物聯網環境下機械產品裝配過程多源信息感知與交互標準

馬永敬 劉明周 文 勃 凌 琳

1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島，2661112.合肥工業大學，合肥，230009

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物聯網環境下機械產品裝配過程多源信息感知與交互標準

馬永敬1,2劉明周2文 勃1凌 琳2

1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島，2661112.合肥工業大學，合肥，230009

在機械產品裝配過程中信息的產生具有多源異構性，裝配過程中產生的大量多源信息給信息交互帶來了很大的困難。在分析機械產品裝配過程信息通信中存在的信息交互困難和應用多源信息感知技術的基礎上，提出了一種適用于機械產品裝配過程信息的交互標準，重點闡述了該交互標準的交互形式、交互結構以及該交互標準在裝配過程中的通信過程；最后，結合該交互標準在某汽車發動機裝配過程中的應用，展現了該交互標準在實際應用中所表現出來的特點，證明了該信息交互標準具有可應用性。

物聯網；多源信息感知；交互標準；裝配過程

0 引言

隨著自動化技術、IT技術和互聯網技術的發展與結合，以太網及TCP/IP通信技術使信息交互溝通領域正在迅速覆蓋從企業工廠層到設備層的控制、管理等各個層次[1]。尤其是近年來物聯網技術[2-3]的發展以及物聯網技術在制造業中的應用，導致機械產品裝配過程中產生大量的裝配數據，大量的生產數據在裝配設備之間流動，并且機械產品裝配車間不同的設備采用不同的操作平臺，產生的數據格式也不相同，即生產信息具有多源異構性，因此，在物聯網環境下如何準確獲得機械產品裝配過程中的多源感知信息成為車間信息采集需要解決的關鍵問題。同時，數據格式的不統一也會給設備之間或設備與上層系統之間進行交互帶來很大不便，容易造成底層設備信息孤島，生產管理人員不能及時掌握現場的裝配情況。針對上述信息交互問題，需要對裝配過程中涉及的信息交互方式和交互標準進行統一考慮，從而使得裝配信息能夠很好地在裝配車間流通與交互。目前很多學者在物聯網環境下的信息感知和信息交互方面做了相關研究。胡永利等[4]總結了目前物聯網環境下的信息感知技術和信息交互技術。賀德強等[5]提出利用對等網實現信息交互，可以提高信息交互的實時性，他們還提出了基于對等網絡和移動Agent的車間層信息交互模型[6]。蔣研川等[7]研究了基于簡單對象訪問協議(simple object access protocol，SOAP)的成套電器產品網絡化定制系統的信息交互技術，包含信息內容、信息格式和信息傳輸技術三個方面。張映鋒等[8]設計了一種基于物聯技術的制造執行系統體系構架，提出了一套基于物聯技術的制造執行系統關鍵技術體系和實現框架，包括基于傳感網的制造資源物物互感技術、制造執行過程多源信息的主動感知與增值技術、制造執行過程動態優化技術、生產過程質量信息傳感/監控和全程追溯技術等。

本文在分析機械產品裝配過程車間層信息多源感知的基礎上，通過對裝配過程的信息交互環境與交互構架進行分析(即對企業的三層網絡架構進行分析，再對車間層的信息流進行分析),給出信息流流通圖，最后建立一個車間層的信息交互協議與標準，給出信息交互協議標準制定的原則、通信方式以及具體的制定方法。

1 基于物聯網技術的機械產品裝配過程多源信息感知

1.1 物聯網環境下機械產品裝配過程信息感知平臺構架

所謂信息感知就是對信息數據的一種反應，也就是對信息數據的采集。信息感知為物聯網的應用提供了數據來源，是物聯網應用的基礎，信息感知的最基本形式就是數據收集，即感知數據從感知節點匯集到匯聚節點的過程。在機械產品裝配過程中，由于裝配過程涉及的裝配信息存在多源異構、復雜的特征，如操作工、在制品和物料的狀態信息和移動信息，產品的加工裝配狀態信息，設備的運行狀態信息等，故傳統的感知信息的采集系統已經不適用于現代物聯網環境下的裝配過程。需要結合現代物聯網技術在制造業的應用，以物聯網技術為背景，建立基于物聯網的產品裝配過程多源信息感知系統。

