一种基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统的制作方法

本发明属于工业实时生产信息感知技术领域，具体涉及一种基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统。

背景技术：

随着信息技术与工业技术的高度融合，网络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术的深度交织产生新的价值模型，在制造领域，通过工业互联网将全部生产过程进行智能连接，从而实现智能生产过程全自动化，但是同时也迎来了新的挑战和瓶颈。首先，在大规模的生产环境中，不同生产区域或生产车间之间，可能存在着不同类型的通信网络，未来系统的更新换代和新型网络的引进，目前非完全开放式、可扩展度不高的生产控制系统使得各异构网络呈现出相对独立的“信息孤岛”现象，造成实时数据交互困难，不利于系统数据的实时传输和实时处理。因此，从系统模型的角度出发，结合上述分析，本发明力图解决在复杂工业生产环境中的实时数据感知问题，应用上下文环境感知技术是一个比较理想的方案。

上下文感知是指系统能发现并有效利用上下文信息(如用户位置、时间、环境参数、邻近的设备和人员、用户活动等)并进行计算的一种计算模式，从上个世纪的90年代开始，许多研究单位开始研发上下文感知系统，如施乐帕克研究中心(Xerox Palo Alto Research Center，简称Xerox PARC)开发了ParcTab系统，佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)发布了提供导游服务的Cyberguide项目，以及基于用户位置实现电话自动转接的ActiveBadge系统等。不过这些系统都是面向特定的应用场景，其模型都与底层的应该有很高的耦合性，不能达到普适计算的目的，不能够应用到工业生产之中。随后Stanford大学提出了ROME模型，虽然具有一定的普适性，但存在不足。中科院对ROME模型进行了改进，在此基础上提出一个基于上下文触发的事务模型CTMPC(Context-based Triggered Task Model in Pervasive Computing)，该模型适用于在动态的移动环境中开发上下文感知系统。Context Toolkit是基于组件的分层模型，用功能组件集合屏蔽了底层平台细节，使用context widget、context server、context interpreter对上下文信息进行抽象。Context widget处理底层感知细节，使上下文获取和使用分离，隐藏了传感器的复杂性，容易实现功能扩展和多应用融合。但是该模型缺乏知识共享机制，在大规模系统中不能保持知识的一致性，同时不能提供一个公共的上下文本体来实现系统内多个服务对上下文知识的共享和推理。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统，以达到提高其通用性和扩展性、降低各级异构网络的工业感知器与实际工业应用之间的耦合的目的。

一种基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统，该系统包括实时生产信息采集模块、实时生产信息管理模块、实时生产事件管理模块和实时生产信息查询服务模块；其中，

实时生产信息采集模块：用于通过统一接口方式对工业生产系统中所需设备状态数据的实时上下文信息进行采集和捕获，将采集的实时上下文信息通过类封装成统一访问接口的形式，获得接口一致化的各类实时数据流，再将各类实时数据流进行统一编码并封装成类的格式，通过列表的形式发送至实时生产信息管理模块中；

实时生产信息管理模块：用于将实时采集的数据流存储于动态生产信息模型中，根据各项数据的编码及统一的编码格式，动态创建、调整和维护动态生产信息模型；还用于将需要持久化的各项数据以及数据之间的关系进行统一的类封装，转化为对象列表的形式，保存于数据库中，为实时生产信息查询服务模块提供历史数据储备；

实时生产事件管理模块：用于对动态生产信息模型中的事件进行识别和管理，采用动态生产信息模型监控实际生产数据，当生产数据发生异常变化时，则在时间区域中形成由多个异常生产事件所构成的复合事件集合，并将此时的动态生产信息模型封装成一个类对象，发送至报警系统中提示工作人员；

实时生产信息查询服务模块：用于采用同步请求和异步通知相结合的信息互补查询服务模式，通过统一的访问接口为系统提供查询服务。

所述的实时生产信息采集模块，包括实时生产信息预处理器和多个工业生产信息感知器，其中，

工业生产信息感知器：用于采集工业生产系统中所需设备状态数据的上下文信息，通过统一接口方式对各类异构资源数据进行捕获；

实时生产信息预处理器：用于根据实际生产经验对采集的每项生产数据加入相应的描述，按照<K，V>键值对的方式对应每条数据进行唯一编码。

所述的动态生产信息模型，采用广义知识树的表示方法映射成空间树形式；

具体为：根据实际生产的生产层级确定空间树的层数，根据实际生产中各工序的生产单位之间的上下层级所属关系确定空间树节点之间的父子关系，采用统一的编码格式设置父子关系节点，对于每一项生产数据的唯一编码都可以对应得到其上层的父节点，根据各个资源节点的URI路径将各项离散的生产数据组织为结构化的空间树的形式，并将每个资源节点的编码以及其属性节点存储于数据库中，进行动态的加载和实时的增删改查。

