汪松松， 彭來湖， 胡旭東

(1. 浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備 技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

以O(shè)PC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)標(biāo)準(zhǔn)為代表的標(biāo)準(zhǔn)化信息建模技術(shù)在工業(yè)裝備領(lǐng)域獲得廣泛研究[1]，并在數(shù)字化車間建設(shè)中的自動(dòng)化裝備和系統(tǒng)之間集成方面具有較成熟的實(shí)例化應(yīng)用場(chǎng)景[2-3]，使得分布于不同生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的設(shè)備和系統(tǒng)不再是信息孤島，信息交互從底層設(shè)備層貫穿至控制層和管理層網(wǎng)絡(luò)[4]，為工業(yè)生產(chǎn)提供了一種較為統(tǒng)一的信息模型交互操作方案。另外，通過構(gòu)建服務(wù)架構(gòu)[5]、信息模型轉(zhuǎn)化與映射[6-7]、信息交互文件模式[8]等方法，并基于OPC UA的軟件開發(fā)工具包(SDK)[9]，降低了OPC UA信息模型的實(shí)例化的技術(shù)門檻，使OPC UA標(biāo)準(zhǔn)易于技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

在針織裝備的信息化進(jìn)程中，目前主要以縱向的生產(chǎn)管理智能化等為重點(diǎn)發(fā)展方向[10-11]，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將針織裝備與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)[12]、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等聯(lián)通，對(duì)裝備狀態(tài)、生產(chǎn)、工藝、花型等數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制[13]。在針織裝備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息交互過程中[14]，其基本屬性信息與生產(chǎn)過程信息的交互是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而大部分針織裝備信息結(jié)構(gòu)化層度低，沒有統(tǒng)一的規(guī)范，形成了碎片化、半結(jié)構(gòu)化和信息異構(gòu)特征,降低了信息語義的互通性。另外，針織裝備缺乏通用的信息模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建與表示方法，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化針織裝備信息模型，難以提高針織裝備信息模型的完備性，也最終導(dǎo)致了針織制造裝備與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的信息互操作能力低。

本文針對(duì)針織裝備信息模型構(gòu)建技術(shù)展開研究。通過研究結(jié)構(gòu)化語義信息維度和針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)與建模方法，采用形式化的信息模型構(gòu)建過程，實(shí)現(xiàn)基于OPC UA的針織裝備實(shí)例化建模，并構(gòu)建了針織裝備組件集與屬性集，對(duì)信息模型結(jié)構(gòu)屬性進(jìn)行優(yōu)化；通過針織裝備模型標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)與實(shí)驗(yàn)，以期為各類針織裝備信息建模提供指導(dǎo)。

1 針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)與建模方法

1.1 結(jié)構(gòu)化語義信息

針對(duì)針織裝備數(shù)據(jù)量大、且數(shù)據(jù)類型多的問題，要了解交互數(shù)據(jù)的語義，就務(wù)必要求通信雙方具有相同規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸格式和編解碼語義系統(tǒng)；更進(jìn)一步，如果要解析數(shù)據(jù)提供方所提供的數(shù)據(jù)其內(nèi)在聯(lián)系、動(dòng)態(tài)操作功能等則對(duì)信息供給側(cè)提出了更高的要求。為此，將針織裝備信息供給側(cè)信息集群有機(jī)地組織起來，明確各數(shù)據(jù)間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，以構(gòu)建信息供給側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，以供信息接收方能理解其數(shù)據(jù)的語義與數(shù)據(jù)間的關(guān)系。

把針織裝備信息分為3個(gè)維度：一是信息表示維度，即具體數(shù)值；二是語義維度，即每個(gè)信息所代表的組件含義，如單位、描述、范圍、數(shù)據(jù)類型等；三是關(guān)系維度，即信息點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，如集合關(guān)系、線性關(guān)系、樹狀(層次)關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系等。這3個(gè)信息維度是針織設(shè)備信息因子中不可缺少的方面，只有信息表示1個(gè)維度則無法解碼，并無法獲得更多的關(guān)系信息。反之，各個(gè)維度上表達(dá)的信息量越豐富，則針織裝備的語義越完備。

1.2 基于OPC UA框架的信息模型建模方法

采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)化框架信息節(jié)點(diǎn)的單位、語義等因素，利用網(wǎng)狀地址空間模型結(jié)構(gòu)表述信息任意節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系，解決建模涉及的針織裝備3個(gè)信息維度，規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，構(gòu)建完整、統(tǒng)一的針織裝備信息模型，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警等開發(fā)成規(guī)范化信息接口。采用針織裝備車間建模時(shí)，設(shè)計(jì)的主要非形式化的過程如下。