工廠物聯網是通過各種感知技術，如傳感器、無線射頻識別(radio frequency identification ，RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集工廠中任何需要監控、連接、互動的物體或過程的聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息，構建企業局域網并與互聯網結合形成的一個巨大網絡，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理工廠中的人機料、水電氣、生產進度、工藝參數、質量、環境等各種生產要素，實現管理自動化?；谏鲜龉S物聯網的定義，本文提出了圖1所示的基于物聯網技術的信息感知平臺構架，該構架主要由感知裝配層、網絡層、信息融合層、裝配采集系統、上層應用系統和數據服務中心六部分組成。

圖1 基于物聯網技術的信息感知平臺構架

(1)感知裝配層主要面向物理制造資源層，針對要采集的多源裝配數據，通過配置各類感知單元(如RFID讀寫器、視頻設備、IC讀卡器、PDA(掌上電腦)和掃描槍等)，利用標識單元(如RFID電子芯片、二維碼、一維碼和IC卡等)和信息單元(如各類傳感器、光電開關、報警燈和信息指示燈等)，確保對多源裝配數據的可靠獲取。

(2)網絡層主要面向多源信息的傳輸網絡環境，該層定義了信息傳輸的無線和有線網絡環境，結合了現代藍牙傳輸技術和總線技術，該層結合感知裝配層實現制造資源的互聯、互感，確保了機械產品裝配過程多源信息的實時、精確和可靠的獲取與傳輸。

(3)信息融合層。在獲取裝配數據的基礎上，信息感知中間件建立事態和信息映射，特征提取則是對感知信息進行過濾與分類、信息集成以及通過信息轉換的形式，將源自異構傳感器上多源、分散的現場裝配數據轉化為可被制造執行層利用的標準制造信息提供服務。

(4)數據采集系統層主要是面向不同的裝配企業用戶，從利用裝配現場采集的多源信息實現制造執行過程的優化管理的角度，通過提供可視化管理、裝配資源實時監控、裝配在線質量監控、生產任務動態調度、物料優化配送、返修管理、設備監控管理以及其他應用服務等，實現物聯網環境下裝配過程的信息透明、過程實時感知和動態優化管理。

(5)上層應用系統主要面向企業的上層管理系統，如企業資源管理系統(enterprise resource planning，ERP)、供應鏈管理系統(supply chain management，SCM)、客戶管理系統(customer experience management，CEM)、工藝數據管理系統以及銷售服務管理系統等，通過與上層應用系統進行交互，實現裝配過程與上層系統的聯通，利于企業對整個裝配過程的透明化管理。如裝配車間通過信息感知平臺可以獲取上層系統下達的生產訂單、銷售計劃、采購計劃以及庫存等信息；反之，信息感知平臺也可以將生產訂單的執行結果、設備人員配置情況、物料消耗的情況反饋給上層應用系統來供上層系統進行決策。

(6)數據服務中心主要是從數據、信息和知識的層面為物聯網環境下信息感知平臺的運行提供隨時會用到的信息服務，主要包括制造資源信息、感知件的配置信息、企業的生產數據模型、實時數據整合、生產管理知識庫、實時的數據和信息等。

1.2 物聯網環境下機械產品裝配過程多源信息主動感知模型

隨著物聯網技術在制造業中的應用，物聯網技術實現了制造系統對資源的互聯、識別、感知以及信息傳輸、集成和共享等[9]。在機械產品裝配過程中以工位為裝配單元，根據各工位操作的不同，可將工位分為裝配對象數據初始化工位、質量數據采集工位、供應商數據采集工位以及加工完成下線工位等[10-11]。為各工位配備感知元件(如傳感器、條碼識別、無線射頻識別等信息單元)，則工位變為信息感知工位，具有感知能力的工位被稱為工位智能裝配單元，工位智能裝配單元是物聯網環境下機械產品裝配過程的核心。以工位智能裝配單元為中心建立的多源信息感知模型如圖2所示，主要包括裝配資源建模與組態、智能裝配信息感知資源、感知信息集成。 (1)裝配資源建模與組態。在物聯網環境下，對裝配資源進行分類建模，構建裝配系統的基礎信息，主要有工廠建模(如公司信息、工廠信息、裝配線信息、工位信息、設備信息、供應商信息等)、產品建模(如產品信息、零部件信息、產品物料清單(bill of material,BOM)信息、產品供應商信息等)、人員建模(如人員基本信息、人員部門信息、人員班組信息、人員設備信息、人員工位信息等)、管控單元建模(如信息單元建模、控制單元建模、標識單元建模、執行單元建模、管控處理器建模等)。在裝配資源建模基礎上，采用面向對象的組態思想，構建裝配資源組態單元，主要有響應事件組態(主要有觸發條件和響應事件，如設備報警、質量報警、按燈呼叫等)、裝配工藝組態(如工序零部件組態、工序質量規范組態、工序作業指導組態、工序產品組態等)、生產事件組態(如工序能力指數、裝配完整性校驗、質量校驗工位按燈呼叫、裝配工位故障等)、智能裝配單元組態。最后，建立裝配資源建模與組態的映射關系，為裝配過程提供基礎數據的來源。

