陳偉興，李少波,2

CHEN Wei-xing1 , LI Shao-bo1,2

（1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

隨著自動(dòng)識(shí)別、嵌入式、傳感器及網(wǎng)絡(luò)等電子信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)、RFID和傳感網(wǎng)等物聯(lián)技術(shù)在制造領(lǐng)域不斷滲透，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品制造與服務(wù)過(guò)程中制造資源與信息資源的動(dòng)態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制，促進(jìn)了制造業(yè)向信息密集的智能化方向發(fā)展，以全面感知、異構(gòu)集成、按需架構(gòu)、自適應(yīng)和互操作為技術(shù)特征的新型智能制造模式——制造物聯(lián)（IOMT）應(yīng)運(yùn)而生[1,2]。

面對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程管控能力增強(qiáng)的需求，制造物聯(lián)信息綜合感知、智能處理等難題亟待解決。國(guó)內(nèi)外制造物聯(lián)技術(shù)絕大部分側(cè)重于感知識(shí)別，主要研究特定一類制造信息的感知實(shí)現(xiàn)，較少涉及生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵監(jiān)控事件的感知方法以及處理等問(wèn)題。制造物聯(lián)模式下，由于生產(chǎn)過(guò)程多源原始數(shù)據(jù)與監(jiān)控環(huán)節(jié)之間缺乏映射關(guān)系和高效聚合模型，使得關(guān)鍵生產(chǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)信息難以被實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及優(yōu)化控制，生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵監(jiān)控環(huán)節(jié)信息感知的研究成了制造企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型升級(jí)攻關(guān)的重點(diǎn)。

1 關(guān)鍵事件的定義及描述

1.1 關(guān)鍵事件的定義

以特色食品——油制辣椒生產(chǎn)為例，確定制造物聯(lián)關(guān)鍵事件包括：?jiǎn)T工/物料的狀態(tài)信息、設(shè)備工況、在制品質(zhì)量信息、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)環(huán)境信息等。

圖1 多層次事件數(shù)據(jù)模型

定義1：原始事件為RFID設(shè)備、傳感器、數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備等采集到的數(shù)據(jù)信息，主要包含事件的主體和內(nèi)容。

定義2：關(guān)鍵事件指原始事件或多層次事件經(jīng)過(guò)規(guī)則運(yùn)算形成的新的具有意義的事件。

在多層次事件關(guān)系描述方面，關(guān)鍵事件的描述主要采用操作符，包括時(shí)序操作符、層次關(guān)系操作符、邏輯操作符和運(yùn)算操作符等[3]。

1.2 制造信息XML描述

為了有效描述生產(chǎn)過(guò)程多層次事件關(guān)系，進(jìn)行關(guān)系型以及XML結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的交換，建立基于XML的面向生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件的描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)多層次事件XML統(tǒng)一描述。

面向生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵事件感知數(shù)據(jù)模型如圖1所示，原始事件與關(guān)鍵事件之間的映射通過(guò)描述模板實(shí)現(xiàn)。

[4]In short,Mr.Xi’s Marshall plan is likely to be hamstrung precisely by its differences from the Marshall Plan,which channeled U.S.aid to allied European democracies rebuilding after World War II

2 制造物聯(lián)關(guān)鍵事件主動(dòng)感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵事件主動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)階段及模型

基于事件驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程制造物聯(lián)關(guān)鍵事件主動(dòng)感知主要包括：多源信息的采集及傳輸、多源異構(gòu)信息的同構(gòu)化處理、多層次事件關(guān)聯(lián)模型建立及關(guān)系解析、事件關(guān)聯(lián)匹配及操作運(yùn)算、感知結(jié)果的推送和訪問(wèn)等五個(gè)階段，如圖2所示。關(guān)鍵事件的主動(dòng)感知模型如圖3所示，由感知的實(shí)時(shí)制造資源信息結(jié)合多層次事件關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行匹配與運(yùn)算，得出關(guān)鍵事件。

圖2 制造物聯(lián)關(guān)鍵事件主動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)階段

2.2 關(guān)鍵事件主動(dòng)感知技術(shù)架構(gòu)

基于信息驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件主動(dòng)感知模型的構(gòu)想，提出了如圖4所示的關(guān)鍵事件主動(dòng)感知技術(shù)架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)刻劃、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)應(yīng)用等六個(gè)部分。

