郭楊銳，鐘 偉，張永輝，杜 宇，吉 旭

(1.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中建西部建設(shè)股份有限公司，四川 成都 610017；3.中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610017)

信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，正在有力地推動(dòng)在協(xié)同開(kāi)發(fā)、智能生產(chǎn)、敏捷服務(wù)等領(lǐng)域形成新型集成化應(yīng)用范式，引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究[1]。CPS集感知、計(jì)算、通信、反饋過(guò)程于一體，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算，監(jiān)控設(shè)備深度融合，實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備全局聯(lián)網(wǎng)[2]。吉旭[3]等人將CPS系統(tǒng)應(yīng)用到化學(xué)工業(yè)4.0新范式中，構(gòu)建了基于CPS的智能單元模型；衛(wèi)柯丞[4]等將CPS應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，提出基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS工業(yè)架構(gòu)。

混凝土是建筑業(yè)的主要原材料，應(yīng)用廣泛，但在行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域尚未形成一套完整的集環(huán)境感知、數(shù)據(jù)采集、信息傳遞、控制反饋、和自我優(yōu)化的閉環(huán)體系[5]。

因此，搭建面向商砼行業(yè)CPS架構(gòu)，加強(qiáng)CPS相關(guān)技術(shù)在商砼行業(yè)的應(yīng)用，可以提升企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，同時(shí)對(duì)提升行業(yè)信息化水平，建設(shè)行業(yè)智能化工廠具有重要意義。

1 商品混凝土行業(yè)的CPS平臺(tái)架構(gòu)研究

1.1 CPS系統(tǒng)的工業(yè)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 CPS系統(tǒng)商品混凝土行業(yè)的工業(yè)架構(gòu)

CPS具有復(fù)雜度高，異構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]，是由運(yùn)行在不同時(shí)間、空間范圍的分布式的、異步的異構(gòu)系統(tǒng)組成的動(dòng)態(tài)混合系統(tǒng)[7]。為了實(shí)現(xiàn)硬件資源的自動(dòng)感知和自主控制,每個(gè)設(shè)備上均嵌入相應(yīng)的感知設(shè)備如RFID讀寫(xiě)器來(lái)監(jiān)測(cè)外界物理環(huán)境的變化，控制器改變外界物理環(huán)境的參數(shù)變量[8]。圖1所示為CPS系統(tǒng)商品混凝土行業(yè)的工業(yè)架構(gòu)。企業(yè)采用大量的處理單元及嵌入式設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)處理與信息交互，通過(guò)傳輸通道，上傳至企業(yè)級(jí)云端進(jìn)行數(shù)據(jù)解析挖掘?qū)W習(xí)，同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸將相關(guān)的生產(chǎn)運(yùn)行信息發(fā)送至決策層，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 商砼行業(yè)CPS的平臺(tái)技術(shù)基礎(chǔ)

強(qiáng)化CPS在商砼行業(yè)的應(yīng)用，必須更清晰的界定CPS在商砼行業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，作為實(shí)施商砼行業(yè)信息化的指導(dǎo)方針。因此，本文提出商砼行業(yè)基于物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、服務(wù)層的CPS平臺(tái)化技術(shù)，如圖2所示。

圖2 商砼行業(yè)CPS應(yīng)用架構(gòu)

物理層作為CPS的感知系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)，由傳感器和控制器構(gòu)成。商砼廠站的傳感器和控制器數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多。圖3為標(biāo)準(zhǔn)化混凝土攪拌站平面圖。在汽車(chē)衡附近、攪拌樓實(shí)驗(yàn)室等區(qū)域配備了大量各自獨(dú)立有相互協(xié)作的傳感控制系統(tǒng)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化攪拌站平面圖

CPS網(wǎng)絡(luò)參與到CPS感知-決策-執(zhí)行的整個(gè)閉環(huán)過(guò)程，蜂窩網(wǎng)和Ad Hoc聯(lián)合網(wǎng)(UCAN)[9]等網(wǎng)絡(luò)融合、改進(jìn)路由協(xié)議的分簇技術(shù)為CPS在網(wǎng)絡(luò)融合及節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)上有全新的設(shè)計(jì)與突破。

