傅磊，曲曉峰

（哈電發(fā)電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著智能制造在制造領(lǐng)域的快速發(fā)展和深入應用，信息物理系統(tǒng)（Cyber-physical System，CPS）作為智能制造體系建設的核心[1-2]，受到了日益廣泛的關(guān)注，眾多學者對基于CPS的企業(yè)智能制造體系建設，以及智能工廠和智能車間的智能制造應用進行了廣泛深入的研究。文獻[3]針對制造業(yè)智能制造體系建設，給出信息物理系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)。文獻[4]針對智能制造功能架構(gòu)設計問題，以企業(yè)信息化系統(tǒng)為主線，給出基于CPS的功能架構(gòu)設計方法。文獻[5]針對智能工廠的異構(gòu)通信技術(shù)應用現(xiàn)狀，給出了基于CPS的實現(xiàn)技術(shù)研究。此外，眾多學者還針對制造單元監(jiān)測、管控和機床智能監(jiān)控進行了基于CPS的系統(tǒng)設計及實現(xiàn)研究[6-9]。

互聯(lián)互通是開展智能制造的重要基礎(chǔ)，通過設備互聯(lián)和信息互通實現(xiàn)數(shù)據(jù)的閉環(huán)自動流動是智能制造的本質(zhì)要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以互聯(lián)互通為基本原則，為企業(yè)設備互聯(lián)提供了有力的解決方案，將物聯(lián)網(wǎng)應用到工廠/車間的設備互聯(lián)得到了普遍認可。例如，針對工廠智能制造和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體規(guī)劃設計和實施研究[10]，針對離散制造行業(yè)車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[11-12]，利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)車間監(jiān)測、控制，以及故障預警的研究[13-14]，此外，更多的研究集中在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)采集和管理方面[15-19]。

基于上述研究成果，本文從智能制造系統(tǒng)本質(zhì)要求的角度出發(fā)，基于CPS實現(xiàn)原理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)，提出了一種基于CPS的車間設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，并對架構(gòu)的關(guān)鍵實施技術(shù)進行了研究，旨在為智能車間設備互聯(lián)提供一種可借鑒的參考解決方案。

1 系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

1）物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)[20]。

物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)如圖1所示，由感知及控制層、網(wǎng)絡層，平臺服務層及應用層構(gòu)成。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)

感知及控制層通過物聯(lián)網(wǎng)終端獲取環(huán)境、設備、系統(tǒng)、過程的狀態(tài)信息，經(jīng)處理后通過網(wǎng)絡層向外傳輸；同時也通過網(wǎng)絡層接收執(zhí)行指令，傳遞給控制系統(tǒng)以實現(xiàn)設備、系統(tǒng)、過程的控制。典型的物聯(lián)網(wǎng)終端包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、計量器等，例如二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等。

網(wǎng)絡層由各種通信網(wǎng)絡構(gòu)成，例如各種廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動通信網(wǎng)及網(wǎng)關(guān)設備等，用于信息、數(shù)據(jù)、指令在感知及控制層、平臺服務層和應用層之間的傳輸，此外還包括網(wǎng)絡管理、云計算、專家系統(tǒng)、信息中心等信息和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

平臺服務層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)平臺，是物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端和企業(yè)資產(chǎn)的管控和運營，而且實現(xiàn)與感知及控制層的連接以及為應用層提供開發(fā)和應用接口，并通過平臺設備、平臺系統(tǒng)、相關(guān)業(yè)務及管理為產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)行業(yè)提供數(shù)據(jù)路由、處理、挖掘、仿真優(yōu)化，以及業(yè)務應用開發(fā)和設備維護等服務。

應用層是根據(jù)業(yè)務需求，在平臺服務層基礎(chǔ)上建立的物聯(lián)網(wǎng)應用集合，提供企業(yè)內(nèi)部和相關(guān)上下游企業(yè)的業(yè)務應用、業(yè)務管理、業(yè)務服務及內(nèi)容服務等。應用服務層是實現(xiàn)企業(yè)智能化應用的解決方案集合，用以實現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)技術(shù)的深度融合以及行業(yè)智能化。

