韓濟(jì)澤,張永林
(江蘇科技大學(xué),江蘇鎮(zhèn)江 212003)
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼互聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人PC之后第三個(gè)萬億級(jí)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。自提出以來,一直是各國爭(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)高點(diǎn)。能夠優(yōu)先掌握先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),不僅是提高我國船舶企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)我國船舶制造智能化、信息化、數(shù)字化的重要支撐。
文中主要研究并分析了當(dāng)前常用物聯(lián)網(wǎng)的3 種標(biāo)準(zhǔn)體系和3 種架構(gòu),結(jié)合上海外高橋船舶分段制造車間實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景,研究船舶制造過程的物聯(lián)網(wǎng)接入需求,給出功能性采集數(shù)據(jù);分析車間現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,將車間網(wǎng)絡(luò)分為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、多業(yè)務(wù)高帶寬網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)3 類,給出各自特有的網(wǎng)絡(luò)形式與共性網(wǎng)絡(luò),并設(shè)計(jì)了混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最后,按生產(chǎn)設(shè)備的多寡,給出車間環(huán)境整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于USN 體系的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)方案。
泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)(USN)是國際電信聯(lián)盟(ITU)提出的一種分層體系架構(gòu)。ITU 在2005 年WSIS 大會(huì)上正式提出“Internet of Things(IoT)”的物聯(lián)網(wǎng)概念,緊接著,物聯(lián)網(wǎng)成了世界各國爭(zhēng)相發(fā)展的新一代信息技術(shù)。USN 逐漸發(fā)展成為重要的物聯(lián)網(wǎng)分層體系,最初的USN 體系由底向上劃分為三層構(gòu)造:感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。底層的感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系的核心,相當(dāng)于人類的五官,實(shí)時(shí)感知、識(shí)別外部世界,是及時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息的重要通道與來源。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用多種網(wǎng)絡(luò)形式、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)將采集到的數(shù)據(jù)信息及時(shí)向上層傳輸,以便上層獲取與查看。應(yīng)用層是整個(gè)體系架構(gòu)的最上層,該層集中了大量的應(yīng)用管理設(shè)備,滿足物聯(lián)網(wǎng)帶給人們的便捷,即在任何時(shí)間(Anytime)、任何地點(diǎn)(Anywhere),對(duì)任何事物(Anything)都能智能快捷地獲取并管理數(shù)據(jù)信息。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,USN 體系得到發(fā)展與細(xì)化,比如出現(xiàn)了五層體系,甚至是六層體系[1-2]。
2005 年,開放地理空間聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium,OGC)提出SWE(Sensor Web Enablement)訪問傳感器標(biāo)準(zhǔn)體系[3]。該體系主要通過Web 訪問連入互聯(lián)網(wǎng)的傳感器資源,定位于應(yīng)用層,結(jié)合傳感觀測(cè)服務(wù)(Sensor Observation Service,SOS)、傳感器建模語言(Transducer Markup Languange,TML)等技術(shù),提供基于XML 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式的傳感器建模語言,使得傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自我感知的功能[3]。SWE 體系常用于構(gòu)建傳感信息模型,重點(diǎn)在于對(duì)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)資源的共享[4],并對(duì)頂層服務(wù)提供大量的統(tǒng)一接口,但缺乏對(duì)底層硬件設(shè)備服務(wù)的統(tǒng)一規(guī)范,企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用受到一定限制[3,5]。
射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一,能夠通過非接觸式的方式對(duì)選定目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和管理,是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的重要方法之一[3]。目前,RFID 包括三大標(biāo)準(zhǔn)體系,分別是ISO/IEC體系、美國EPC(Electronic Product Code)global 體系和日本的UID(Ubiquitous Identification)體系[6]。當(dāng)前,EPC(電子編碼)在全世界的應(yīng)用范圍較為廣泛。ISO/IEC 體系主要基于ISO IEC14443、ISO IEC10536、ISO IEC15693,作為實(shí)現(xiàn)RFID 的主要標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。UID 則限于兼容日本本土已有的編碼體系,有限支持ISO 標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用范圍較局限。
