116裝配單元設(shè)備報(bào)警信息關(guān)聯(lián))。

(5)資源編碼。用于從物品組合碼中解析出系統(tǒng)運(yùn)行所需要的編碼信息(如供應(yīng)商編碼、物料型號(hào)與生產(chǎn)流水號(hào)等)。

(6)數(shù)據(jù)感知與集成。平臺(tái)加載資源映射地址，并與映射組件kepserverex建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路；PLC調(diào)用RFID、掃描槍和傳感器分別獲取缸蓋、凸輪軸與擰緊數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)到相應(yīng)的物理地址; 感知中間件通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路獲取物理感知數(shù)據(jù)及其映射地址；在結(jié)合資源編碼庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)映射地址建立生產(chǎn)事件與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將物理感知數(shù)據(jù)進(jìn)行映射、解析、分類與轉(zhuǎn)換，并輸出系統(tǒng)運(yùn)行所需生產(chǎn)信息。

5　結(jié)語

本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源配置進(jìn)行了前期探索與研究，構(gòu)建了基于本體與面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)的資源配置方法，建立了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源感知與信息集成框架，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，從而為企業(yè)和其他研究人員提供了參考依據(jù)。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造資源優(yōu)化配置等技術(shù)尚處于起步階段，相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用還有待深入探索和實(shí)踐，該方向?qū)⑹窍乱徊降难芯恐攸c(diǎn)。

[1]張映鋒, 趙曦濱,張樹棟，等. 一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法與關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2012, 18(12): 2634-2642.

Zhang Yingfeng, Zhao Xibin,Zhang Shudong,et al. Network Manufacturing and Enterprise Integration[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2012, 18 (12): 2634-2642.

[2]Zhang Y, Jiang P, Huang G, et al. RFID-enabled Real-time Manufacturing Information Tracking Infrastructure for Extended Enterprise[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2012, 23(6): 2357-2366.

[3]Qu T, Yang H D, Huang G Q, et al. A Case of Implementing RFID-based Real-time Shop-floor Material Management for Household Electrical Appliance Manufacturers[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2012, 23(6): 2343-2356.

[4]王時(shí)龍,宋文艷,康玲,等.云制造環(huán)境下的制造資源優(yōu)化配置研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2012, 18(7): 1396-1405.

Wang Shilong, Song Wenyan, Kang Ling, et al. Research of Manufacturing Resource Allocation Based on Cloud Manufacturing[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2012, 18(007): 1396-1405.

[5]Bessai K, Youcef S, Oulamara A, et al. Resources Allocation and Scheduling Approaches for Business Process Applications in Cloud Contexts[C]//2012 IEEE 4th International Conference on Cloud Computing Technology and Science (Cloud Com). Singapore, 2012: 496-503.

[6]呂民,孫雪冬,王剛.支持不確定環(huán)境下制造過程優(yōu)化的資源建模[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2010, 16(12): 2611-2616.

Lu Min, Sun Xueong, Wang Gang. Resource Modeling to Support Manufacturing Process Optimization under Uncertain Environment[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2010, 16(12): 2611-2616.

[7]張映鋒, 江平宇.e-制造系統(tǒng)的制造資源動(dòng)態(tài)配置過程研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2006, 12(1): 78-83.

Zhang Yingfeng, Jiang Pingu. Research on Dynamic Reconfiguration of Manufacturing Resources for E-Manufacturing System[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2010, 16(12): 2611-2616.

[8]韋韞, 李東波, 童一飛. 面向服務(wù)的基于元模型的統(tǒng)一制造資源建模研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012, 23(15): 1818-1824.

Wei Yun, Li Dongbo, Tong Yifei. Service-oriented Unified Manufacturing Resource Modeling Based on Meta-model[J].China Mechanical Engineering, 2012, 23(15): 1818-1824.

[9]鄭立斌, 顧寄南, 代亞榮.基于本體的制造資源建模[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2009, 25(5): 61-63.

Zhang Libing, Gu Jinan, Dai Yarong. Modeling of Manufacturing Resources Based on Ontology[J].Machine Design & Research, 2009, 25(5): 61-63.

[10]王正成, 黃洋. 面向服務(wù)鏈構(gòu)建的云制造資源集成共享技術(shù)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012, 23(11): 1324-1331.

Wang Zhengcheng, Huang Yang. Research on Integration Sharing Technology of Cloud Manufacturing Resource Oriented to Service Chain Construction[J].China Mechanical Engineering, 2012, 23(11): 1324-1331.

[11]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[12]Chen K Y. Cell Controller Design for RFID Based Flexible Manufacturing Systems[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2012, 25(1): 35-50.

[13]任磊, 張霖, 張雅彬,等. 云制造資源虛擬化研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2011, 17(3): 511-518.

Ren Lei, Zhang Lin, Zhang Yabing, et al. Resource Virtualization in Cloud Manufacturing[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2011, 17(3): 511-518.

[14]劉明周,王榜.管控一體柔性裝配線管控策略實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,11(5):1003-5060.

Liu Mingzhou, Wang Bang. Research on Experimental Platform for Strategy of Integrated Management and Control of Flexible Assembly Line[J].Journal of Hefei University of Technology (Natural Science), 2004, 15(15):1333-1346.

[15]孫衛(wèi)紅,馮毅雄.基于本體的制造能力P-P-R建模及其映射[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 42(3):214-218.

Sun Weihong, Fei Yixiong. Manufacturing Capability of P-P-R Modeling and Mapping Based on Ontology[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &. Astronautics, 2010, 42(3):214-218.

[16]王成恩, 郝永平, 舒啟林. 產(chǎn)品生命周期建模與管理[M].科學(xué)出版社, 2004.

[17]鄭浩, 馮毅雄, 譚建榮,等. 一類制造資源的協(xié)同建模, 優(yōu)化與求解技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2012, 18(7): 1387-1395.

Zheng Hao, Feng Yixiong, Tan Jianrong, et al. Collaborative Modeling Optimization and Solving Technology for One Manufacturing Resource[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2012, 18(7): 1387-1395.

(編輯郭偉)

Research on Manufacturing Resources Allocation and Information Integrated Technology Based on IoT

Liu MingzhouMa JingWang QiangYang Qing

Hefei University of Technology,Hefei,230009

Research on IoT technology has a significant effect on the development of the manufacturing system. In order to build a manufacturing resource allocation model under the IoT-enabled manufacturing environments, this paper studied the application methods of IoT technology in the mechanical product assembly system, and took the IoT-enabled manufacturing resources as the research object. Then, based on analyzing the manufacturing processes and resource features for mechanical products, and combining the characteristics of the IoT-enabled manufacturing system, a resource classification method of the IoT-enabled manufacturing system was proposed. Accordingly, several mapping mechanism was used for building resource ontology model, mapping model and configuration model under the IoT-enabled manufacturing environments, such as object-oriented resource modeling, resource and task matching mechanism. For realizing the resource sensing and information integration, a framework was put forward to cope with this objective. Finally, a prototype system was developed to verify the feasibility and effectiveness of this method. It is hopeful that the insights and lessons gained from the proposed methods will provide an important reference value for configuring IoT-enabled manufacturing resources.

resources allocation; internet of things(IoT); resource sensing; information integration

2013-12-24

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013406)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375134)

TH186DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.010

劉明周，男，1968年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橹圃爝^程監(jiān)測(cè)與控制、制造系統(tǒng)建模與仿真和CIMS等。馬靖(通信作者)，男，1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。王強(qiáng)，男，1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。楊清，女，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。