商砼行業(yè)數(shù)據(jù)具有規(guī)模龐大、實(shí)時(shí)并發(fā)、類(lèi)型復(fù)雜等特點(diǎn)。云計(jì)算的發(fā)展為商砼行業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供了良好的技術(shù)支持，在商砼行業(yè)部署云計(jì)算需要關(guān)注數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理兩方面的內(nèi)容。

(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：結(jié)合商砼行業(yè)集團(tuán)化運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，混凝土企業(yè)采用分布式云計(jì)算部署模式，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)集團(tuán)總部的云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)先集中存儲(chǔ)在各站點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，后延時(shí)傳輸至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，避免實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的大量并發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。

(2)數(shù)據(jù)管理：高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效處理的基礎(chǔ)和前提。在云計(jì)算技術(shù)的背景下，商砼行業(yè)數(shù)據(jù)管理模式主要分為數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)集成、并行計(jì)算、數(shù)據(jù)分析四個(gè)板塊[10]?；诖耍疚奶岢鲞m用于商砼行業(yè)的云計(jì)算數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 云計(jì)算數(shù)據(jù)管理架構(gòu)

應(yīng)用層的服務(wù)對(duì)象主要是商砼行業(yè)的各類(lèi)終端用戶，為他們提供商砼行業(yè)相關(guān)的功能各異的應(yīng)用軟件服務(wù)。企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)、質(zhì)量管理等應(yīng)用軟件為企業(yè)在信息傳輸、業(yè)務(wù)操作、管理考核、決策支持提供統(tǒng)一平臺(tái)。

服務(wù)層是CPS為用戶提供服務(wù)的端口。服務(wù)層為用戶提供兩種人機(jī)交互模式：

(1)Web模式，用戶可通過(guò)Web(任意瀏覽器)訪問(wèn)相應(yīng)軟件和服務(wù)。

(2)客戶端模式，用戶在各類(lèi)終端(PC、智能手機(jī)等)上安裝客戶端程序后通過(guò)登陸訪問(wèn)相應(yīng)軟件和服務(wù)。

2 基于CPS的應(yīng)用研究—質(zhì)量管理

目前，多數(shù)商砼企業(yè)仍處于簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制階段，質(zhì)量檢驗(yàn)以抽樣檢驗(yàn)為主，由于混凝土的質(zhì)量檢驗(yàn)的特性，生產(chǎn)中基于統(tǒng)計(jì)結(jié)論實(shí)行在線的混凝土質(zhì)量預(yù)防和控制存在較大困難。為解決這一問(wèn)題，相關(guān)研究在算法層面對(duì)混凝土質(zhì)量管理有了探索[12-13]，本文在此基礎(chǔ)上，從混凝土生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程及影響因素(圖5)出發(fā)，建立基于商砼行業(yè)CPS質(zhì)量管理邏輯，并建立了在CPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘及結(jié)果反饋的方案。

圖5 商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)流程體系

2.1 基于CPS的質(zhì)量管理邏輯架構(gòu)

圖6 混凝土企業(yè)基于CPS的質(zhì)量管理業(yè)務(wù)邏輯

商砼行業(yè)質(zhì)量管理邏輯架構(gòu)必須為用戶提供高性能的并行計(jì)算能力以及方便的開(kāi)發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等功能，從而對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行高效監(jiān)督、管理和控制。本文結(jié)合商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)流程體系設(shè)計(jì)出質(zhì)量管理模塊的邏輯圖，如圖6所示。

質(zhì)量管理的邏輯架構(gòu)主要分為生產(chǎn)前、生產(chǎn)中、生產(chǎn)后三個(gè)層次，且三個(gè)層次之間相互關(guān)聯(lián)、層層相應(yīng)。

生產(chǎn)前：通過(guò)CPS系列應(yīng)用軟件如ERP、CRM、商業(yè)智能(BI)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)與信用控制等綜合分析生產(chǎn)前企業(yè)內(nèi)部人員調(diào)動(dòng)、生產(chǎn)計(jì)劃、供應(yīng)商履約、客戶合同狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，嵌入式芯片實(shí)時(shí)抓取儀器儀表參數(shù)、材料庫(kù)存、前期材料供貨信息、道路交通實(shí)況、短時(shí)天氣狀態(tài)并通過(guò)相關(guān)應(yīng)用軟件整理發(fā)布，為生產(chǎn)決策做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。