1)圖1示出裝備信息基礎(chǔ)模型。選擇OPC UA作為建模方法，分析裝備數(shù)字化結(jié)構(gòu)，明確各維度上的組成，以確定建模覆蓋范圍。

圖1 裝備信息模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Equipment information model infrastructure

2)根據(jù)上層管理系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的需求與裝備物理結(jié)構(gòu)，自上而下對(duì)整個(gè)針織裝備數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，以得到低耦合、高類聚的若干分析域，即將一個(gè)大而復(fù)雜的信息模型按照裝備生產(chǎn)子系統(tǒng)劃分為組件集、組件等單元，從而讓裝備的信息管理模塊化，其中組件集又包含若干組件單元。

3)對(duì)裝備各組件進(jìn)行數(shù)字化，依據(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)及各組件的本身屬性參數(shù)，建立屬性集，確定各屬性的數(shù)據(jù)類型、讀寫屬性、單位、值域范圍、是否必選等屬性元素,從而形成詳細(xì)的信息模型數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)庫等表現(xiàn)形式。

依據(jù)上述建模過程，形成針織裝備組件集與屬性集，并通過迭代以提高信息模型的語義完備度。

2 針織裝備的OPC UA實(shí)例化建模

2.1 數(shù)字化針織生產(chǎn)車間模型分析

針織生產(chǎn)車間并沒有統(tǒng)一的信息模型，但從智能制造體系的一般結(jié)構(gòu)來看，從信息的上下流動(dòng)分為設(shè)備層、執(zhí)行層和資源層，與針織生產(chǎn)的設(shè)備層、車間層、企業(yè)層相對(duì)應(yīng)，如圖2所示。設(shè)備層是車間生產(chǎn)信息模型的信息源，在針織生產(chǎn)中，針織裝備自動(dòng)化程度高，物流搬運(yùn)等輔助生產(chǎn)設(shè)備則配置數(shù)量少，一般由專人看管操作。在執(zhí)行層中，主要為基于MES的管理，一方面對(duì)設(shè)備層的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的監(jiān)視，向設(shè)備層發(fā)布生產(chǎn)計(jì)劃指令，并根據(jù)各針織裝備的生產(chǎn)效率與產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度；人員的管理通過在針織機(jī)上刷卡實(shí)施；工藝花型管理則由MES系統(tǒng)向針織機(jī)械控制系統(tǒng)下發(fā)；每臺(tái)針織設(shè)備都提供編織質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，MES的管理以針織設(shè)備為主。在資源層上，企業(yè)ERP則通過MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略的執(zhí)行與監(jiān)控。

圖2 針織生產(chǎn)車間信息模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Knitting workshop information model structure

從生產(chǎn)車間管理過程角度來看，針織車間的執(zhí)行層與設(shè)備層之間的交互信息是針織裝備生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，主要信息單元為設(shè)備管理、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、人員管理、質(zhì)量控制與追溯、工藝執(zhí)行管理等，為針織信息模型的構(gòu)建提供了針織裝備生產(chǎn)運(yùn)行信息的關(guān)鍵子集。

2.2 基于形式化的信息模型構(gòu)建過程

從針織裝備的機(jī)械機(jī)構(gòu)上分析，一般包括送紗器、氣閥、織針、針筒、選針器、伺服電機(jī)等部件，各組件單元有其自身的技術(shù)參數(shù)屬性；另一方面，針織裝備的廠家信息、設(shè)備標(biāo)號(hào)、各部件的數(shù)量及配置等也是針織裝備的基礎(chǔ)信息。

不失一般性，提出將OPC UA信息模型通用建模規(guī)則和針織裝備的生產(chǎn)運(yùn)行信息與基礎(chǔ)信息相映射，如圖3所示。針織裝備的信息模型是由若干部件、固有屬性、生產(chǎn)過程屬性以及各類操作組成的，每個(gè)部件又可以包含其它子部件和屬性。由于OPC UA模型天然適應(yīng)工業(yè)設(shè)備的建模與擴(kuò)展，它通過屬性、屬性集、組件、組件集、設(shè)備、方法、方法集、引用等元素，完整映射了針織裝備的一切信息，包括靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。

圖3 針織裝備與OPC UA信息模型元素的映射Fig.3 Mapping of knitting machine and OPC UA information model elements

