復(fù)雜工業(yè)過程可視化監(jiān)控、分析平臺的需求分析

秦 瑩

（天津藥業(yè)集團(tuán)有限公司，天津 300000）

工業(yè)系統(tǒng)包括化學(xué)過程、制造過程、電力網(wǎng)絡(luò)、可持續(xù)能源系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人系統(tǒng)和生物制藥醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜。復(fù)雜的工業(yè)過程可視化自動生產(chǎn)程序也變得越發(fā)煩瑣，具有高度的非線性和隨機(jī)動力學(xué)特性。同時工業(yè)系統(tǒng)變得越來越昂貴，對操作性能、生產(chǎn)性、可用性、可靠性和安全性的要求也越來越高[1]。

此外，工業(yè)4.0已經(jīng)成為自動化行業(yè)的當(dāng)前趨勢，對自動化行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響提高復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和運行性能。因此，在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的建模、監(jiān)控和控制中開發(fā)有效的技術(shù)至關(guān)重要，但具有挑戰(zhàn)性。隨著工業(yè)自動化、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的建模、監(jiān)控和控制受到了極大的刺激，近年來出現(xiàn)了新的技術(shù)和應(yīng)用[2]。目前針對復(fù)雜工業(yè)過程生產(chǎn)可視化監(jiān)控的應(yīng)用背景有所受限，現(xiàn)存較多系統(tǒng)的多為定制化開發(fā)，系統(tǒng)的通用性較差。在不同的工業(yè)流程應(yīng)用下，難以依據(jù)變更或重組完成適應(yīng)性變更。目前，監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下傳統(tǒng)復(fù)雜工業(yè)從數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)型的需求[3]。

針對傳統(tǒng)的復(fù)雜工業(yè)過程，其生產(chǎn)過程中的指標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，大部分缺少對系統(tǒng)的全面監(jiān)測與分析，從而滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求。但是面對愈加煩瑣的生產(chǎn)流程和大量的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)操作人員無法快速識別有用數(shù)據(jù)信息，不能為決策者提供可靠依據(jù)。因此，提供對數(shù)據(jù)的有效探測手段對于提高監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度具有重要的作用[4，5]，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)難以滿足大數(shù)據(jù)環(huán)境下傳統(tǒng)復(fù)雜工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型過程中對生產(chǎn)過程智能監(jiān)控需求，智能監(jiān)控能為自動化系統(tǒng)的決策及質(zhì)量保證提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

為了解決上述問題，以制藥生產(chǎn)過程為例，針對復(fù)雜工業(yè)過程生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控分析靜態(tài)進(jìn)行需求分析，解決生產(chǎn)過程規(guī)范化、生產(chǎn)指標(biāo)可視化平臺設(shè)計輸入不清晰的問題，為復(fù)雜工業(yè)過程平臺的開發(fā)提供依據(jù)。

1 復(fù)雜工業(yè)過程生產(chǎn)指標(biāo)分類與分析

復(fù)雜工業(yè)過程的門類多、范疇廣、工藝種類繁雜，涵蓋了諸多的工業(yè)過程，其中不僅包括化工、冶金、鋁冶煉、選礦、制藥等制造體系。上述工業(yè)過程的共同點表現(xiàn)在：連續(xù)性高、工藝流程復(fù)雜多樣、變量參數(shù)耦合性強、生產(chǎn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)量大等方面。如今，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及以及工業(yè)智能化的推進(jìn)，復(fù)雜工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)增長趨勢，這些工業(yè)數(shù)據(jù)具有以下特點：

1.1 各維度交錯分布，數(shù)據(jù)總量極大

鑒于檢測技術(shù)和各工藝要求的不同，關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要通過高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成采集，采取的數(shù)據(jù)用來實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等。一些低頻采樣數(shù)據(jù)，可以依據(jù)其他數(shù)據(jù)計算獲得，或者由人工測量記錄。因此，復(fù)雜工業(yè)過程的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同規(guī)模的其他行業(yè)。此情況導(dǎo)致工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)總量過大，生產(chǎn)操作人員無法快速判別有效數(shù)據(jù)，監(jiān)控監(jiān)測效率大大降低。

1.2 數(shù)據(jù)類型多樣

因各生產(chǎn)工藝的差異性大，其所需檢測手段和數(shù)據(jù)的含義各不相同，采集的數(shù)據(jù)類型多種多樣，取值包括數(shù)值型、非數(shù)值型、邏輯型等，按照時域分為連續(xù)性和離散型。另外，由于采集過程或者存儲過程造成的一些明顯偏差的數(shù)據(jù)被稱為無效數(shù)據(jù)。

