王培屹，張桂青，李清鋒，田晨璐，馬國(guó)旗

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2.邁赫機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，濰坊 262200）

0 引言

隨著中國(guó)制造2025以及新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程實(shí)施規(guī)劃等政策的出爐，農(nóng)機(jī)與工程機(jī)械制造業(yè)出現(xiàn)重大產(chǎn)能缺口，各類(lèi)生產(chǎn)問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)制造業(yè)因缺少完備的信息化管理系統(tǒng)，導(dǎo)致其生產(chǎn)管理方式較為粗放，多數(shù)操作依靠人工實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分散且生產(chǎn)效率低，無(wú)法滿足快速發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)需求。在物聯(lián)網(wǎng)普及之前，由于信息管理系統(tǒng)部署成本高和實(shí)施困難等原因，各類(lèi)大型制造企業(yè)只能從生產(chǎn)機(jī)器、環(huán)境和人員處分散、低效的收集信息，造成數(shù)據(jù)流失嚴(yán)重及管理困難。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及云基礎(chǔ)設(shè)施的成熟，能夠?qū)⑸a(chǎn)車(chē)間中的人機(jī)料法環(huán)構(gòu)成統(tǒng)一整體[1]，讓中小型企業(yè)也可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輕松構(gòu)建數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，打通車(chē)間與管理層的“信息壁壘”，低成本、易部署、高擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)制造系統(tǒng)已逐漸成為企業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的新范式[2]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于制造領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛的研究[3,4]，并取得了一定成果，如文獻(xiàn)[5]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠質(zhì)量管理信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零件檢測(cè)信息的自動(dòng)提取、收集和存儲(chǔ)，為現(xiàn)代化工廠升級(jí)轉(zhuǎn)型提供技術(shù)基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[6]為解決生產(chǎn)數(shù)字化車(chē)間“信息壁壘”的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)化數(shù)據(jù)采集與智能化監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)加裝配車(chē)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理并在軍工企業(yè)及汽車(chē)制造領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)制造2025政策中明確指出將大力發(fā)展農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)，然而現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)制造業(yè)方面并沒(méi)有完備的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的研究還較少，因此本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，分析農(nóng)機(jī)制造業(yè)的工藝需求與數(shù)據(jù)特征，研究農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理框架，開(kāi)發(fā)一種低成本的應(yīng)用于農(nóng)機(jī)制造的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理平臺(tái)，并就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)及功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 農(nóng)機(jī)制造與物聯(lián)網(wǎng)

1.1 農(nóng)機(jī)制造工藝需求

農(nóng)機(jī)制造工藝主要由焊裝、涂裝和總裝三大部分組成，焊裝線主要分為底板線與主焊線，智能化、自動(dòng)化程度較低，容錯(cuò)率低，電機(jī)參數(shù)要求實(shí)時(shí)監(jiān)控保證焊接質(zhì)量；涂裝線主要流程包括：前處理→熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂→表調(diào)→磷化→純水洗→陰極電泳→電泳烘干→強(qiáng)冷→噴漆→面漆烘干→強(qiáng)冷→打磨檢驗(yàn)等，涂裝車(chē)間作為整個(gè)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的用能大戶，車(chē)間能耗異常、廢棄物排放超標(biāo)等問(wèn)題難以管控，造成能源的浪費(fèi)與生產(chǎn)的損失，同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成了嚴(yán)重影響；總裝線主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)、線束敷設(shè)、懸架、傳動(dòng)軸、制動(dòng)臂、輪胎、手剎等安裝過(guò)程，但基本所有工序及零部件均依靠手工統(tǒng)計(jì)，往往出現(xiàn)物料信息錯(cuò)誤、缺件錯(cuò)件等低效問(wèn)題。因此，如果不能對(duì)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)控與分析，先進(jìn)的管理手段與控制策略也難以利用，從而造成生產(chǎn)資源與數(shù)據(jù)的流失與浪費(fèi)，所以建立完備的農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集

要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)制造生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，首先要完成生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的全面感知，如焊裝車(chē)間內(nèi)各焊機(jī)、滾床等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，涂裝車(chē)間前處理工序中溶液溫度、PH值，噴漆室內(nèi)溫度，風(fēng)機(jī)、燃燒機(jī)、RTO運(yùn)行狀態(tài)等，總裝車(chē)間各工位物料信息、到位、占位信號(hào)等均需要大量傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以代替大量人工，將各類(lèi)傳感器、生產(chǎn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能處理、識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控與管理。

在農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集階段，原有的PLC或DCS系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)的OPC方式將數(shù)據(jù)集成至上層平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)部分自主開(kāi)發(fā)的五類(lèi)采集終端均按照統(tǒng)一的自定義協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集架構(gòu)圖