所述的封装成类的格式，具体为：采用JavaBean将数据统一封装成类对象的形式。

所述的通过统一的访问接口为系统提供查询服务，具体为：通过封装成RestFul Web Service的形式统一的访问接口，利用http协议为上层应用提供信息查询服务。

本发明优点：

本发明提出了一种基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统，实现了统一编程接口的方式来获取生产信息，对各类感知器进行软件抽象，使得其能够以一种一致、统一的方式来获取工业上下文信息，降低各级异构网络的工业感知器与实际工业应用之间的耦合，提高了信息采集模块的易用性和通用性；采用树形知识表示的结构对上下文信息进行建模，使上下文信息形成一致性的抽象，能够与工业生产中各生产单位的组织结构图相互映射，提高其通用性和扩展性，同时易于信息的汇总，管理与记录分析；在此信息模型基础上构造上下文感知中间件，并实现了统一的上下文事件管理接口和上下文信息查询接口，使得允许在本装置基础上，为任何终端提供工业实时生产信息感知服务。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统结构示意图；

图2为本发明一种实施例的实时生产信息采集模块结构示意图；

图3为本发明一种实施例的实时生产信息组织结构图；

图4为本发明一种实施例的实时生产信息查询服务模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，基于上下文计算的工业实时生产信息感知系统包括实时生产信息采集模块、实时生产信息管理模块、实时生产事件管理模块和实时生产信息查询服务模块；其中，

(1)实时生产信息采集模块：用于通过统一接口方式对工业生产系统中所需设备状态数据的上下文信息进行采集和捕获，对应将工业生产中广泛使用的实时数据流通过类封装成统一访问接口的形式，获取接口一致化的各类实时数据流，为将数据持久化提供了采集条件；再将各类实时数据流通过统一设计编码的方式，将各种不同的数据封装成类的格式(本发明实施例中，利用JavaBean将数据统一封装成对象的形式)，以唯一的编码进行区分，通过列表的形式发送至实时生产信息管理模块中；

本发明实施例中，如图2所示，所述的实时生产信息采集模块，包括：实时生产信息预处理器和多个工业生产信息感知器组成；其中，

实时生产信息预处理器：用于将各类感知器捕获的粗糙原始数据统一转换成实时数据流的格式，为后续的上下文信息存储、解析和处理提供规范化数据源；

本发明实施例中，所述的粗糙原始数据，包括：原矿品味、NaOH药剂流量、淀粉药剂流量、CaO药剂流量、LKY精选流量、LLKY粗选流量、矿石精品位；

工业生产信息感知器：是上下文信息准确、实时获取的最底层实体，用于采集上下文信息，通过统一编程接口，即将统一感知器为类的形式来提供一致的访问接口，实现对各类异构资源的信息捕获，以降低环境感知与资源实体之间的耦合度；

目前常见的感知器设计往往与具体应用紧耦合；随着应用类型的不同，感知器亦呈现出异构、多态等特性，使得感知器的开发难以形成统一规范，降低了其复用度；针对上述问题，本发明实施例中采用OMG IDL为感知器定制统一的编程接口；

本发明实施例中，感知器捕获的环境资源信息，在类实例化时，读取和设置的感知器的信息存储路径标识，对感知器生命周期进行控制，并提供当前感知的实体状态的查询服务，获取感知器的最小感知周期；感知器有主动和被动两种工作模式；感知器按其工作模式可分为主动型感知器和被动型感知器；在主动模式下，可以对感知器的感知周期及其隶属监听器进行配置，感知器依据这些配置将采集的数据推送给指定的监听器；在被动模式下，通过调用被动感知器提供的方法接口获取上下文信息；