分析表1,對(duì)比USN 體系、SWE 體系與RFID 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):USN 體系適用于任何形式的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì),而且應(yīng)用范圍覆蓋SWE 體系與RFID 標(biāo)準(zhǔn),而且USN 體系架構(gòu)的復(fù)雜性較SWE 體系更為全面,較RFID標(biāo)準(zhǔn)更為直觀明確。因此,應(yīng)用USN體系標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)立體分層結(jié)構(gòu)是個(gè)很好的選擇。
表1 USN、SWE和RFID體系比較
表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移(Representational State Transfer,REST),是由Roy Fielding 博士在其博士論文中首次提出的一種軟件架構(gòu)概念[8]。REST 架構(gòu)常基于HTTP、URI(Uniform Resource Identifier,統(tǒng)一資源標(biāo)準(zhǔn)符)和XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)以及HTML 使用,是一種可以提高系統(tǒng)伸縮性且相對(duì)簡(jiǎn)單的服務(wù)架構(gòu)。REST 對(duì)所有的資源共享提供統(tǒng)一的操作接口(比如API 接口),接口有明確的功能定義和操作契約[8]。REST 還可以提供無狀態(tài)交互,幫助基于架構(gòu)的基本服務(wù),組合構(gòu)建為更大的自由集合,得到理想的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)。
集中式架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)物理架構(gòu)常見的接入架構(gòu)之一,是基于各類M2M等終端設(shè)備為代表,如Machine to Machine(機(jī)器-機(jī)器);Machine to Man(機(jī)器-人),通過分析終端設(shè)備自帶的接口與接入方式,整合并設(shè)計(jì)開發(fā)一系列集成接口,使得機(jī)器設(shè)備能夠集中連接在一起,實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)加工設(shè)備的集中管理。集中式架構(gòu)通過有線通訊方式,能夠提供穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)接入。但是在實(shí)際開發(fā)統(tǒng)一集成接口過程中,由于設(shè)備與設(shè)備間異構(gòu)、兼容性較差,造成開發(fā)成本過高,而且開發(fā)好的集成接口,由于數(shù)量有限,設(shè)備接入數(shù)量與范圍等方面也存在局限性[3,9]。
分布式架構(gòu)常見于各類傳感器網(wǎng)絡(luò)中[3],通過把眾多設(shè)備抽象為節(jié)點(diǎn),并以自組網(wǎng)的形式,設(shè)計(jì)出星形、環(huán)形等形狀的分布式網(wǎng)絡(luò),再將各節(jié)點(diǎn)通過不同的路由轉(zhuǎn)換策略進(jìn)行整合通訊[10]。相較于接入設(shè)備受限的集中式架構(gòu),分布式架構(gòu)以設(shè)備虛擬為節(jié)點(diǎn),接入數(shù)量存在明顯優(yōu)勢(shì)。而且節(jié)點(diǎn)開發(fā)成本低廉,使得接入范圍更廣,能夠滿足更多設(shè)備的接入需要。但分布式節(jié)點(diǎn)以小型、輕便設(shè)備為主,并網(wǎng)方式以無線方式為主,因而在通訊可靠性上存在明顯不足,易受到環(huán)境干擾造成通訊質(zhì)量不佳,甚至中斷的不良影響。因而,文中將結(jié)合集中式和分布式架構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際車間需求的混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[11-16]。
表2 REST架構(gòu)、集中式架構(gòu)、分布式架構(gòu)比較
綜合分析比對(duì)REST 架構(gòu)、集中式架構(gòu)與分布式架構(gòu)發(fā)現(xiàn),REST 架構(gòu)主要面向軟件系統(tǒng)開發(fā),不適合船舶制造車間大型設(shè)備簡(jiǎn)單化的模型設(shè)計(jì)。集中式架構(gòu)僅是面向終端設(shè)備,比如便攜式終端,是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要架構(gòu)方案,而船舶車間不僅擁有終端設(shè)備,還有前端設(shè)備、中高端設(shè)備,設(shè)備接入有限,不適合做整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。分布式架構(gòu)和集中式架構(gòu)一樣,存在對(duì)象單一的問題??梢詫⒓惺郊軜?gòu)與分布式架構(gòu)整合在一起,構(gòu)成混合式架構(gòu),更適合面向復(fù)雜系統(tǒng)整體的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[17-18]。
基于“工信部——外高橋船舶制造過程的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究”項(xiàng)目,設(shè)計(jì)船舶分段制造車間物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與立體分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。
3.1.1 數(shù)據(jù)接入需求
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接入需求分為功能性需求和非功能性需求兩大類[2]。功能性需求是指設(shè)備能夠提供給實(shí)際生產(chǎn)加工活動(dòng)的自身能力與同時(shí)滿足不同用戶需求相匹配的業(yè)務(wù)能力,包括用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)信息管理等。非功能性需求作為功能需求的補(bǔ)充[7],是指設(shè)備自身穩(wěn)定性、可靠性、靈活性、兼容性等性能,并且支持系統(tǒng)整體穩(wěn)定運(yùn)行的能力。根據(jù)外高橋船舶分段制造過程物聯(lián)網(wǎng)接入需求,結(jié)合工藝過程、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理等視角,給出需要通過物聯(lián)網(wǎng)采集的功能性數(shù)據(jù)需求,如圖1 所示。
圖1 船舶制造過程中的功能性數(shù)據(jù)需求
