基于大數據拓撲設計的煙草生產全流程質量智慧追溯系統設計

鐘琳， 程思軍， 沈軍， 王海明， 褚瑋

(湖北中煙工業有限責任公司，湖北, 武漢 430040)

0 引言

在煙草生產結束后，當煙草產品質量檢測出現問題時，如何對應到具體的生產線環節是解決煙草生產過程的重點[1]，為此，以大數據拓撲設計技術作為支持，綜合煙草生產全流程，設計質量智慧追溯系統。從本質上講，大數據拓撲設計是一種針對大數據網絡設計的過程[2]。在該設計過程下，能夠將生產類的數據處理為流處理過程，并自動保存階段性的生產數據。煙草生產流程是一種智能化的控制過程，不同的生產環節有著固定溯源標記[3]。

國外研究溯源系統起步較早，研究人員最初以RFID技術作為系統支持[4]，綜合現代化的信息管理技術實現了溯源匹配過程[5]。國內研究溯源系統起步較晚，最初以物聯網技術作為支持，構建了煙草生產全流程的生產鏈標記，形成了溯源追溯過程。文獻[6]中的追溯系統采用了C/S架構搭建系統結構，構建了煙草生產數據平臺，標記了煙草生產過程中的數據格式，對應該種數據格式形成追溯過程。文獻[7]搭建的追溯系統以煙草生產設備作為流程溯源標記對象，對應生產出的煙草產品參數，匹配追溯過程。經階段性的應用驗證可知，現有追溯系統處理煙草信息的連續性較差，導致追溯系統運行匹配信息的時間較長。

針對應用過程中產生的不足，設計基于大數據拓撲設計新的煙草生產全流程質量智慧追溯系統。

1 智慧追溯系統硬件設計

1.1 煙草生產流程控制器結構設計

控制器內部選定ARM Cortex-M3內核的芯片STM32-F103RCT6，控制器并聯一個計算機后，并聯一個物理交互設備，連接至生產流水線的主控計算機。控制主控計算機接入至以太網環境當中[8]。主控計算機連接煙草生產線上的控制設備，控制設備分布在煙草生產設備的末端執行裝置內，計算機多個拓展設備接口處，外部連接多個傳感器，形成的控制器結構如圖1所示。

圖1 控制器結構

在圖1所示的控制器結構下，傳感器選定型號為601-1975 IM12-04，設定其反應頻率為2 000 Hz，控制傳感器內為3芯的電纜，電纜的長度為2 m，控制傳感器的開關量為PNP的形式，設定其傳感器的觸發感應距離為4 mm，調試各部分組件后，設計大數據采集所需的拓撲電路結構。

1.2 構建大數據采集拓撲電路結構

煙草生產過程以電機作為驅動結構，所以在構建大數據拓撲電路結構時，選定數值為24 V的直流電機作為驅動設備，電路結構選用橫封結構，控制驅動電機保持驅動最小靜態[9]。考慮到煙草生產線時驅動電路的工作指標，大數據拓撲電路結構選定型號為IFX9201SG芯片，控制芯片的脈寬調制頻率為15 kHz。芯片的DIR管腳連接PWM管腳，控制數據調制信號的占空比，形成的電路結構如圖2所示。

圖2 電路結構

在圖2構建的電路結構內，控制大數據拓撲結構為兩種規格的工作電壓[10]。為控制硬件電路過熱導致的損壞，在電路結構內連接光耦隔離器件將各個器件處于隔離狀態。控制器結構與電路適配處理完成后，設計智慧追溯系統的硬件結構。

2 智慧追溯系統軟件設計

2.1 標記煙草生產質量參數

煙草生產過程為生產鏈式結構，在不同的需求量下，所制定的質量參數不同，以煙草生產過程的需求量作為處理對象，計算煙草產生的有效質量參數，數值關系可表示為

(1)

式中，Qi表示i個煙草生產周期內的有效需求量，T為生產周期，該參數為常數。利用NFC技術控制煙草在生產鏈上產生的有效數值，數值關系可表示為

[23][30]中國旅游研究院：《〈中國入境旅游發展年度報告2018〉在京發布》，http://www.sohu.com/a/238091204_124717，2018年6月27日。

(2)

式中，N為生產鏈上產生的有效數值，Di為煙草的最大權重質量參數，aj為原料最大配比參數。以煙草原料配比標識作為鏈碼的初始值。創建數值編碼匹配通道，并將其作為字節處理結構[11]，整理為標記配置文件后，采用Node.js SDK創建任務請求，此時形成的程序與標記的質量參數鏈碼交互流程如圖3所示。

圖3 標記任務應用處理過程

在圖3所示的應用處理過程下，標記任務在實例處理通道內加入鏈碼請求，不斷實例化處理后，形成一個自動標記識別過程[12]。標記煙草生產質量參數后，并行處理追溯消息隊列。

2.2 并行處理追溯消息隊列

在上述標記的質量參數過程下，利用Storm抽象處理標記過程為數據流，整理為多個數據元祖，控制該部數分據元祖形成一個索引訪問過程，索引數值關系可表示為

(3)

