面向商砼行業(yè)的CPS系統(tǒng)架構搭建及其應用

郭楊銳，鐘 偉，張永輝，杜 宇，吉 旭

(1.四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065；2.中建西部建設股份有限公司，四川 成都 610017；3.中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610017)

信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術，正在有力地推動在協(xié)同開發(fā)、智能生產(chǎn)、敏捷服務等領域形成新型集成化應用范式，引起了工業(yè)界的廣泛關注和研究[1]。CPS集感知、計算、通信、反饋過程于一體，將工業(yè)網(wǎng)絡、云計算，監(jiān)控設備深度融合，實現(xiàn)了物理設備全局聯(lián)網(wǎng)[2]。吉旭[3]等人將CPS系統(tǒng)應用到化學工業(yè)4.0新范式中，構建了基于CPS的智能單元模型；衛(wèi)柯丞[4]等將CPS應用到工業(yè)控制領域，提出基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制CPS工業(yè)架構。

混凝土是建筑業(yè)的主要原材料，應用廣泛，但在行業(yè)自動化領域尚未形成一套完整的集環(huán)境感知、數(shù)據(jù)采集、信息傳遞、控制反饋、和自我優(yōu)化的閉環(huán)體系[5]。

因此，搭建面向商砼行業(yè)CPS架構，加強CPS相關技術在商砼行業(yè)的應用，可以提升企業(yè)的生產(chǎn)運營效率，同時對提升行業(yè)信息化水平，建設行業(yè)智能化工廠具有重要意義。

1 商品混凝土行業(yè)的CPS平臺架構研究

1.1 CPS系統(tǒng)的工業(yè)架構設計

圖1 CPS系統(tǒng)商品混凝土行業(yè)的工業(yè)架構

CPS具有復雜度高，異構性強等特點[6]，是由運行在不同時間、空間范圍的分布式的、異步的異構系統(tǒng)組成的動態(tài)混合系統(tǒng)[7]。為了實現(xiàn)硬件資源的自動感知和自主控制,每個設備上均嵌入相應的感知設備如RFID讀寫器來監(jiān)測外界物理環(huán)境的變化，控制器改變外界物理環(huán)境的參數(shù)變量[8]。圖1所示為CPS系統(tǒng)商品混凝土行業(yè)的工業(yè)架構。企業(yè)采用大量的處理單元及嵌入式設備來實現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)處理與信息交互，通過傳輸通道，上傳至企業(yè)級云端進行數(shù)據(jù)解析挖掘學習，同時，通過網(wǎng)絡傳輸將相關的生產(chǎn)運行信息發(fā)送至決策層，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程實時監(jiān)控。

1.2 商砼行業(yè)CPS的平臺技術基礎

強化CPS在商砼行業(yè)的應用，必須更清晰的界定CPS在商砼行業(yè)的技術基礎，作為實施商砼行業(yè)信息化的指導方針。因此，本文提出商砼行業(yè)基于物理層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用層、服務層的CPS平臺化技術，如圖2所示。

圖2 商砼行業(yè)CPS應用架構

物理層作為CPS的感知系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)，由傳感器和控制器構成。商砼廠站的傳感器和控制器數(shù)量龐大、種類繁多。圖3為標準化混凝土攪拌站平面圖。在汽車衡附近、攪拌樓實驗室等區(qū)域配備了大量各自獨立有相互協(xié)作的傳感控制系統(tǒng)。

圖3 標準化攪拌站平面圖

CPS網(wǎng)絡參與到CPS感知-決策-執(zhí)行的整個閉環(huán)過程，蜂窩網(wǎng)和Ad Hoc聯(lián)合網(wǎng)(UCAN)[9]等網(wǎng)絡融合、改進路由協(xié)議的分簇技術為CPS在網(wǎng)絡融合及節(jié)點定位技術上有全新的設計與突破。

商砼行業(yè)數(shù)據(jù)具有規(guī)模龐大、實時并發(fā)、類型復雜等特點。云計算的發(fā)展為商砼行業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供了良好的技術支持，在商砼行業(yè)部署云計算需要關注數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理兩方面的內(nèi)容。