(2)智能裝配信息感知資源。在裝配資源建模與組態的基礎上，智能裝配信息感知層以信息采集終端為核心，通過調用數據感知單元和信號感知模塊來完成裝配過程中狀態、數值等數據信息感知。其中，數據感知單元主要有RFID讀寫器、掃描槍、IC卡讀寫器、圖像識別設備等，利用電子標簽、條碼等技術完成資源信息的采集。信號感知模塊通過信息標識單元(如各種傳感器、光電開關、信號指示燈等)獲取各種資源的狀態、參數值等感知信息，并能夠按一定的規律將感知信

圖2 多源信息主動感知模型

號轉化成數字量、模擬量以及其他形式的數據輸出。通過智能裝配感知資源層可以實現裝配資源的物物互聯與感知。

(2)感知信息集成。在裝配事件組態基礎上，構建數據控制地址與裝配事件關系的映射模型，基于控制地址與信息映射組件(如KEPServerEx、Siemens等OPC(工業標準OLE for process control)組件)將感知數據接入工位智能裝配單元主感知組件，最終實現感知數據的獲取、分類及數據融合。對于獲取的實時感知數據，基于規則庫、方法庫、基礎數據和歷史庫等方法實現感知數據的增值。通過傳感網、工業以太網將增值信息存入車間數據服務中心，完成多源異構感知信息的標準接入與信息集成。

2 物聯網環境下機械產品裝配過程信息交互標準

物聯網環境下機械產品裝配過程信息交互是一個復雜的過程。因為物聯網的構成本身就復雜，再加上機械產品裝配中人、機、物復雜及具有動態不確定性，同時存在多種異質網絡，故信息的交互需要包括這些異質網絡的節點所感知的信息數據，通過傳輸、共享以及交換的方式實現交互。本文針對物聯網環境下機械產品裝配過程信息交互過程并結合上節提出的多源信息主動感知模型，提出了一種交互標準，在產品的裝配過程中，信息的傳輸和交互按照該交互標準進行交互，使得裝配過程中產生的信息更易于傳輸、共享和交互。

2.1 物聯網環境下機械產品裝配的網絡結構

在制造業物聯網環境下，隨著網絡體系結構的不斷更新，TCP/IP通信協議和現場總線技術使計算機集成制造系統(computer integrated manufacturing system,CIMS)企業各個層次[1]的信息交互變為現實，形成了三層網絡架構，如圖3所示。車間采集層處于企業網絡層的中間層，車間采集層與其他層以及車間檢測基層內部的信息交換就成了裝配過程信息管理的關鍵。從數據傳輸的方式上看，信息都是以某一信息格式流入車間采集層的數據采集設備的，車間層的采集設備對流經這里的信息進行加工處理?，F場的底層設備通過以太網和現場總線等相關協議向車間采集層的采集設備發送數據并與之進行交互，同時車間層采集設備通過TCP/IP協議與工廠的管理層進行信息交互。

圖3 基于物聯網技術的機械產品裝配過程網絡結構

2.2 機械產品裝配的信息交互標準研究

裝配現場的底層設備數量龐大，不同的設備采用的操作平臺和通信協議也不同，因此，設備產生的數據在通過車間層采集設備時要對其進行統一優化處理，上下層設備的信息交互涉及多種通信方式及協議，對其進行統一規劃，把成熟的通信協議和自己制定的信息交互標準相結合，取長補短，使整個裝配過程有序進行。物聯網環境下機械產品裝配過程的信息通信方式如下:車間層的采集設備對底層設備傳來的數據進行優化制定，通過采用統一的信息交互標準對底層設備信息進行采集處理，通過TCP/IP協議將處理信息上傳到上層應用系統后解析；上層指令通過TCP/IP協議下達到車間層采集設備，經信息標準轉化后通過以太網和現場總線下達到現場底層設備。

