生产过程制造物联关键事件主动感知实现技术及方法

陈伟兴，李少波,2

CHEN Wei-xing1 , LI Shao-bo1,2

（1.贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

0 引言

随着自动识别、嵌入式、传感器及网络等电子信息技术与制造技术的融合发展，嵌入式系统、RFID和传感网等物联技术在制造领域不断渗透，实现了对产品制造与服务过程中制造资源与信息资源的动态感知、智能处理与优化控制，促进了制造业向信息密集的智能化方向发展，以全面感知、异构集成、按需架构、自适应和互操作为技术特征的新型智能制造模式——制造物联（IOMT）应运而生[1,2]。

面对产品制造过程管控能力增强的需求，制造物联信息综合感知、智能处理等难题亟待解决。国内外制造物联技术绝大部分侧重于感知识别，主要研究特定一类制造信息的感知实现，较少涉及生产过程关键监控事件的感知方法以及处理等问题。制造物联模式下，由于生产过程多源原始数据与监控环节之间缺乏映射关系和高效聚合模型，使得关键生产监控环节信息难以被实时精准感知，为实现生产过程的动态监控及优化控制，生产过程关键监控环节信息感知的研究成了制造企业信息化转型升级攻关的重点。

1 关键事件的定义及描述

1.1 关键事件的定义

以特色食品——油制辣椒生产为例，确定制造物联关键事件包括：员工/物料的状态信息、设备工况、在制品质量信息、生产计划执行情况、生产环境信息等。

图1 多层次事件数据模型

定义1：原始事件为RFID设备、传感器、数字化生产设备等采集到的数据信息，主要包含事件的主体和内容。

定义2：关键事件指原始事件或多层次事件经过规则运算形成的新的具有意义的事件。

在多层次事件关系描述方面，关键事件的描述主要采用操作符，包括时序操作符、层次关系操作符、逻辑操作符和运算操作符等[3]。

1.2 制造信息XML描述

为了有效描述生产过程多层次事件关系，进行关系型以及XML结构数据的交换，建立基于XML的面向生产过程关键事件的描述语言，实现多层次事件XML统一描述。

面向生产过程的关键事件感知数据模型如图1所示，原始事件与关键事件之间的映射通过描述模板实现。

[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 制造物联关键事件主动感知技术实现

2.1 关键事件主动感知实现阶段及模型

基于事件驱动的生产过程制造物联关键事件主动感知主要包括：多源信息的采集及传输、多源异构信息的同构化处理、多层次事件关联模型建立及关系解析、事件关联匹配及操作运算、感知结果的推送和访问等五个阶段，如图2所示。关键事件的主动感知模型如图3所示，由感知的实时制造资源信息结合多层次事件关联模型进行匹配与运算，得出关键事件。

图2 制造物联关键事件主动感知实现阶段

2.2 关键事件主动感知技术架构

基于信息驱动的生产过程关键事件主动感知模型的构想，提出了如图4所示的关键事件主动感知技术架构，包括数据采集、数据传输、数据刻划、数据整合、数据集成和数据应用等六个部分。

图3 制造物联关键事件主动感知模型

图4 制造物联关键事件主动感知技术架构

数据采集层主要面向异构传感设备组成的传感器群，进行多源制造信息的采集及异构传感器的管理。通过无线网、互联网、工业局域网、射频、蓝牙、红外等传输采集的信息，实现多源制造信息的实时传输。数据刻划层通过传感设备注册管理及数据的同构化、标准化，为实现各类传感器在异构通讯网络下主动感知和传输制造信息提供服务。数据整合层在获取制造数据的基础上，进行生产过程各多源信息的关系定义、关联运算及增值处理，提供生产执行过程监控与决策优化利用的关键事件信息。数据集成层主要针对感知事件的性质及用途，分类进行生产过程事件的汇集和存储，以利于提供高效的数据调用服务。基于面向生产过程不同环节的需求，数据应用层调用或访问制造企业不同系统存储的感知信息。

3 基于物联网技术的关键事件主动感知实现方法

以离散型生产过程关键事件的感知与标准化传输为目标，建立具有自组织功能的多跳异构传感网，对生产过程异构传感器进行集中管理及动态数据的协同采集，并进行感知系统的模块设计，采用ZigBee技术进行短距离无线通讯；根据传感器类型和数据描述模板定义传感器信息，进行异构信息的标准化加工处理，并采用ISA95标准封装数据；结合业务逻辑与规则算法，基于XML模板对感知事件进行匹配运算得出关键事件；通过Web Service技术传输感知的关键事件。

多跳异构无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式技术、Web Service技术等，主要采集制造环境数据、员工/物料状态信息、设备工况、生产任务执行情况等，通过嵌入式系统进行感知数据的分析和处理并经通讯网络传输至第三方系统。

3.1 传感网络优化配置及感知系统设计

3.1.1 传感网络的优化配置

以多源制造信息的采集量、采集精度、感知范围作为约束，确定传感网络中相应传感器的最小硬件成本为目标函数，如公式(1)所示。通过遗传算法求解传感网优化配置的数学模型，得出最优传感器个数。

其中ASi表示第i个主动传感器，PSij表示第i个主动传感器配备的第j个附属传感配件，n代表传感网中对于采集k个信息所需的主动传感器数量总数[4]。

3.1.2 感知系统设计

制造信息感知装置为集成了网络化I/O控制、多源异构数据采集、业务逻辑分析与规则算法处理、数据存储及网络传输功能为一体的嵌入式智能设备，用于集中管理异构传感器群和感知采集的信息。