(1)數(shù)據(jù)存儲：結合商砼行業(yè)集團化運營的特點，混凝土企業(yè)采用分布式云計算部署模式，將業(yè)務數(shù)據(jù)分布存儲集團總部的云端數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)先集中存儲在各站點的本地數(shù)據(jù)庫，后延時傳輸至云端數(shù)據(jù)庫，避免實時數(shù)據(jù)的大量并發(fā)造成網(wǎng)絡擁堵。

(2)數(shù)據(jù)管理：高效的數(shù)據(jù)管理技術是實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效處理的基礎和前提。在云計算技術的背景下，商砼行業(yè)數(shù)據(jù)管理模式主要分為數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)集成、并行計算、數(shù)據(jù)分析四個板塊[10]?；诖?，本文提出適用于商砼行業(yè)的云計算數(shù)據(jù)管理架構，如圖4所示。

圖4 云計算數(shù)據(jù)管理架構

應用層的服務對象主要是商砼行業(yè)的各類終端用戶，為他們提供商砼行業(yè)相關的功能各異的應用軟件服務。企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關系管理(CRM)、質(zhì)量管理等應用軟件為企業(yè)在信息傳輸、業(yè)務操作、管理考核、決策支持提供統(tǒng)一平臺。

服務層是CPS為用戶提供服務的端口。服務層為用戶提供兩種人機交互模式：

(1)Web模式，用戶可通過Web(任意瀏覽器)訪問相應軟件和服務。

(2)客戶端模式，用戶在各類終端(PC、智能手機等)上安裝客戶端程序后通過登陸訪問相應軟件和服務。

2 基于CPS的應用研究—質(zhì)量管理

目前，多數(shù)商砼企業(yè)仍處于簡單的統(tǒng)計質(zhì)量控制階段，質(zhì)量檢驗以抽樣檢驗為主，由于混凝土的質(zhì)量檢驗的特性，生產(chǎn)中基于統(tǒng)計結論實行在線的混凝土質(zhì)量預防和控制存在較大困難。為解決這一問題，相關研究在算法層面對混凝土質(zhì)量管理有了探索[12-13]，本文在此基礎上，從混凝土生產(chǎn)業(yè)務流程及影響因素(圖5)出發(fā)，建立基于商砼行業(yè)CPS質(zhì)量管理邏輯，并建立了在CPS網(wǎng)絡技術下的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘及結果反饋的方案。

圖5 商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務流程體系

2.1 基于CPS的質(zhì)量管理邏輯架構

圖6 混凝土企業(yè)基于CPS的質(zhì)量管理業(yè)務邏輯

商砼行業(yè)質(zhì)量管理邏輯架構必須為用戶提供高性能的并行計算能力以及方便的開發(fā)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等功能，從而對企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量進行高效監(jiān)督、管理和控制。本文結合商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務流程體系設計出質(zhì)量管理模塊的邏輯圖，如圖6所示。

質(zhì)量管理的邏輯架構主要分為生產(chǎn)前、生產(chǎn)中、生產(chǎn)后三個層次，且三個層次之間相互關聯(lián)、層層相應。

生產(chǎn)前：通過CPS系列應用軟件如ERP、CRM、商業(yè)智能(BI)、財務系統(tǒng)與信用控制等綜合分析生產(chǎn)前企業(yè)內(nèi)部人員調(diào)動、生產(chǎn)計劃、供應商履約、客戶合同狀態(tài)的相關數(shù)據(jù)信息，同時，嵌入式芯片實時抓取儀器儀表參數(shù)、材料庫存、前期材料供貨信息、道路交通實況、短時天氣狀態(tài)并通過相關應用軟件整理發(fā)布，為生產(chǎn)決策做好相關準備工作。

生產(chǎn)中：綜合分析生產(chǎn)中人員、設備、材料、工藝、環(huán)境等傳感器控制器相關運轉信息，包括設備數(shù)據(jù)、原材料質(zhì)量庫存數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等，同時新型網(wǎng)絡將實時數(shù)據(jù)流上傳至云服務器，基于大數(shù)據(jù)的人工智能算法對產(chǎn)品質(zhì)量實時預測與評價，并以此為依據(jù)為產(chǎn)品質(zhì)量智能化管控進行決策支持，為質(zhì)量評價模型的自我優(yōu)化提供知識積累。