2.2.1 信息交互標準的制定原則

信息交互標準可以理解為是一個由特定的數據按照特定的數據格式組織的，在特定的交互系統進行傳輸的數據組織形式。因此，信息標準的制定原則如下：

(1)分區定制。根據機械產品裝配過程中設備信息的不同類型，在交互標準中進行分區交互，不同分區的數據交互互不干涉。

(2)數據格式的統一。盡量簡化設計，信息交互的雙方盡量采用統一的數據格式進行交互。

(3)數據的標識。進行數據交互時應對數據進行標識，防止相同的數據被重復訪問。

(4)可擴展性。為方便交互標準的修改和補充，要求交互標準具有可擴展性。

(5)通用性。制定的交互標準應該具有通用性，也就是交互標準應該滿足盡可能多的數據結構的交互，而不是滿足某一特定的設備信息交互。

(6)數據結構整合。在分析要進行交互信息的類型基礎上，盡量對數據進行整合，減少數據冗余，盡可能獲得想要的準確數據。

遵循以上原則，把雙方要進行交互的信息進行統一的規劃與定義，最后形成信息交互的標準。

2.2.2 信息交互標準的具體內容

在機械產品的裝配過程中是以工位為中心的，產品在裝配過程中依次流轉到各個工位，對工位進行編號，每個工位可能要監控多個點，對每個點的信息進行分類，根據每個點信息的類型劃分信息區域，將某一工位采集的數據分類提取存到對應的數據區中，每個工位的數據存儲結構定義為工位數據塊。工位數據塊存儲工位要采集的數據信息，包括工位的狀態信息、工位設備信息、工位檢測信息、工位報警信息以及工位的其他裝配信息等，其結構如圖4所示。

圖4 工位數據塊結構

在機械產品裝配過程中，產品要流轉到每個工位進行裝配，將每個產品在各個工位的工位數據塊信息連接起來形成數據流，加上產品的信息、裝配線的信息，最后加上自定義的報頭，定義為報文。報文數據表示某一產品在裝配過程中的裝配信息和裝配狀態，報文結構如圖5所示。

圖5 報文結構圖

2.2.3 信息交互標準的工作機制

本文將機械產品裝配過程信息交互標準抽象為報文結構，闡述報文在產品裝配過程中的工作機制。圖6為機械產品裝配示意圖，在產品上線時將產品信息存入報文產品信息區域，同時服務器和制造執行系統(manufacturing execution system,MES)等上層系統通過報文與上線工位進行交互。當產品流轉到下一工位時，下一工位將該工位的交互信息存入報文相應的工位數據塊

圖6 報文工作機制

信息區域，同時通過報文與服務器和上層系統進行交互，通過報文該工位還可以獲取上一工位的裝配信息來指導該工位的裝配，也可以給下一工位提供前序工位的裝配信息。

圖6中，在產品上線工位OP1010，上線工位信息采集終端從車間管理系統獲取待上線的產品信息以及裝配線的信息，并將信息寫入報文中相應的產品信息區域和線體信息區域，信息采集終端將報文中的產品信息與上層信息管理系統進行交互，跟蹤計劃的執行情況。當產品流轉到工位OP1070時，在此工位進行零部件的裝配，通過掃描槍獲取裝配的零部件信息，信息采集終端解析條碼后與報文中的產品信息進行型號匹配判斷，匹配成功后將裝配的零部件信息存入報文相應的工位數據塊信息區域和工位合格狀態區域。當產品流轉到工位OP1130時，在此工位通過報文獲取前序工位的合格狀態信息，若前序工位不合格則在此工位不進行裝配，只有前序工位合格后才能在此工位進行裝配；若在此工位有報警信息，則將報警信息寫入報文中相應的工位數據塊中的報警信息區域。當產品流轉到工位OP1180時，在此工位進行質量數據的測量，設備從報文中獲取產品的信息，根據產品信息調用相應的設備程序，當測量結束后將測量數據寫到報文工位數據塊中相應的測量數據區域，若有設備報警信息，則將報警信息寫到報文中相應的報警信息區域，最后將工位狀態信息寫入報文相應的區域。當產品流轉到工位OP1210時，此工位為返修工位，在此工位若產品要進行返修，返修結束后將產品返修數據寫入報文工位數據塊中的相應返修信息區域。在后續的工位中產生的裝配信息按照報文的格式存入報文的相應信息區域中。在裝配的每個工位，利用車間層的采集設備，根據報文的結構和工作機制編寫后臺和監控程序，運用B/S、C/S或兩者相結合的模式，在機械產品裝配過程中實現底層設備的交互和信息采集、數據的上傳及上層指令的下達等功能，并在前臺界面進行顯示。信息采集終端和上層信息管理系統都可以通過報文獲取工位的實時裝配信息，通過報文可以對裝配過程進行實時監控和可視化管理。