圖3 制造物聯(lián)關(guān)鍵事件主動(dòng)感知模型

圖4 制造物聯(lián)關(guān)鍵事件主動(dòng)感知技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層主要面向異構(gòu)傳感設(shè)備組成的傳感器群，進(jìn)行多源制造信息的采集及異構(gòu)傳感器的管理。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)局域網(wǎng)、射頻、藍(lán)牙、紅外等傳輸采集的信息，實(shí)現(xiàn)多源制造信息的實(shí)時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)刻劃層通過(guò)傳感設(shè)備注冊(cè)管理及數(shù)據(jù)的同構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化，為實(shí)現(xiàn)各類傳感器在異構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò)下主動(dòng)感知和傳輸制造信息提供服務(wù)。數(shù)據(jù)整合層在獲取制造數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程各多源信息的關(guān)系定義、關(guān)聯(lián)運(yùn)算及增值處理，提供生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控與決策優(yōu)化利用的關(guān)鍵事件信息。數(shù)據(jù)集成層主要針對(duì)感知事件的性質(zhì)及用途，分類進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程事件的匯集和存儲(chǔ)，以利于提供高效的數(shù)據(jù)調(diào)用服務(wù)?；诿嫦蛏a(chǎn)過(guò)程不同環(huán)節(jié)的需求，數(shù)據(jù)應(yīng)用層調(diào)用或訪問(wèn)制造企業(yè)不同系統(tǒng)存儲(chǔ)的感知信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵事件主動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)方法

以離散型生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件的感知與標(biāo)準(zhǔn)化傳輸為目標(biāo)，建立具有自組織功能的多跳異構(gòu)傳感網(wǎng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程異構(gòu)傳感器進(jìn)行集中管理及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)同采集，并進(jìn)行感知系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行短距離無(wú)線通訊；根據(jù)傳感器類型和數(shù)據(jù)描述模板定義傳感器信息，進(jìn)行異構(gòu)信息的標(biāo)準(zhǔn)化加工處理，并采用ISA95標(biāo)準(zhǔn)封裝數(shù)據(jù)；結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯與規(guī)則算法，基于XML模板對(duì)感知事件進(jìn)行匹配運(yùn)算得出關(guān)鍵事件；通過(guò)Web Service技術(shù)傳輸感知的關(guān)鍵事件。

多跳異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、Web Service技術(shù)等，主要采集制造環(huán)境數(shù)據(jù)、員工/物料狀態(tài)信息、設(shè)備工況、生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行情況等，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的分析和處理并經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至第三方系統(tǒng)。

3.1 傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置及感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置

以多源制造信息的采集量、采集精度、感知范圍作為約束，確定傳感網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)傳感器的最小硬件成本為目標(biāo)函數(shù)，如公式(1)所示。通過(guò)遺傳算法求解傳感網(wǎng)優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)傳感器個(gè)數(shù)。

其中ASi表示第i個(gè)主動(dòng)傳感器，PSij表示第i個(gè)主動(dòng)傳感器配備的第j個(gè)附屬傳感配件，n代表傳感網(wǎng)中對(duì)于采集k個(gè)信息所需的主動(dòng)傳感器數(shù)量總數(shù)[4]。

3.1.2 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制造信息感知裝置為集成了網(wǎng)絡(luò)化I/O控制、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)邏輯分析與規(guī)則算法處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能為一體的嵌入式智能設(shè)備，用于集中管理異構(gòu)傳感器群和感知采集的信息。

感知系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，底層節(jié)點(diǎn)與傳感設(shè)備直接接觸，進(jìn)行制造信息的實(shí)時(shí)采集，采用嵌入式處理機(jī)進(jìn)行異構(gòu)傳感器的即插即用運(yùn)行服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和事件的驅(qū)動(dòng)；中間節(jié)點(diǎn)模塊提供底層節(jié)點(diǎn)采集信息的融合與實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)，同時(shí)下達(dá)上層生產(chǎn)管理決策信息到相應(yīng)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)；系統(tǒng)集成層匯聚了所有感知的信息，可采用工控機(jī)提供系統(tǒng)的決策支持功能。同時(shí)，建立便于用戶獲取信息及開發(fā)的統(tǒng)一接口及進(jìn)行傳感器信息的統(tǒng)一描述。感知系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集的信息與數(shù)據(jù)流之間的有效轉(zhuǎn)換。底層節(jié)點(diǎn)硬件包含了傳感器信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路、通訊總線接口、存儲(chǔ)器、微處理器等。中間節(jié)點(diǎn)集成了數(shù)據(jù)融合、邏輯運(yùn)算等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息或事件的過(guò)渡，滿足制造企業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用要求[5]。

圖5 感知系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

中間節(jié)點(diǎn)的輸入表示事件的發(fā)生，輸出表示經(jīng)過(guò)規(guī)則運(yùn)算產(chǎn)生的新事件，在底層節(jié)點(diǎn)感知事件產(chǎn)生時(shí)會(huì)激活中間節(jié)點(diǎn)的處理程序進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理或控制。