生產(chǎn)中：綜合分析生產(chǎn)中人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境等傳感器控制器相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)信息，包括設(shè)備數(shù)據(jù)、原材料質(zhì)量庫(kù)存數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等，同時(shí)新型網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流上傳至云服務(wù)器，基于大數(shù)據(jù)的人工智能算法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，并以此為依據(jù)為產(chǎn)品質(zhì)量智能化管控進(jìn)行決策支持，為質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的自我優(yōu)化提供知識(shí)積累。

生產(chǎn)后：利用產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)，收集質(zhì)量評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量成本、質(zhì)量文檔、售后質(zhì)量信息等，生成一系列產(chǎn)品質(zhì)量分析報(bào)告，同時(shí)，相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、決策信息等在云端被充分解壓、挖掘、分析，對(duì)整個(gè)質(zhì)量管理體系進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和調(diào)整，為設(shè)備自我優(yōu)化、人員科學(xué)決策提供持續(xù)的學(xué)習(xí)資料。

2.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)管理

商砼行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理的相關(guān)數(shù)據(jù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：來(lái)源廣泛、分布離散化、類(lèi)型多樣化，并且影響混凝土質(zhì)量的因素具有復(fù)雜性和不確定性，當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)量持續(xù)上升時(shí)，生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)大量并發(fā)，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)波動(dòng)，極易造成數(shù)據(jù)丟失，因此需要根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)處理時(shí)間制定不同的數(shù)據(jù)傳輸策略，以彌補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施上的短板。數(shù)據(jù)傳遞示意圖如圖7所示。

圖7 商砼行業(yè)質(zhì)量管理的數(shù)據(jù)傳遞示意圖

對(duì)于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行處理。生產(chǎn)調(diào)度指令優(yōu)先級(jí)最高，采用即時(shí)處理；材料消耗數(shù)據(jù)其次，將其壓縮打包后以相對(duì)較低的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行傳遞；而對(duì)于處理時(shí)間要求不高的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則采用閑時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟呗?，從而減少低價(jià)值數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)資源的占用，提升數(shù)據(jù)管理效率。

對(duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按照重要性和資源占用率進(jìn)行差異化處理。不同級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)(如集團(tuán)公司、區(qū)域公司、廠站)之間傳遞的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)管道傳輸?shù)姆绞?，這樣既可以減少數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)傳輸量，也有利于對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間進(jìn)行合理安排；而對(duì)于一些資源占用量和網(wǎng)絡(luò)傳輸量都比較大的業(yè)務(wù)流程，如產(chǎn)品配合比的調(diào)整、檢驗(yàn)等，可由各個(gè)站點(diǎn)的客戶端資源獨(dú)立完成，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

將分散的商砼企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、原料數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存、管理和整合，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)及人工智能算法，采集、存儲(chǔ)，從而將企業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)模型進(jìn)行存儲(chǔ)、表達(dá)與發(fā)布，為商砼行業(yè)質(zhì)量管理提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；谇笆鲅芯?，開(kāi)發(fā)了商砼行業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)，圖8是系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成條件下基于人工智能算法的混凝土抗壓強(qiáng)度分析模塊。

圖8 基于人工智能算法的混凝土抗壓強(qiáng)度分析功能

3 結(jié)論

日益強(qiáng)烈的產(chǎn)品個(gè)性化和高質(zhì)量的市場(chǎng)需求正在倒逼商品混凝土企業(yè)進(jìn)行資源整合，協(xié)同生產(chǎn)，在此趨勢(shì)下，商砼企業(yè)必須建設(shè)集自我感知、自我適應(yīng)及管控一體的信息化平臺(tái)，以提升信息交互水平，推動(dòng)行業(yè)向質(zhì)量最優(yōu)、成本最低的方向發(fā)展。本文研究了基于商砼行業(yè)的CPS架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)分析商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)流程體系，提出基于CPS的質(zhì)量管理邏輯方案及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。并基于研究結(jié)論，開(kāi)發(fā)了商砼行業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)踐證明商品混凝土行業(yè)的CPS平臺(tái)體系是可行的。

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