生產(chǎn)后：利用產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)，收集質(zhì)量評審標準、質(zhì)量成本、質(zhì)量文檔、售后質(zhì)量信息等，生成一系列產(chǎn)品質(zhì)量分析報告，同時，相關生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、決策信息等在云端被充分解壓、挖掘、分析，對整個質(zhì)量管理體系進行持續(xù)優(yōu)化和調(diào)整，為設備自我優(yōu)化、人員科學決策提供持續(xù)的學習資料。

2.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)管理

商砼行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理的相關數(shù)據(jù)具有以下幾個特點：來源廣泛、分布離散化、類型多樣化，并且影響混凝土質(zhì)量的因素具有復雜性和不確定性，當產(chǎn)品生產(chǎn)量持續(xù)上升時，生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)大量并發(fā)，一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)波動，極易造成數(shù)據(jù)丟失，因此需要根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)處理時間制定不同的數(shù)據(jù)傳輸策略，以彌補基礎設施上的短板。數(shù)據(jù)傳遞示意圖如圖7所示。

圖7 商砼行業(yè)質(zhì)量管理的數(shù)據(jù)傳遞示意圖

對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按照優(yōu)先級順序進行處理。生產(chǎn)調(diào)度指令優(yōu)先級最高，采用即時處理；材料消耗數(shù)據(jù)其次，將其壓縮打包后以相對較低的數(shù)據(jù)傳輸速率進行傳遞；而對于處理時間要求不高的部分實時數(shù)據(jù)，則采用閑時數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟呗裕瑥亩鴾p少低價值數(shù)據(jù)對存儲資源的占用，提升數(shù)據(jù)管理效率。

對于業(yè)務數(shù)據(jù)，按照重要性和資源占用率進行差異化處理。不同級數(shù)據(jù)庫(如集團公司、區(qū)域公司、廠站)之間傳遞的業(yè)務數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)管道傳輸?shù)姆绞?，這樣既可以減少數(shù)據(jù)處理過程中的網(wǎng)絡傳輸量，也有利于對業(yè)務數(shù)據(jù)的處理時間進行合理安排；而對于一些資源占用量和網(wǎng)絡傳輸量都比較大的業(yè)務流程，如產(chǎn)品配合比的調(diào)整、檢驗等，可由各個站點的客戶端資源獨立完成，從而實現(xiàn)最優(yōu)化的網(wǎng)絡傳輸效率。

將分散的商砼企業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、原料數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)進行動態(tài)儲存、管理和整合，通過云計算技術及人工智能算法，采集、存儲，從而將企業(yè)數(shù)據(jù)轉換為知識模型進行存儲、表達與發(fā)布，為商砼行業(yè)質(zhì)量管理提供堅實的數(shù)據(jù)基礎。基于前述研究，開發(fā)了商砼行業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)，圖8是系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成條件下基于人工智能算法的混凝土抗壓強度分析模塊。

圖8 基于人工智能算法的混凝土抗壓強度分析功能

3 結論

日益強烈的產(chǎn)品個性化和高質(zhì)量的市場需求正在倒逼商品混凝土企業(yè)進行資源整合，協(xié)同生產(chǎn)，在此趨勢下，商砼企業(yè)必須建設集自我感知、自我適應及管控一體的信息化平臺，以提升信息交互水平，推動行業(yè)向質(zhì)量最優(yōu)、成本最低的方向發(fā)展。本文研究了基于商砼行業(yè)的CPS架構及其關鍵技術，通過分析商砼行業(yè)質(zhì)量管理的業(yè)務流程體系，提出基于CPS的質(zhì)量管理邏輯方案及數(shù)據(jù)存儲方案。并基于研究結論，開發(fā)了商砼行業(yè)質(zhì)量管理系統(tǒng)，實踐證明商品混凝土行業(yè)的CPS平臺體系是可行的。

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