本发明实施例中，以矿山生产的浮选工序中原矿品位为例，通过感知器的统一接口，设置以每分钟为周期对现场的原矿品位数据进行采集，也可以通过感知器所开放的主动获取信息的接口，立即获取当下原矿品位数据，并在实例化时根据统一设计的编码设定原矿品位数据的唯一码，方便实时生产信息管理模块对数据进行良好的组织；

(2)实时生产信息管理模块：用于将实时采集的数据流存储于动态生产信息模型中，根据各项数据的编码及统一的编码格式，动态创建、调整和维护动态生产信息模型；还用于将需要持久化的各项数据以及数据之间的关系进行统一的类封装，转化为对象列表的形式，保存于数据库中，为实时生产信息查询服务模块提供历史数据储备；

本发明实施例中，依据信息的时效将其划分为实时和历史两种类型，因此实时生产信息管理模块主要负责对工业实时生产信息的实时数据和历史数据进行管理，将实时信息存储于动态生产信息模型中，该模型是根据实际的生产组织层级设计的，利用各项数据的唯一编码，以工序——生产单位的方式组织零散的生产信息数据，管理层依据获取层收集的数据以及每项数据的编码，根据所设计的统一编码格式，动态创建、调整和维护该信息模型；而对于需要持久化的历史信息，管理层则根据生产信息自身特点和应用需求的不同，将模型中的各项数据以及数据之间的关系进行统一的类封装，转化为对象列表的形式，将其保存在工业生产信息库中，以便为后续的工业生产信息查询模块提供历史数据储备；

本发明实施例中，对于上下文计算采用融合的方式，它是环境资源服务框架的核心部分，采用基于规则推理的信息处理机制，实现上下文信息的加工；

本发明实施例中，上下文融合包括：信息过滤和规则推理两个过程，完成了底层上下文由过滤、经推理、到聚合为高层上下文的信息处理流程；底层上下文信息即是单个感知器从实时数据流中获得的单一生产信息，是对工业生产环境中某一资源或属性在特定时间点上的状态描述；这些信息在形式上是离散的，并且在一定程度上存在着不稳定性和局限性；因此，上下文过滤作为上下文融合的第一步工作，旨在依托从实际生产中获得的经验生产数据范围，剔除上述不合理数据，以提高信息的准确度；上下文推理操作负责对底层上下文信息进行规则推理，以消除上下文信息间存在的冲突和错误；其主要功能是将底层上下文信息，通过前向规则推理，得到与上层应用适配度高的上下文信息；这部分功能是由上下文规则引擎实现的，该引擎包括模式匹配器、议程和执行引擎三个模块，其中，模式匹配器能够将底层上下文和上层访问请求信息与预定义的规则进行匹配，同时输出最优的执行顺序；然后执行序列被送入议程，再由执行引擎完成底层上下文的信息聚合，最终得到更有价值的高层上下文；

本发明实施例中，实时的生产信息感知是通过实时生产信息采集模块中的各类感知器获取各级生产单位在实际生产中产生的数据，同时对于每项生产数据加入相应的描述，例如生产数据的单位，合理数据范围，各级别报警阈值和对应报警信息，这些信息是从实际生产中获得的经验数据，按照<K，V>键值对的方式，对应每条数据的唯一编码，为了能够随时扩充而存储在数据库中，扩充了整个数据模型动态的对于实际生产的描述能力；按照生产层级以广义知识树的方式，将各项数据按照实际的生产层级映射组织成空间树的形式，构建动态生产信息模型，采用推、拉双模式获取生产环境信息；

本发明实施例中，以矿山浮选工序为例，可组织数据如图3所示；其中，信息模型由资源节点和属性节点两类节点组成：图中的圆形节点为上下文资源节点，即对应上层每个感知器获取的数据，采用键值对法对资源节点的具体属性信息进行描述；每个资源节点，可具有多个子资源节点或多个属性节点，这些子节点的名称是唯一的。

在上下文信息树中，资源节点主要起着资源组织的作用，资源节点本身并没有属性信息，其信息是通过其子属性结节来描述的；图中的方形节点为上下文属性节点，属性节点隶属于其父资源节点，用来描述具体的浮选工艺生产数据，每个属性节点以键值对法描述其父资源节点的具体信息，用来描述具体的浮选工艺生产数据，例如原矿品位，精矿品位，系统回路1A的NaOH流量等；全树是以实际的生产组织结构来构建的，在浮选工艺上，有原矿品位，精矿品位等资源节点，每个节点下属对应的属性；在浮选工艺之下还有系统回路1A等子生产单位，其下也有所属的资源节点如NaOH流量，CaO流量，淀粉流量等等，用下级的属性节点来描述各个资源的上下文状态。