2）信息物理系統(tǒng)原理[1-2]。

CPS是由信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)及相關(guān)組件構(gòu)成的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行的數(shù)據(jù)自動流動閉環(huán)系統(tǒng)。CPS包含單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)級3個層次。

單元級CPS結(jié)構(gòu)如圖2所示，是由信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器、期望目標、初始配置、關(guān)聯(lián)資源構(gòu)成的最小閉環(huán)系統(tǒng)。信息系統(tǒng)包含物理系統(tǒng)的信息模型以及滿足物理系統(tǒng)感知或控制需求的功能描述模型，其中信息模型是物理系統(tǒng)的特征描述模型，例如幾何特征、物理特征、行為特征、規(guī)則特征等。期望目標是物理系統(tǒng)的期望響應，初始配置用于信息系統(tǒng)初始化，關(guān)聯(lián)資源是信息系統(tǒng)維持運行所需內(nèi)外部資源，傳感器用于感知物理系統(tǒng)狀態(tài)，執(zhí)行器用于控制物理系統(tǒng)行為。信息系統(tǒng)根據(jù)期望目標進行初始配置，調(diào)取關(guān)聯(lián)資源后，通過對物理系統(tǒng)的感知，分析物理系統(tǒng)的狀態(tài)，將控制或決策指令傳遞給物理系統(tǒng)，使物理系統(tǒng)產(chǎn)生期望的響應。

圖2 單元級CPS結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)級CPS由單元級CPS通過CPS網(wǎng)絡互聯(lián)構(gòu)成，每個單元級CPS可獨立完成系統(tǒng)的特定目標任務，多個單元級CPS可共同完成整個系統(tǒng)的目標任務。系統(tǒng)級CPS實現(xiàn)多個單元級CPS的協(xié)同運行，以及更廣范圍的閉環(huán)運行和數(shù)據(jù)的自動流動。

系統(tǒng)之系統(tǒng)級CPS由多個系統(tǒng)級CPS、CPS網(wǎng)絡及CPS智能服務平臺構(gòu)成，每個系統(tǒng)級CPS可獨立完成特定目標任務，多個系統(tǒng)級CPS可通過協(xié)同方式共同完成系統(tǒng)的目標任務。 CPS智能服務平臺保證系統(tǒng)級CPS的調(diào)度和協(xié)同工作，對多個系統(tǒng)級CPS進行統(tǒng)一監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、集中管理和監(jiān)督控制，實現(xiàn)比系統(tǒng)級CPS范圍更廣的資源配置優(yōu)化以及數(shù)據(jù)自動流動。系統(tǒng)之系統(tǒng)級CPS實現(xiàn)跨系統(tǒng)的互聯(lián)互通，為全局范圍內(nèi)同構(gòu)或異構(gòu)系統(tǒng)集成提供了解決途徑。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于CPS原理和物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的車間設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示，包括終端層、CPS信息系統(tǒng)層、CPS智能服務層等3個層次。依據(jù)制造企業(yè)生產(chǎn)要素的劃分方法，將車間終端層對象分為3類，第一類由人員、物料、工裝和相應的管控系統(tǒng)構(gòu)成，第二類由生產(chǎn)設備和對應的管控系統(tǒng)構(gòu)成，第三類由環(huán)境感知裝置和對應的管控系統(tǒng)構(gòu)成。3類終端層對象分別和對應的CPS信息系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)級CPS，每個系統(tǒng)級CPS均可根據(jù)功能需求包含多個單元級CPS。CPS信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)通過車間工業(yè)通信網(wǎng)絡互聯(lián)，不同的物理系統(tǒng)可以采用相同或不同的網(wǎng)絡通信技術(shù)。CPS信息系統(tǒng)層由車間所有系統(tǒng)級CPS的信息系統(tǒng)構(gòu)成，CPS信息系統(tǒng)由感知接口、執(zhí)行接口、采集接口、控制接口和CPS信息模型構(gòu)成，其中感知接口用于接收物理系統(tǒng)傳遞的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，執(zhí)行接口用于向物理系統(tǒng)下發(fā)指令，改變物理系統(tǒng)的狀態(tài)，采集接口用于向CPS智能服務平臺傳遞終端層的采集信息和數(shù)據(jù)，控制接口用于接收CPS智能服務平臺下發(fā)的指令。CPS信息模型包含了滿足感知、執(zhí)行、采集、控制功能的模型，以及終端層對象的內(nèi)部狀態(tài)描述模型。CPS智能服務平臺通過對3個信息子系統(tǒng)的監(jiān)控，實現(xiàn)在車間生產(chǎn)、管理、運行過程中對終端層對象的狀態(tài)監(jiān)測、集中管理，以及控制和調(diào)度。CPS智能服務平臺由數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)管理層、服務層和應用層構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)接入層用于信息和數(shù)據(jù)的收集、解析、處理。數(shù)據(jù)管理層用于信息和數(shù)據(jù)的清洗、融合、存儲。服務層提供車間生產(chǎn)和管理業(yè)務服務以及業(yè)務服務配置和服務資源管理。應用層用于提供車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、輔助決策、控制調(diào)度等企業(yè)應用。CPS智能服務層和CPS信息系統(tǒng)層以及終端層共同構(gòu)成系統(tǒng)之系統(tǒng)級CPS。