式中，ri表示索引訪問任務，p表示元祖數據組數量，其他參數與上文公式中參數含義相同。基于此，在實現隊列的并行處理時，將追溯任務內的單個參數組成，分別匹配前述構建的標記配置文件，并將該過程形成的傳輸單位整理為無序的元祖序列[13]，并根據該序列形成一個數據源ID，負責接收大數據拓撲結構采集得到的各項數據。為增強追溯任務與配置文件之間的匹配效率，引入SQL語法將匹配過程處理為多個處理段，自動匹配查詢字段為聯合索引任務[14]，引用天然分布式的控制架構，兩個周期之間的溯源匹配任務數據量之差與最優數據并行處理量的比值為

(4)

式中，t1-t2描述的是兩個周期之間的溯源匹配任務數據量之差，Si表示最優數據并行處理量。在上述并行數據量的控制下，平均分配追溯消息隊列的數據量后[15]，實現并行追溯處理任務。基于上述處理過程，最終完成對基于大數據拓撲設計的煙草生產全流程質量智慧追溯系統設計。

根據以上內容可設計煙草生產全流程質量智慧追溯系統的軟件實現流程，如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 系統測試

3.1 實驗準備

準備測試系統所需的硬件環境，選用4個服務器模擬煙草生產流程，服務器的型號參數如表1所示。

表1 測試環境參數

對應上表的測試環境參數，使用2臺上位機作為煙草質量監控口和煙草生產流程監控口，模擬4臺服務器的監控處理過程為煙草加工過程，利用服務器組建為大數據拓撲的采集結構，并將其作為系統的測試結構。搭建的系統測試架構如圖5所示。

圖5 搭建的系統測試架構

在圖5模擬搭建的系統測試架構下，為突出本文所設計系統的有效性，采用傳統系統與之相對比，調試3種追溯系統的組件后，配置煙草生產線上的數據采集點，整理為待追溯的數據集，并以該數據集作為處理對象，選定相同的系統性能指標，對比3種追溯系統的性能。

3.2 結果及分析

表2 3種追溯系統的運行時間

在定義的系統運行時間范圍內，控制三種追溯系統處理相同數量的數據集，統計并匯總三種系統的運行時間。根據上表所示的運行時間結果可知：以2 000組的煙草處理數據集作為對比指標，文獻[6]系統在處理煙草處理數據集時所需的運行時間為22.8 s，系統實際運行的時間最長；文獻[7]系統在處理煙草數據集時所需的時間為21.1 s，系統實際運行的時間較短；本文的追溯系統所需的處理時間為10.4 s，與兩種傳統追溯系統相比，本文的追溯系統所需的運行時間最短。

在上述實驗環境下，以100～1 000組的煙草生產數據作為處理對象，采用MATLAB軟件仿真處理準備的流程數據，以追溯查詢任務請求發出作為統計起點，統計3種追溯系統的系統吞吐量，實際的吞吐量結果如圖6所示。

(a)文獻[6]系統吞吐量結果

控制3種追溯系統處理均勻增加的數據集后，根據上圖所示的系統吞吐量結果可知：文獻[6]系統的吞吐量在250Tx/s左右，系統實際處理數據時的吞吐量較小；文獻[7]系統的吞吐量在350Tx/s左右，系統實際處理數據時的吞吐量較大；本文的追溯系統的吞吐量在450Tx/s左右，與兩種傳統追溯系統相比，所設計的追溯系統吞吐處理的數據量最大，能夠滿足追溯系統的運行要求。

保持上述實驗環境不變，在3種追溯系統處理過程中，定義系統溯源查詢效率，數值關系可表示為

(5)

式中，c表示溯源查詢效率，xn表示溯源處理數據集，Tx表示煙草存檔溯源數據集。當溯源查詢時處理數據集與存檔溯源數據集一致時，則表示溯源查詢完畢，也就是當c數值越接近于1時，則表示該種溯源系統的查詢效率越佳。根據計算得到的數值結果可知，3種溯源系統的查詢效率結果如表3所示。

表3 3種溯源系統的查詢效率結果

在定義的溯源查詢效率數值關系控制下，根據3表所示的實驗結果可知：文獻[6]系統的平均查詢效率在73%左右，系統實際的查詢效率較差；文獻[7]系統的平均查詢效率在84%左右，系統實際的查詢效率較佳；本文的溯源系統平均查詢效率在94%左右，與兩種傳統溯源系統相比，本文的溯源系統查詢效率數值最大，匹配煙草生產溯源最快。

4 總結

煙草生產流程有著極高的質量控制要求，如何智能化追溯煙草生產過程成為了當下的研究熱點。為此，以大數據拓撲結構作為技術支持，設計煙草生產全流程質量智慧追溯系統。經實驗驗證可知，本文的智慧追溯系統能夠優化傳統智慧追溯系統查詢匹配信息效率差的不足，為今后研究煙草追溯過程提供技術支持。