1.3 高維且耦合性強

在復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程中，各流程工藝相互耦合十分普遍。系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)量之間存在多種相關(guān)性，即系統(tǒng)的任意一個輸入可能影響系統(tǒng)的多個輸出，或者任意一個輸出是受多個系統(tǒng)輸入的影響。由于這種錯綜耦合現(xiàn)象的存在，很大程度上增強了數(shù)據(jù)的監(jiān)控難度。

總而言之，復(fù)雜工業(yè)過程在檢測過程中產(chǎn)生了大量的工業(yè)數(shù)據(jù)，使得指標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)控在復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨巨大的挑戰(zhàn)。通常包括多個工藝流程，各工藝流程下又存在多個子流程，復(fù)雜工業(yè)過程中往往伴隨著多種多樣的物理變化、化學(xué)變化。各類工業(yè)生產(chǎn)的指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)又是不盡相同的[6]，最常用的是按照空間層次分類法、指標(biāo)類型分類法，具體分類情況如下圖1所示。

圖1 復(fù)雜工業(yè)過程指標(biāo)分類

按空間層次劃分，分為綜合生產(chǎn)指標(biāo)、工序生產(chǎn)指標(biāo)及原料生產(chǎn)指標(biāo)。以醫(yī)藥復(fù)雜生產(chǎn)工藝過程為例，其主要包括：溶解、回流、過濾、濃縮、冷卻、離心等工序。工藝過程中的生產(chǎn)指標(biāo)也是多樣的，見表1所示。

表1 按空間層次劃分指標(biāo)

按指標(biāo)類型劃分，分為質(zhì)量指標(biāo)、計量指標(biāo)、設(shè)備運行統(tǒng)計、能源指標(biāo)、成本指標(biāo)、倉儲料位和工藝指標(biāo)。以醫(yī)藥復(fù)雜生產(chǎn)工藝過程為例對生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行陳列，見表2所示。

表2 按指標(biāo)類型劃分指標(biāo)

2 復(fù)雜工業(yè)過程可視化監(jiān)控分析平臺需求分析

2.1 可視化監(jiān)控平臺功能需求分析

復(fù)雜工業(yè)過程可視化監(jiān)控分析平臺通過對基礎(chǔ)信息的建模，以組態(tài)的形式搭建監(jiān)控流程的可視化監(jiān)控環(huán)境，創(chuàng)建出各流程行業(yè)、不同項目的工藝流程。利用生產(chǎn)各工藝之間相互的邏輯關(guān)系，建立各工序流程及其相關(guān)子流程。結(jié)合各流程中數(shù)據(jù)的采集處理，對其關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行跟蹤分析監(jiān)控，針對監(jiān)控特點及監(jiān)控要求，系統(tǒng)提供算法配置功能，用戶可以根據(jù)監(jiān)控需求配置不同的監(jiān)控算法、可視化方案，提升指標(biāo)監(jiān)控平臺的可讀性、人機(jī)交互性。最后結(jié)合多種可視分析方案輔助用戶對監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析與評估，以評估監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為動態(tài)調(diào)整監(jiān)控指標(biāo)、監(jiān)控算法或監(jiān)控算法的參數(shù)提供決策依據(jù)，使得生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控系統(tǒng)具備初步動態(tài)演化能力。可視化監(jiān)控平臺的功能需求分析主要從以下幾個方面開展。

2.1.1 基礎(chǔ)信息需求

工廠信息的管理是以數(shù)據(jù)為中心的信息化交付，完善的信息管理制度能有效提高工廠的運營效率。平臺具備基礎(chǔ)信息建模功能：①組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)信息管理；②工序流程基礎(chǔ)信息管理；③設(shè)備檔案基礎(chǔ)信息管理；④指標(biāo)檔案基礎(chǔ)信息管理；⑤計量單位基礎(chǔ)信息管理等。

2.1.2 可視監(jiān)控組態(tài)需求

考慮到現(xiàn)有工業(yè)流程監(jiān)控系統(tǒng)多為定制開發(fā)，適用性不強，很難滿足不同復(fù)雜工業(yè)流程行業(yè)對指標(biāo)監(jiān)控的需求，同時不同用戶對生產(chǎn)指標(biāo)監(jiān)控的需求各不相同，進(jìn)而對各指標(biāo)的關(guān)注點也不盡相同。可視化監(jiān)控平臺應(yīng)該具備重構(gòu)性，并且其可配置性強，可以通過監(jiān)控組態(tài)設(shè)計環(huán)境模塊，構(gòu)建出不同的工藝流程并配置監(jiān)控指標(biāo)、監(jiān)控事件等。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析需求