3 應用實例

在本文所描述的物聯網環境下的機械產品過程信息感知框架和信息交互標準的基礎上，基于Java2平臺企業版(Java2 platform enterprise edition，J2EE)構架開發了信息感知系統原型，原型通過采用本文提出的信息交互標準，并在安徽某汽車發動機裝配車間對該信息交互標準的實際應用效果進行了驗證。在發動機的裝配過程中，涉及產品的機型較多，裝配的零部件種類繁多，設備的種類和數量也較多，且不同的設備的信息交互方式也不盡相同，尤其隨著物聯網技術在發動機裝配過程中的應用，使發動機的裝配過程產生大量的裝配信息，發動機裝配過程中設備之間、設備與車間管理系統以及車間管理系統與企業上層系統之間需要進行大量的信息交互，如果沒有統一的信息交互標準，就會使發動機裝配過程信息的交互出現混亂，發動機的裝配也就不能順利進行。根據本文提出的信息交互標準制定了感知件FRID的電子芯片的數據格式和工位可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)數據塊的數據格式。在發動機的裝配過程中，當發動機流轉到每個工位時將產生的工位裝配數據和工位狀態信息以及設備信息存入RFID標簽和PLC工位數據塊中，車間采集設備的監控程序將RFID和PLC中的數據實時讀取上傳服務器或上層應用系統。上層指令通過車間采集設備下達到RFID或PLC工位數據塊中來與底層的設備進行交互。在信息集成系統中建立工位控制地址與裝配事件的映射，如設備報警與控制地址的映射、質量數據采集與控制地址的映射、物料ANDON(按燈)與控制地址的映射等，當控制地址發生跳變時引起裝配事件的觸發，數據采集管控處理器根據裝配事件的觸發獲取感知信息，并將感知信息存入相應的工位PLC數據塊相應的數據區和RFID相應工位數據區。工位智能裝配單元主程序對RFID和工位PLC數據進行解析并上傳到車間信息集成系統。信息集成系統可以對采集的感知數據進行統計、查詢和分析，滿足車間信息管理的需求。

4 結語

物聯網中信息感知和交互涉及多方面的研究內容，本文基于物聯網技術在制造業中的應用，提出了一種面向機械產品裝配過程的信息感知構架，并以工位智能裝配單元為中心建立機械產品裝配過程多源信息主動感知模型。在物聯網環境下機械產品裝配過程信息感知平臺和多源信息主動感知模型的基礎上又提出了針對機械產品裝配過程的信息交互標準，在此基礎上介紹了該標準的制定原則、信息交互標準的內容以及信息交互標準的工作機制。在實際應用中以安徽某汽車發動機裝配過程為例，在發動機裝配過程中按照該信息交互標準實現機械產品裝配過程中的信息交互，按照該信息交互標準可以對機械產品裝配過程的信息進行整合，減少了數據冗余，有利于裝配過程數據的采集和傳輸，該信息交互標準能較好地滿足機械產品裝配過程信息的交互。

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(編輯 陳 勇)

Multi-source Information Perception and Interaction Standards of Mechanical Products Assembly Process Based on Internet of Things

Ma Yongjing1,2Liu Mingzhou2Wen Bo2Ling Lin2

1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.，Qingdao,Shandong,266111 2.Hefei University of Technology,Hefei,230009

With the heterogeneity of multiple source informations in the mechanical product assembly processes, the large amounts of multi-source informations brought great difficulties to the information interaction. On the basis of analyses of the interaction difficulties that existed in the processes of information communications and the applications of the multi-source information sensing technologies in the mechanical product assembly processes, a kind of information interaction standard was put forward， which was applicable to the mechanical product assembly processes. It focused on the interaction forms, the interaction structure and the communication process of the interaction standard in the assembly processes. Finally, an interaction standard in the applications of an automobile engine assembly process showed the interaction characteristics of the standard in the practical applications, which proves that the information interaction standard has nice applicability and feasibility.

internet of things; polygenetic information perception; interaction standard; assembly process

2015-12-21

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF08B02)

TH186

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.23.010