各類(lèi)采集終端主要功能如下：

1）RFID：主要滿足工藝數(shù)據(jù)采集、人員數(shù)據(jù)采集、物料信息采集接入的要求；

2）物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)車(chē)間環(huán)境數(shù)據(jù)、關(guān)鍵用電設(shè)備電氣參數(shù)等信息的采集及節(jié)能控制策略的下發(fā)；

3）數(shù)據(jù)集中器：用于采集車(chē)間內(nèi)水、電、燃?xì)獾饶芎男畔?，具?85輸入接口，兼容主流儀表的Modbus協(xié)議；

4）通用DDC：屬于面向生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集終端，集合數(shù)字、模擬量輸入功能，兼容標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA，1～5V信號(hào)，能夠滿足農(nóng)機(jī)生產(chǎn)工藝中重要參數(shù)的采集（如溫度、風(fēng)壓、閥門(mén)、到位、占位信號(hào)等）；

5）回路控制器：主要用于設(shè)定節(jié)能控制策略，從而控制生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)機(jī)組設(shè)備的啟停。

1.3 數(shù)據(jù)特征

物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)機(jī)制造相結(jié)合，能夠從生產(chǎn)車(chē)間（如：人員，設(shè)備，物料和環(huán)境）源源不斷的收集實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)集可用于分析自動(dòng)化流程，以優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)系統(tǒng)，無(wú)需人工干預(yù)。數(shù)據(jù)集主要包含靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：

靜態(tài)數(shù)據(jù)：人員詳細(xì)信息（編號(hào)ID/姓名/身份/聯(lián)系方式等）、設(shè)備詳細(xì)信息（資產(chǎn)編號(hào)ID/設(shè)備類(lèi)型/功能/額定功率/電壓/電流/生產(chǎn)廠商等）、生產(chǎn)工藝信息。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：人員活動(dòng)信息、位置信息、上下工位時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、位置信息、關(guān)鍵參數(shù)、故障報(bào)警信息、訂單信息、環(huán)境信息、能耗信息等。

利用以上多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集，能夠滿足人員、設(shè)備、環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，一旦設(shè)備發(fā)生異常，能夠通知距離最近的管理員及時(shí)調(diào)控權(quán)限內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2 農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖2所示，本文將農(nóng)機(jī)制造與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的主要框架結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主要分為四層，感知層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及應(yīng)用層[7]。

1）感知層：包括RFID、智能模塊、智能裝備及智能網(wǎng)關(guān)，RFID、智能模塊及智能裝備主要實(shí)現(xiàn)廠間生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，智能網(wǎng)關(guān)是溝通智能模塊與平臺(tái)服務(wù)器的橋梁，一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化、設(shè)備管理等智能控制功能，PLC部分通過(guò)OPC數(shù)據(jù)接口方式接入系統(tǒng)平臺(tái)。

2）數(shù)據(jù)層：主要由數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)庫(kù)部署于云端服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)層連接了設(shè)備層與服務(wù)層，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)承擔(dān)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及和智能網(wǎng)關(guān)通訊的功能，MongoDB用于存儲(chǔ)生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有車(chē)間管理員、節(jié)點(diǎn)、設(shè)備、訂單的信息及其關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層對(duì)外提供數(shù)據(jù)采用發(fā)布服務(wù)的模式，上層應(yīng)用通過(guò)服務(wù)接口查詢數(shù)據(jù)或下達(dá)命令。

3）服務(wù)層：該層主要包括一些面向工藝流程及智能計(jì)算的服務(wù)，通過(guò)分析應(yīng)用層的功能需求，提取各類(lèi)共性業(yè)務(wù)流程，封裝各類(lèi)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)算法，提供車(chē)間權(quán)限管理、設(shè)備運(yùn)行分析、歷史數(shù)據(jù)提取、節(jié)能優(yōu)化控制等服務(wù)，該層應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)習(xí)算法如聚類(lèi)、分類(lèi)、關(guān)聯(lián)、回歸等提供農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)定制化的人工智能服務(wù)。

4）應(yīng)用層：主要包括APP客戶端和Web端的人機(jī)交互界面，為用戶直接提供各種業(yè)務(wù)應(yīng)用[8]，包括車(chē)間權(quán)限管理、組態(tài)虛擬化配置、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)進(jìn)度管控、故障預(yù)測(cè)分析、能源管理等功能，從而有效指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

1）E-R模型

E-R模型圖具有簡(jiǎn)潔直觀的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)通常采用E-R圖來(lái)進(jìn)行前期描述，將農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)中所涉及到的單位概括為實(shí)體，并描述各個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系，然后設(shè)計(jì)全局E-R模型圖[9]。