圖1 給出了船舶制造過程從生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)材料、生產(chǎn)設(shè)備3 個(gè)方面的功能性數(shù)據(jù)需求。數(shù)據(jù)作為接入物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),通過不同方式獲取到的數(shù)據(jù)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心內(nèi)容,也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)制造過程中數(shù)據(jù)交互的重要組成部分。因此給出生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)需求,是構(gòu)建車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的第一步。
3.1.2 接入設(shè)備及其接入方式
由于船舶制造車間生產(chǎn)設(shè)備眾多,支撐的網(wǎng)絡(luò)形式迥異,因此數(shù)據(jù)類型也不盡相同。根據(jù)圖1 所示的數(shù)據(jù)需求,選擇能夠采集到這些數(shù)據(jù)的設(shè)備以及設(shè)備所連接的網(wǎng)絡(luò)形式,關(guān)系到是否能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、查看的目的。
根據(jù)車間實(shí)際環(huán)境和數(shù)據(jù)種類,采用不同的接入設(shè)備搭配不同的接入方式:比如生產(chǎn)工藝的焊接精度、焊接品質(zhì)是可以通過人工的方式,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、評(píng)價(jià),就可以獲取數(shù)據(jù)信息;而生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)能則需要設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后,通過設(shè)備的重力傳感器來判斷這段時(shí)間重力改變的次數(shù),因此在采集產(chǎn)能數(shù)據(jù)時(shí),需要將重力傳感器接入PC 端,通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù),以便工作人員實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息。
3.2.1 生產(chǎn)車間現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)分析
因生產(chǎn)車間擁有眾多加工設(shè)備,而且每一臺(tái)設(shè)備由于生產(chǎn)廠商不同,所支持的網(wǎng)絡(luò)形式也存在差異。車間當(dāng)前存在3 種主要網(wǎng)絡(luò)形式,分別是無線傳感網(wǎng)絡(luò)、多業(yè)務(wù)高帶寬網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò),又稱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN),主要包括4G、WiFi、ZigBee、WiMAX等網(wǎng)絡(luò)形式。多業(yè)務(wù)高帶寬網(wǎng)絡(luò)(Multi-service High-bandwidth Network,MHN)包括有線(比如工業(yè)PON、工業(yè)以太網(wǎng)、電力載波通訊PLC 等)和無線(比如WiFi、4G、WiMAX 等)兩類網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(CNC Equipment Network,CNC-EN)包括串行總線(Universal Serial Bus,USB)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(Industrial Field Bus,IFB)、工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet,IE)、PLC 等通訊網(wǎng)絡(luò)。
圖2 給出了車間當(dāng)前主要3 種網(wǎng)絡(luò)形式WSN、MHN、CNC-EN 的區(qū)別與聯(lián)系??梢钥闯?,WSN 包含MHN 的WiMAX 網(wǎng)絡(luò),MHN 與CNC-EN 共同支持PLC、IE 網(wǎng)絡(luò),但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間沒有共性網(wǎng)絡(luò),彼此間網(wǎng)絡(luò)形式是獨(dú)立的。
圖2 WSN、MHN、CEN 3種網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖
3.2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)2.2 節(jié)集中式架構(gòu)與2.3 節(jié)分布式架構(gòu),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)車間設(shè)備資源分布,搭建如圖3 所示的混合式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(IoT Hybrid Network Architecture,IOT-HNA)。將整個(gè)生產(chǎn)車間劃分為兩個(gè)子部分,如圖4 所示。左半?yún)^(qū)域,主要用來存放按照切割標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)好的待用鋼板,這部分區(qū)域大型設(shè)備很少,留有儲(chǔ)備加工原料的場(chǎng)地,適合利用無線技術(shù)、傳感器技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。右半?yún)^(qū)域,主要將切割好的鋼板按照生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行拼裝、焊接等制造工藝,這部分區(qū)域大型設(shè)備眾多,運(yùn)行交織復(fù)雜,生產(chǎn)加工環(huán)境相對(duì)惡劣,同時(shí)重型加工設(shè)備對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊造成較強(qiáng)干擾,因此,這部分區(qū)域,使用多業(yè)務(wù)高帶寬網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)兼并的通訊組網(wǎng)方式,滿足這部分區(qū)域設(shè)備既能精準(zhǔn)加工,又能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的需要。
圖3 混合式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
圖4 車間現(xiàn)場(chǎng)平面左、右部分分布圖