圖3 車間設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過車間設備物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，使車間的人員、物料、工裝、設備、環(huán)境的信息和數(shù)據(jù)通過對應的管控系統(tǒng)獲得，利用車間各種類型的工業(yè)通信網(wǎng)絡，經(jīng)過對應的CPS信息系統(tǒng)感知接口上傳到CPS信息子系統(tǒng)，CPS信息子系統(tǒng)根據(jù)功能需求，通過CPS信息模型處理上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)CPS智能服務平臺的采集需求，利用采集接口經(jīng)過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入CPS智能服務平臺，CPS智能服務平臺對上傳數(shù)據(jù)采集、匯聚、解析、清洗、融合、存儲后，根據(jù)不同的業(yè)務服務需求提供所需數(shù)據(jù)，應用層基于不同的應用目標，利用業(yè)務服務的分析、計算、處理、控制、決策等結(jié)果實現(xiàn)相應的企業(yè)應用功能。對需要進行決策控制干預的生產(chǎn)和管理活動，由CPS智能服務平臺將指令信息分發(fā)到對應的CPS信息子系統(tǒng)，CPS信息子系統(tǒng)通過控制接口接收下傳信息、指令、數(shù)據(jù)，根據(jù)功能需求經(jīng)過CPS信息模型處理后經(jīng)由執(zhí)行接口傳遞到終端層對象管控系統(tǒng)，由管控系統(tǒng)實現(xiàn)對終端層對象的狀態(tài)更新和控制調(diào)度。經(jīng)過以上數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程，實現(xiàn)車間設備物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)的閉環(huán)自動流動。

3 系統(tǒng)實施技術(shù)

車間設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖4所示，人員、物料、工裝、設備、環(huán)境等物聯(lián)網(wǎng)終端與管控系統(tǒng)的典型通信方式包括如RS232、RS485、Modbus、Profibus、Modbus TCP、Profinet、WiredWireless Ethernet、WSN、Zigbee、RFID、OPC等。管控系統(tǒng)與CPS信息系統(tǒng)的感知和執(zhí)行接口通信方式由管控系統(tǒng)自身與外部通信方式確定。各CPS信息系統(tǒng)通過基于MQTT通信的采集和控制接口實現(xiàn)與CPS智能服務平臺接入層的通信，分別負責CPS信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和決策指令接收任務，CPS智能服務平臺接入層通過MQTT通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)發(fā)送接口，分別負責終端數(shù)據(jù)的接入和決策指令的下發(fā)任務。MQTT是構(gòu)建在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)之上的輕量級通信協(xié)議，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，MQTT成為物聯(lián)網(wǎng)應用最主要的通信協(xié)議，其原因在于MQTT開發(fā)過程簡單，通信過程占用帶寬資源較少，同時能夠在物聯(lián)網(wǎng)終端之間提供可靠、實時的消息傳輸服務。MQTT協(xié)議采用客戶端/服務器模式，客戶端既可以是消息發(fā)布者也可以是消息訂閱者，MQTT代理服務器作為消息接收和轉(zhuǎn)發(fā)的代理。客戶端和服務器端也可以同時是發(fā)布者和訂閱者，通過這種機制實現(xiàn)了一對多、多對一及一對一等通信方式。靈活的通信方式使得MQTT 滿足信息和數(shù)據(jù)閉環(huán)要求，成為車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的首選通信方式[21-24]。