根據(jù)平臺(tái)所涉及到的單元，主要包括的實(shí)體有：管理人員信息實(shí)體、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)體、設(shè)備實(shí)體及訂單實(shí)體，管理人員與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間屬于一對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)管理人員可以管理多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與設(shè)備屬于多對(duì)一的關(guān)系，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以管理多個(gè)設(shè)備，管理人員與訂單屬于一對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)管理人員可以管理多組訂單，因此關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)全局E-R模型圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖

2）內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

農(nóng)機(jī)制造生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以KV（Key-Value）鍵值對(duì)形式存儲(chǔ)在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，與傳統(tǒng)的以測(cè)點(diǎn)為基本單位不同的是，本系統(tǒng)是以設(shè)備為基本單位存儲(chǔ)，每一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的智能設(shè)備或人員都有自己唯一的ID值作為字典類(lèi)型的Key值，因此依照每種設(shè)備類(lèi)型創(chuàng)建一個(gè)相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用Dictionary>的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Key值為設(shè)備ID，Value值用List鏈表來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間序列數(shù)據(jù)）。

2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流

農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流如圖4所示。物聯(lián)網(wǎng)采集終端負(fù)責(zé)收集車(chē)間內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)人員、物料、傳感器、智能儀表等異構(gòu)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)依據(jù)設(shè)備類(lèi)型分類(lèi)裝箱、打包，并通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議組織上傳，數(shù)據(jù)在解包分類(lèi)后傳輸至不同的數(shù)據(jù)處理隊(duì)列中，并依據(jù)不同的協(xié)議規(guī)約將數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)至內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中，寫(xiě)入的同時(shí)判斷內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)是否已滿，已滿則將內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存機(jī)制將數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)外提供的相關(guān)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與后臺(tái)程序的交互，以支持企業(yè)對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的分析、檢索和挖掘。

圖3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)E-R模型圖

圖4 農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流

3 系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1）數(shù)據(jù)并發(fā)通信

針對(duì)農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)并發(fā)通信需求，本文采用多線程與Socket技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與底層數(shù)據(jù)接口軟件/設(shè)備的并發(fā)通信[10]，啟動(dòng)通信服務(wù)組件后，建立監(jiān)聽(tīng)線程，實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)線程鏈接請(qǐng)求，獲得鏈接請(qǐng)求后，建立一個(gè)與接口軟件或物聯(lián)網(wǎng)采集終端通信的線程后，持續(xù)監(jiān)聽(tīng)；所建立的通信線程接收數(shù)據(jù)包，依照自定義通信協(xié)議，驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否合法，若合法，則按照相應(yīng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析，將解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)隊(duì)列中，否則拋棄數(shù)據(jù)包[11]。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析與規(guī)約后，物聯(lián)網(wǎng)采集終端部分收到的數(shù)據(jù)依據(jù)自定義的通信協(xié)議，截取數(shù)據(jù)包中的設(shè)備ID判斷設(shè)備類(lèi)型，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲(chǔ)至對(duì)應(yīng)的設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)存當(dāng)中，PLC部分通過(guò)OPC Server接收數(shù)據(jù)并依據(jù)測(cè)點(diǎn)類(lèi)型及測(cè)點(diǎn)ID存儲(chǔ)至相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)中，如圖5所示。

3.2 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，許多學(xué)者都不斷在研究和優(yōu)化存儲(chǔ)策略以獲取更有價(jià)值的數(shù)據(jù)從而對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析奠定基礎(chǔ)，目前物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)主流的存儲(chǔ)方式包括：基于文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)、基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)及基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)，本文采用NoSQL中的MongoDB存儲(chǔ)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@種基于鍵值對(duì)（Key-Value）的存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)間無(wú)耦合性，易于擴(kuò)展，其優(yōu)異的性能和擴(kuò)展能力適于工業(yè)生產(chǎn)中海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢[12]。

圖5 內(nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存策略是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存機(jī)制，如圖6所示，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與解析線程將不同設(shè)備類(lèi)型的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)中，歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存線程不斷掃描各內(nèi)存區(qū)存儲(chǔ)情況，當(dāng)內(nèi)存區(qū)A數(shù)據(jù)流達(dá)到限值（即檢測(cè)到轉(zhuǎn)存信號(hào)）時(shí)，清空內(nèi)存區(qū)A，并將內(nèi)存區(qū)A內(nèi)的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后存入MongoDB鍵值對(duì)有序集文檔中，同時(shí)啟用內(nèi)存區(qū)B繼續(xù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依此交替。

圖6 歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存策略

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)與共享

實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)與Web前端通信的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，采用B/S架構(gòu)模式開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)可視化服務(wù)[13]。