感知系統(tǒng)集成的功能模塊主要包括異構(gòu)傳感器的即插即用、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、多源異構(gòu)信息加工處理及標(biāo)準(zhǔn)化、多層次事件的匹配運(yùn)算及封裝、關(guān)鍵事件的推送和訪問(wèn)等。

3.2 數(shù)據(jù)加工處理及標(biāo)準(zhǔn)化封裝

3.2.1 數(shù)據(jù)格式及分類

根據(jù)數(shù)據(jù)的特性、結(jié)構(gòu)及格式不同，分類進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的描述及存儲(chǔ)。感知數(shù)據(jù)的格式與分類如表1所示。將采集的實(shí)時(shí)制造信息劃分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以XML文檔進(jìn)行存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化為主；靜態(tài)數(shù)據(jù)指感知對(duì)象的基本信息，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)[6]。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理及封裝

為解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的一致性和實(shí)時(shí)調(diào)用問(wèn)題，進(jìn)行XML—關(guān)系型數(shù)據(jù)交換，提取關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)并利用XML文檔進(jìn)行存儲(chǔ)。

將傳感設(shè)備感知的數(shù)據(jù)以{Si,t,D}格式表示，其中Si為傳感器編號(hào)，t為數(shù)據(jù)感知的時(shí)刻，D為感知的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。首先將RFID或條形碼傳感器采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用公式(2)處理，再采用ISA95和B2MML標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝[4]；感知的靜態(tài)數(shù)據(jù)首先通過(guò)XML—關(guān)系型數(shù)據(jù)交換再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝。

感知數(shù)據(jù)處理與標(biāo)準(zhǔn)化封裝流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理與封裝流程

3.3 事件的關(guān)聯(lián)分析及匹配運(yùn)算

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中多層次事件之間的關(guān)聯(lián)邏輯，選擇數(shù)據(jù)描述多樣化、支持遞歸處理層次事件的XML語(yǔ)言進(jìn)行多源制造信息的關(guān)系定義及模板描述。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)算法對(duì)預(yù)處理的原始事件或多層次事件數(shù)據(jù)集進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)運(yùn)算，從而生成匹配模板。

表1 感知數(shù)據(jù)的格式與結(jié)構(gòu)

以Esper（事件流處理引擎）的實(shí)現(xiàn)原理為基礎(chǔ)，分析事件流與事件關(guān)系的處理思路。結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件的特點(diǎn)和事件模板的構(gòu)成特點(diǎn)，改進(jìn)Esper中的算法表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)基于模板的生產(chǎn)過(guò)程多層次事件處理運(yùn)算，然后導(dǎo)出關(guān)聯(lián)結(jié)果并進(jìn)行增值處理得到關(guān)鍵事件。

3.4 關(guān)鍵事件的傳送及應(yīng)用

制造企業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，主要借助Web Service技術(shù)通過(guò)主動(dòng)推送和遠(yuǎn)程訪問(wèn)兩種形式獲取感知的事件[4]。

主動(dòng)推送工作邏輯如圖7所示，應(yīng)用系統(tǒng)首先進(jìn)行地址注冊(cè)和服務(wù)綁定，當(dāng)新事件發(fā)生時(shí)，觸發(fā)主動(dòng)推送服務(wù)，通過(guò)Wi-Fi、TCP/IP等將標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵事件向應(yīng)用系統(tǒng)推送。

圖7 關(guān)鍵事件按主動(dòng)推送服務(wù)

遠(yuǎn)程訪問(wèn)工作邏輯如圖8所示，應(yīng)用系統(tǒng)首先進(jìn)行地址注冊(cè)和服務(wù)綁定，遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)每隔設(shè)置獲取多源實(shí)時(shí)信息的時(shí)間t自動(dòng)獲取實(shí)時(shí)感知的標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵事件信息并發(fā)送至應(yīng)用系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 關(guān)鍵事件遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)

制造業(yè)自動(dòng)化、集成化、協(xié)同化、信息化、服務(wù)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)制造物聯(lián)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用提出了要求。制造物聯(lián)為生產(chǎn)過(guò)程的多源異構(gòu)信息采集、制造執(zhí)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及優(yōu)化控制提供了新的實(shí)現(xiàn)模式。本文從制造系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展對(duì)制造資源物聯(lián)感知需求的角度，構(gòu)建了制造企業(yè)物聯(lián)生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件主動(dòng)感知的技術(shù)框架，并提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵事件主動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)方法，為精確生產(chǎn)和制造系統(tǒng)智能決策與優(yōu)化提供重要支撐，以利于有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

[1]姚錫凡,于淼,陳勇,項(xiàng)子燦.制造物聯(lián)的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(1)：1-10.

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