圖4 車間設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

CPS 智能服務平臺數(shù)據(jù)管理層負責物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的清洗、融合、存儲。通常采用主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如Mysql、MongoDB、Hbase等。Mysql數(shù)據(jù)庫適用于存儲關(guān)系型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有復雜查詢需求。MongoDB數(shù)據(jù)庫適用于存儲非關(guān)系型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)查詢具有高速、實時性需求。HBase數(shù)據(jù)庫適用于存儲歷史數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。其優(yōu)點是能夠存儲海量數(shù)據(jù)，同時有利于海量數(shù)據(jù)查詢分析，并且Hadoop架構(gòu)具備豐富的數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)倉庫等組件或軟件支持，特別適用于數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析應用。在數(shù)據(jù)管理層設計過程中，可以依據(jù)數(shù)據(jù)不同特征和需求選擇使用一種或多種數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[25-28]。

CPS智能服務平臺服務層包含車間要素和業(yè)務管理服務、平臺資源管理服務，同時具有服務管理和配置功能。當前服務層主流實現(xiàn)技術(shù)是微服務架構(gòu)，例如基于Docker的微服務架構(gòu)等。對于車間設備物聯(lián)網(wǎng)來講，CPS智能服務平臺包含了車間眾多要素和相關(guān)業(yè)務服務的管理、綜合、協(xié)調(diào)和調(diào)度，可看作是眾多單元級或系統(tǒng)級CPS的信息系統(tǒng)構(gòu)成的大系統(tǒng)，通過微服務架構(gòu)設計模式可以將其分解為多個能夠獨立運行的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)可以獨立完成某項任務，也可以通過協(xié)調(diào)共同完成某項任務，各個子系統(tǒng)之間以及外部與系統(tǒng)之間可以通過REST API進行數(shù)據(jù)交互，不同子系統(tǒng)可以根據(jù)不同的業(yè)務需求采用不同的設計方案，系統(tǒng)不會特別依賴某一固定架構(gòu)或者某一編程語言，各子系統(tǒng)微服務升級或改動時，不會對系統(tǒng)整體規(guī)劃產(chǎn)生過多影響，當需要增加或減少子系統(tǒng)時，可以獨立編譯部署，不會影響到其他子系統(tǒng)，從而降低技術(shù)風險，提高實施效率，縮短實施周期[29-30]。

CPS智能服務平臺應用層提供車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測、管理、分析、診斷、預警、配置、調(diào)度、控制的交互功能，通常采用基于WEB 的可視化技術(shù)，WEB可視化開發(fā)和應用的主流技術(shù)框架包括AngularJS、React和Vue等3種。其中AngularJS適用于MVC架構(gòu)的WEB應用，能夠開發(fā)動態(tài)WEB應用程序，其優(yōu)點是零配置和深度整合設計模式。React適用于構(gòu)建數(shù)據(jù)會隨時間而變化的大型應用程序，開發(fā)過程簡單，界面簡潔清晰，可以隨數(shù)據(jù)變化高效地更新渲染界面。Vue適用于開發(fā)單頁面應用程序，還可以作為WEB應用框架，簡化WEB開發(fā)。同時Vue提供數(shù)據(jù)綁定和組件系統(tǒng)，具有簡單靈活的應用程序接口。在應用層構(gòu)建過程中，可以根據(jù)具體的業(yè)務特征選擇相對適合的技術(shù)框架。

4 結(jié)語

企業(yè)智能制造的發(fā)展是各個行業(yè)先進制造技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動通信、信息物理系統(tǒng)等計算、通信、控制、信息技術(shù)將不斷推動智能制造向縱深發(fā)展?；贑PS的車間設備物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將信息物理系統(tǒng)原理和物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有機融合，實現(xiàn)智能車間的設備互聯(lián)，以及數(shù)據(jù)的感知、分析、決策、執(zhí)行的閉環(huán)自動流動，體現(xiàn)了智能制造的本質(zhì)要求，為制造企業(yè)開展智能制造，建立設備互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)互聯(lián)互通提供了一種可供參考的解決方案。