感知系统的组织结构设计如图5所示，底层节点与传感设备直接接触，进行制造信息的实时采集，采用嵌入式处理机进行异构传感器的即插即用运行服务，实现对传感器获取数据的实时感知和事件的驱动；中间节点模块提供底层节点采集信息的融合与实时传输服务，同时下达上层生产管理决策信息到相应执行节点；系统集成层汇聚了所有感知的信息，可采用工控机提供系统的决策支持功能。同时，建立便于用户获取信息及开发的统一接口及进行传感器信息的统一描述。感知系统节点进行采集的信息与数据流之间的有效转换。底层节点硬件包含了传感器信号的有效转换及调理电路、通讯总线接口、存储器、微处理器等。中间节点集成了数据融合、逻辑运算等功能，实现数据到信息或事件的过渡，满足制造企业系统的应用要求[5]。

图5 感知系统组织结构

中间节点的输入表示事件的发生，输出表示经过规则运算产生的新事件，在底层节点感知事件产生时会激活中间节点的处理程序进行相关的数据处理或控制。

感知系统集成的功能模块主要包括异构传感器的即插即用、设备工况监测、多源异构信息加工处理及标准化、多层次事件的匹配运算及封装、关键事件的推送和访问等。

3.2 数据加工处理及标准化封装

3.2.1 数据格式及分类

根据数据的特性、结构及格式不同，分类进行感知数据的描述及存储。感知数据的格式与分类如表1所示。将采集的实时制造信息划分为动态数据，以XML文档进行存储，其数据结构以半结构化和非结构化为主；静态数据指感知对象的基本信息，以关系型数据库进行存储[6]。

3.2.2 数据处理及封装

为解决异构数据的一致性和实时调用问题，进行XML—关系型数据交换，提取关系型数据库的数据并利用XML文档进行存储。

将传感设备感知的数据以{Si,t,D}格式表示，其中Si为传感器编号，t为数据感知的时刻，D为感知的动态数据。首先将RFID或条形码传感器采集的数据应用公式(2)处理，再采用ISA95和B2MML标准进行封装[4]；感知的静态数据首先通过XML—关系型数据交换再进行标准化封装。

感知数据处理与标准化封装流程如图6所示。

图6 数据处理与封装流程

3.3 事件的关联分析及匹配运算

根据生产过程中多层次事件之间的关联逻辑，选择数据描述多样化、支持递归处理层次事件的XML语言进行多源制造信息的关系定义及模板描述。运用数据挖掘关联算法对预处理的原始事件或多层次事件数据集进行基于统计的数据关联运算，从而生成匹配模板。

表1 感知数据的格式与结构

以Esper（事件流处理引擎）的实现原理为基础，分析事件流与事件关系的处理思路。结合生产过程关键事件的特点和事件模板的构成特点，改进Esper中的算法表现，实现基于模板的生产过程多层次事件处理运算，然后导出关联结果并进行增值处理得到关键事件。

3.4 关键事件的传送及应用

制造企业数据应用方面，主要借助Web Service技术通过主动推送和远程访问两种形式获取感知的事件[4]。

主动推送工作逻辑如图7所示，应用系统首先进行地址注册和服务绑定，当新事件发生时，触发主动推送服务，通过Wi-Fi、TCP/IP等将标准化关键事件向应用系统推送。

图7 关键事件按主动推送服务

远程访问工作逻辑如图8所示，应用系统首先进行地址注册和服务绑定，远程访问服务每隔设置获取多源实时信息的时间t自动获取实时感知的标准化的关键事件信息并发送至应用系统。

4 结束语

图8 关键事件远程访问服务

制造业自动化、集成化、协同化、信息化、服务化的发展趋势，对制造物联技术在制造业中的应用提出了要求。制造物联为生产过程的多源异构信息采集、制造执行过程的动态监控及优化控制提供了新的实现模式。本文从制造系统数字化、网络化、智能化发展对制造资源物联感知需求的角度，构建了制造企业物联生产过程关键事件主动感知的技术框架，并提出了基于物联网技术的生产过程关键事件主动感知实现方法，为精确生产和制造系统智能决策与优化提供重要支撑，以利于有效实现企业生产制造过程系统的动态监控。

[1]姚锡凡,于淼,陈勇,项子灿.制造物联的内涵、体系结构和关键技术[J].计算机集成制造系统,2014,20(1)：1-10.

[2]侯瑞春,丁香乾,陶冶,王鲁升,井润环,李建华.制造物联及相关技术架构研究[J].计算机集成制造系统,2014,20(1)：11-20.

[3]张映锋,赵曦滨,孙树栋,王军强,司书宾.一种基于物联技术的制造执行系统实现方法与关键技术[J].计算机集成制造系统,2012,18(12)：2634-2642.

[4]张映锋,孙树栋,王军强.嵌入式多源制造信息感知装置及方方法：中国,201310100948.X[P].2013-07-17.

[5]陆晓.家居环境中的复杂信息感知方法及系统设计[D].南京：南京邮电大学,2013.

[6]彭煜.制造单元物联感知关键技术的研究与实践[D].武汉：武汉理工大学,2013.