圖7 前后端交互結(jié)構(gòu)框圖

Web前端采用現(xiàn)階段主流的HTML5+CSS+JS/AJAX技術(shù)模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其靈活的高擴(kuò)展性及跨平臺(tái)能力使得系統(tǒng)能夠在任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)監(jiān)控信息，從而及時(shí)分析農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況及各設(shè)備的作業(yè)情況；統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)層主要使用WebService及WebSocket技術(shù)相結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)，常規(guī)的Ajax輪詢WebService接口的這種主動(dòng)通信的方式效率較高，支持局部刷新，同時(shí)也能充分利用服務(wù)資源，但頻繁的主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器壓力過(guò)大，從而造成運(yùn)行效率下降，因此對(duì)于一些刷新頻率較低，由事件觸發(fā)而產(chǎn)生的信息，如報(bào)警信息、物料信息及訂單信息等，可以采用WebSocket技術(shù)建立瀏覽器與服務(wù)器的雙向通信、實(shí)時(shí)推送的機(jī)制[14]，以實(shí)現(xiàn)Web端的實(shí)時(shí)應(yīng)用與管理，從而顯著降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；數(shù)據(jù)層與服務(wù)層則采用成熟的數(shù)據(jù)接口建立連接，實(shí)時(shí)向前端提供穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)源。

4 實(shí)例應(yīng)用

以某農(nóng)機(jī)裝備覆蓋件制造車(chē)間作為研究對(duì)象，對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行建模分析，搭建農(nóng)機(jī)與工程機(jī)械制造物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能與實(shí)效性。該系統(tǒng)主要包括：生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、能源管理、故障預(yù)報(bào)警管理、數(shù)據(jù)分析、第三方應(yīng)用接口及系統(tǒng)配置等功能模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1）生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控：系統(tǒng)可以通過(guò)首頁(yè)中工廠布局，選擇進(jìn)入相應(yīng)車(chē)間子系統(tǒng)，以涂裝車(chē)間為例，如圖9所示，子系統(tǒng)中的監(jiān)控界面包含涂裝生產(chǎn)中的所有工藝流程及重要設(shè)備參數(shù)，管理員可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看各工序設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工藝指標(biāo)。

2）能源管理：對(duì)車(chē)間總能耗、各車(chē)間能耗同比、環(huán)比進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)于高能耗設(shè)備采取精細(xì)化管理，分析高能耗原因，實(shí)施節(jié)能控制策略。

3）故障報(bào)警：系統(tǒng)運(yùn)行期間一旦發(fā)生報(bào)警信息，會(huì)立即彈窗及發(fā)送短信提示管理員及時(shí)查詢報(bào)警信息，并作相應(yīng)處理，若為處理，則界面會(huì)有黃色報(bào)警信號(hào)持續(xù)閃爍，故障歷史記錄表中能夠通過(guò)點(diǎn)擊故障位置進(jìn)入相應(yīng)的工藝畫(huà)面及時(shí)確認(rèn)故障信息。

4）數(shù)據(jù)分析：結(jié)合農(nóng)機(jī)制造領(lǐng)域知識(shí)及專家?guī)煨畔?，?duì)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量、定性的處理分析（如關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行率/故障率分析），并按照預(yù)測(cè)性報(bào)警評(píng)估模型，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析。

5）權(quán)限配置：為滿足企業(yè)多用戶共同訪問(wèn)系統(tǒng)的需求，設(shè)置了權(quán)限配置界面，系統(tǒng)中區(qū)分了廠長(zhǎng)/各車(chē)間主任/設(shè)備管理員/操作工四種用戶類(lèi)型，不同用戶只能按照分配權(quán)限執(zhí)行指定部分操作。

6）第三方應(yīng)用：系統(tǒng)預(yù)留有標(biāo)準(zhǔn)的第三方接口，能夠集成第三方應(yīng)用，具有良好的擴(kuò)展性。

通過(guò)在某農(nóng)機(jī)裝備覆蓋件制造車(chē)間的使用測(cè)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備工作狀態(tài)、能耗異常、故障預(yù)警等信息，從而有效指導(dǎo)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理需求。

圖9 農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)首頁(yè)

5 結(jié)論

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)農(nóng)機(jī)制造工藝需求及數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)人機(jī)料法環(huán)的全面感知與實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于B/S架構(gòu)模式，綜合多線程并發(fā)通信、實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略、WebSocket、WebService等編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)了農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理平臺(tái)，并應(yīng)用于某農(nóng)機(jī)裝備覆蓋件車(chē)間示范項(xiàng)目，系統(tǒng)能夠代替大量人力并滿足生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)信息的檢測(cè)采集與處理應(yīng)用，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)在制造水平與管理水平的跨越式提升，使農(nóng)機(jī)制造業(yè)由傳統(tǒng)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向新型智能制造范式轉(zhuǎn)變。