圖3 是在圖4 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而來的。將圖4 分段制造組立車間分為左、右兩部分,左邊部分設(shè)計(jì)了如圖3 所示的核心模塊左半邊的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),由于該區(qū)域大型設(shè)備較少,因此可以使用車間設(shè)備屏蔽效果較弱的無線網(wǎng)絡(luò)形式;而右邊部分大型生產(chǎn)設(shè)備眾多且異構(gòu),會(huì)對(duì)無線信號(hào)的產(chǎn)生與接收造成較強(qiáng)的屏蔽效果,因此,在這部分應(yīng)用統(tǒng)一的集成接口轉(zhuǎn)換器,使用穩(wěn)定性較好的光纖網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)時(shí)采集與查看生產(chǎn)制造過程的數(shù)據(jù)。
3.2.3 整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接的形式。主要有星形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)洹湫瓮負(fù)洹⒖偩€型拓?fù)涞? 種形式,其中由總線型、星形和環(huán)形這3 種基本形式混合起來運(yùn)用的稱為混合型結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖4 制造車間布局圖,文中基于星形、環(huán)形和總線型,設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)整體混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖5 所示。
圖5 是在圖3 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而來的。將圖3 中大型設(shè)備細(xì)化,得到包括六大工位在內(nèi)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)形式的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。核心交換機(jī)的左邊,將各種便攜式設(shè)備連入路由器,實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫,使用便攜式設(shè)備的訪問記錄,同時(shí)也保存在數(shù)據(jù)庫中,方便實(shí)時(shí)查看與監(jiān)控。右邊則將企業(yè)ERP 連入API 統(tǒng)一接口中,實(shí)現(xiàn)ERP 獲取各工位實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息,方便工作人員、管理者隨時(shí)監(jiān)控查看。
圖5 船舶制造車間物聯(lián)網(wǎng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)船舶制造分段車間整體立體分層架構(gòu),基于物聯(lián)網(wǎng)USN 體系架構(gòu),結(jié)合RFID 技術(shù)、GPS 技術(shù)、條碼技術(shù)、Socket 服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合車間實(shí)際情況,確定采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì)方案,分為數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)配置層、網(wǎng)絡(luò)處理層和實(shí)際應(yīng)用層。整體分層架構(gòu)方案如圖6 所示。
圖6 整體分層架構(gòu)方案
圖6 是基于USN 體系拓展而來的四層架構(gòu)方案。最低層是數(shù)據(jù)感知層,包含RFID 技術(shù)、GPS、EPC技術(shù)、條碼技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)、傳感器等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)人員分布、設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取。接入大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,連入支持自身設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)配置層,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行上傳與接收,再通過網(wǎng)絡(luò)處理層對(duì)虛擬的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分類,最后傳到應(yīng)用層的各個(gè)終端、企業(yè)ERP,即實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在整個(gè)車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
文中重點(diǎn)設(shè)計(jì)了USN 體系及混合式架構(gòu)在實(shí)際船舶制造車間的應(yīng)用。首先,對(duì)現(xiàn)有常用的物聯(lián)網(wǎng)體系與架構(gòu)進(jìn)行了比較分析,得到USN 體系比SWE體系、RFID 標(biāo)準(zhǔn)更為廣泛、清晰的應(yīng)用領(lǐng)域,也是目前物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)最常用的體系。其次,對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析,提出應(yīng)用集中式與分布式相結(jié)合的混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),同時(shí)深入船舶制造車間,設(shè)計(jì)適合車間現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)分布的混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然后,根據(jù)USN 體系感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層,分別介紹了數(shù)據(jù)信息需求、現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)配置分析及內(nèi)在關(guān)系。最后,設(shè)計(jì)了整體車間網(wǎng)絡(luò)立體架構(gòu)方案,同時(shí)對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行了說明。所設(shè)計(jì)的USN 體系分層方案與混合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),能夠很好地滿足船舶制造車間對(duì)船舶制造過程智能化、信息化、數(shù)字化的需求,同時(shí)在不改變車間現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案也易實(shí)現(xiàn)。