本发明实施例中，上下文信息元素采用类URI(Uniform Resource Identifier)的表示方式，来定义任意的资源、资源的属性、或者资源的子资源、子属性等，每个URI是与统一的编码格式对应的，通过编码来描述节点之间的层级关系，以保证每个节点的路径是唯一表示的；

本发明实施例中，对于历史数据的持久化，是通过按照一定的频率将整个信息数据存储到数据库里实现的，将每一个资源节点统一成一种类对象，将该时刻节点的状态和在空间树中的父子关系都存储在一个对象，其中保存该资源节点所有的属性节点，全树的节点以列表的形式保存，可以通过路径的映射还原信息树，重现当时的生产信息状态。

(3)实时生产事件管理模块：用于对动态生产信息模型中的事件进行识别和管理，采用动态生产信息模型监控实际生产数据，当生产数据发生异常变化时，则在时间区域中形成由多个异常生产事件所构成的复合事件集合，并将此时的动态生产信息模型封装成一个类对象，发送至报警系统中提示工作人员；

实时生产信息事件具有高复杂性和强时效性的特点：一方面，实时生产环境的繁杂多变，使得实时生产信息事件也愈加复杂；另一方面，实时生产环境具有很强的时效性，故实时生产信息事件处理的实时性要求亦很高。从实际的工业生产应用角度来讲，单个实时生产信息事件的意义并不大，更值得关注的是多个实时生产信息事件的组合发生，即那些高复杂性实时生产信息事件；实时生产信息事件描述了实时生产信息的变更过程，依据其是否可拆分定义为原子事件和复合事件；

实时生产信息事件发生期指明了实时生产信息事件所持续作用的时间区间，由时间轴上有限个时间区间组成，即D(e)＝{D₁(e)，D₂(e)，...，D_n(e)}(n≥1)，n表示时间区间的个数；对于任一时间区间D_i(e)∈D(e)(1≤i≤n)，均为一个连续的时间区间；区间的左端点为开始时间B，右端点为终止时间E，即D_i(e)＝[B_i(e)，E_i(e)]；可知，当n＝1时，多为原子事件；当n＞1时，多为复合实时生产信息事件；

本发明实施例中，以图3树中的NaOH为例，当获取的数值处于该属性节点的阈值之外时，就触发了一个实际的生产事件，使对应的报警状态的改变；如果其他的生产信息也有类似情形，继而就触发了一个复合的浮选工序生产事件的发生，系统就会将此时的生产环境数据，即管理模块中的空间树模型的全部状态封装成一个类对象，通过JSON串向生产人员或者其他系统通过RestFul Web Service的方式进行提交，以对事件做出合理的响应。

(4)实时生产信息查询服务模块：用于采用同步请求和异步通知相结合的信息互补查询服务模式，通过封装成RestFul Web Service的形式统一的访问接口，利用http协议为上层应用提供信息查询服务；

本发明实施例中，如图4所示，同步请求访问模式是指，通过实时生产信息管理模块对底层实时生产信息采集模块所采集到的信息进行聚合，将其加工成为满足上层应用需求的高层生产信息，以提供即时的实时生产信息查询服务，为了系统的开放性，实现了一个RestFul Web Service，按照一定的时间周期，将当前生产环境信息，即管理模块中的空间树模型的全部状态封装成一个类对象，通过JSON串对外部提供同步信息查询服务。而异步请求访问模式则是指通过生产信息监听器注册需要获取的资源信息标识及其触发事件类型，以信息订阅方式满足高层应用的生产信息查询请求，同样实现了一个RestFul Web Service，按照其他用户或系统的请求，将当前生产环境信息，即管理模块中的空间树模型的全部状态封装成一个类对象，通过JSON串对外部提供同步信息查询服务。异步访问模式的优势在于，借助该装置实现了工业实时生产信息交互双方在时间维度和控制层面上的解耦，非常适合于在分布式环境中提供工业生产信息查询服务；

在之前所提的事例中，浮选工序的生产信息周期性发布、查询和生产事件的触发查询就是查询服务的集中体现。