復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)流程系統(tǒng)往往涉及眾多的生產(chǎn)指標(biāo)，在采集全部生產(chǎn)指標(biāo)的同時存在不能突出重點的問題，從而導(dǎo)致重點指標(biāo)被忽視。一些相關(guān)性較強的指標(biāo)同步監(jiān)控，但是數(shù)據(jù)形態(tài)展示過于煩瑣，從而無法使操作人員快速提煉出有效信息。故，平臺應(yīng)該具備對生產(chǎn)指標(biāo)探測的功能，通過應(yīng)用不同的算法，一方面實現(xiàn)對重要生產(chǎn)指標(biāo)的快速定位，另一方面獲取生產(chǎn)指標(biāo)間的潛在聯(lián)系。

2.1.4 可視分析需求

平臺的人機(jī)交互界面需要制定交互友好的可視化展示與分析方案。在平臺的使用過程中可以借助圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)關(guān)鍵信息。交互式操作應(yīng)簡單便捷，能夠讓用戶詳細(xì)了解所需監(jiān)控的指標(biāo)，快捷有效地獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而更快地理解和掌握監(jiān)控平臺的運行情況。

2.1.5 監(jiān)控需求

構(gòu)建完成可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計環(huán)境組件工藝流程后，通過監(jiān)控模塊對其進(jìn)行可視化監(jiān)控。結(jié)合數(shù)據(jù)探測模塊得到的指標(biāo)數(shù)據(jù)的關(guān)系，借助可視化模塊與分析組件對測得指標(biāo)進(jìn)行可視分析。據(jù)實際需求對關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，包括實時監(jiān)控、歷史追溯、多視圖監(jiān)控等。

2.2 可視化監(jiān)控平臺性能需求分析

性能可以理解為是一個系統(tǒng)實現(xiàn)特性功能的能力，即系統(tǒng)在展現(xiàn)某種特定功能時所呈現(xiàn)出的及時特性。本監(jiān)控平臺是針對復(fù)雜工業(yè)過程場景設(shè)計開發(fā)的，最終目的需應(yīng)用到實際的工業(yè)現(xiàn)場，該平臺應(yīng)該滿足以下一些性能需求。

2.2.1 平臺的實用性及可擴(kuò)展性

面向復(fù)雜工業(yè)過程的生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控與分析平臺，首先要滿足實際工業(yè)過程中生產(chǎn)指標(biāo)的監(jiān)控需求，同時應(yīng)滿足未來的發(fā)展需求。該平臺采用組件化、模塊化的開發(fā)理念，盡可能地減少平臺的耦合性，開發(fā)完成后的平臺能夠便于后續(xù)開發(fā)人員新增功能或者對現(xiàn)有功能進(jìn)行改進(jìn)，使平臺后期維護(hù)成本低、難度小。

2.2.2 平臺的安全性及穩(wěn)定性

平臺應(yīng)部署一套完善的安全體系，可以保證重要的數(shù)據(jù)信息不被工業(yè)病毒損壞，不被用戶隨意訪問、泄露。其在保證平臺安全運行的同時，需要確保監(jiān)控平臺運行的可靠性及穩(wěn)定性。當(dāng)數(shù)據(jù)庫處理大量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，數(shù)據(jù)庫應(yīng)自動備份并迅速恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

2.2.3 系統(tǒng)的實時性

實際復(fù)雜工業(yè)過程中需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的大量數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控平臺中會產(chǎn)生一定的延時，企業(yè)操作員不能及時的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障，導(dǎo)致實時監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)的目的失去了意義，故平臺需要保證數(shù)據(jù)從實際生產(chǎn)到監(jiān)控平臺的實時性。

2.2.4 平臺的響應(yīng)速度

系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢是用戶衡量一個系統(tǒng)好快最直觀的感受。當(dāng)用戶在打開某一界面或搜索某一網(wǎng)絡(luò)輿情時，平臺的反應(yīng)速度應(yīng)保證在可接受范圍內(nèi)，對于大數(shù)據(jù)量的查詢等操作需采用必要的方法去滿足用戶對響應(yīng)速度的需求。

2.2.5 平臺的交互性

作為可視監(jiān)控與分析平臺，在滿足基本功能的同時應(yīng)提高用戶體驗，保證平臺頁面布局美觀合理、交互邏輯清晰、信息提示準(zhǔn)確等。

3 結(jié)束語

文章首先指出現(xiàn)有生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)雜工業(yè)流程的特點，以制藥生產(chǎn)過程為例，對工藝指標(biāo)進(jìn)行分類并總結(jié)其指標(biāo)的特點，進(jìn)而分析了生產(chǎn)指標(biāo)可視監(jiān)控與分析平臺的需求。其包括功能需求和性能需求，為復(fù)雜工業(yè)過程可視化監(jiān)控分析平臺的設(shè)計開發(fā)提供依據(jù)。