為了解決目前非形式化建模過程，保證針織裝備信息模型與設(shè)備本體的一致性，提出從非形式化、形式化、實(shí)例化的持續(xù)演進(jìn)方法來動(dòng)態(tài)構(gòu)建。根據(jù)管理系統(tǒng)的需求和本體元模型規(guī)范，理論模型構(gòu)建過程如圖4所示。在保證針織裝備語義信息模型完備性的同時(shí)，也兼顧工程實(shí)施的可行性，針對(duì)網(wǎng)狀信息關(guān)系，并通過降維方法生成樹狀關(guān)系模型。

首先收集針織制造領(lǐng)域信息而實(shí)現(xiàn)非形式化建模；然后通過建模修訂、元模型選取、關(guān)系迭代等過程建立形式化針織裝備模型群；最后生成針織裝備信息模型實(shí)例。構(gòu)建信息模型網(wǎng)狀圖結(jié)構(gòu)，全面表示信息節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，但其模型關(guān)系度的復(fù)雜性也制約了模型的表示與實(shí)現(xiàn)，通過針織裝備信息模型關(guān)系生成樹方法，生成樹狀結(jié)構(gòu)信息模型，以便信息的交互，構(gòu)建步驟如下：

1)對(duì)針織制造領(lǐng)域內(nèi)生產(chǎn)裝備進(jìn)行信息化初始表示。采用非形式化的信息描述，列舉出該領(lǐng)域中的所有概念以及對(duì)該概念的詳細(xì)解釋。除此之外，針對(duì)每個(gè)概念，要列出它所有可能的屬性，每個(gè)屬性都有對(duì)應(yīng)的屬性值。通過領(lǐng)域概念學(xué)習(xí)、公理化分析，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域概念關(guān)系庫，并通過評(píng)價(jià)、再學(xué)習(xí)的循環(huán)迭代機(jī)制實(shí)現(xiàn)針織制造領(lǐng)域非形式化元模型概念集。提取各概念集共性，根據(jù)信息模型規(guī)則建立針織制造領(lǐng)域基本模型概念屬性集。每次迭代增加針織領(lǐng)域概念信息節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷其已有的信息節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，形成關(guān)系庫。

圖4 針織裝備語義信息模型構(gòu)建的演進(jìn)過程Fig.4 Evolution of knitting machine semantic information model construction

2)依據(jù)針織制造領(lǐng)域元模型，構(gòu)建針織制造裝備信息節(jié)點(diǎn)集，形成針織制造裝備本體信息模型群。依據(jù)規(guī)則集建立信息節(jié)點(diǎn)屬性集，形成針織裝備信息節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系空間，建立信息節(jié)點(diǎn)i到信息節(jié)點(diǎn)j的關(guān)系度con(i,j)：

con(i,j)=∑conk(i,j)×wk

關(guān)系度由數(shù)據(jù)的變化活躍度、各種關(guān)系結(jié)構(gòu)及權(quán)值wk構(gòu)成。其中，k為子權(quán)值序號(hào)。

3)建立針織裝備基本模型信息節(jié)點(diǎn)集，建立針織裝備基本模型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生成加權(quán)有向圖GD=(V，con(G))，V為增設(shè)全局關(guān)系節(jié)點(diǎn)a0的信息節(jié)點(diǎn)屬性集{a0，a1，a2，…，an}，以保證任何信息節(jié)點(diǎn)是相連的，且關(guān)系矩陣為：

4)重復(fù)(2)～(3)步驟，直至針織裝備基本模型群在當(dāng)前服務(wù)集認(rèn)知域中是完備的。

5)構(gòu)建針織裝備信息模型生成樹T和新關(guān)系矩陣con(T)。信息模型有向圖信息節(jié)點(diǎn)間路徑的不確定性也導(dǎo)致了信息空間信息量的增加，無法實(shí)現(xiàn)信息模型根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)的唯一性，尤其針對(duì)信息處理資源受限的針織裝備，對(duì)信息表示造成了嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。為此，通過賦權(quán)有向圖構(gòu)建生成樹，建立基于根節(jié)點(diǎn)和廣度優(yōu)先的生成樹，對(duì)網(wǎng)狀空間信息節(jié)點(diǎn)有向圖向樹狀圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終生成針織裝備信息模型生成樹T和新關(guān)系矩陣con(T)，降低了針織裝備信息模型的復(fù)雜度，以提高信息模型的交互能力。

2.3 針織裝備組件集與屬性集

通過對(duì)各針織裝備共性結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)過程進(jìn)行抽象分析，組建包括基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集、生產(chǎn)過程屬性集、配置信息、部件信息和生產(chǎn)環(huán)境信息的針織裝備信息模型如圖5所示，主要包括以下幾部分。

圖5 針織裝備信息模型Fig.5 Knitting machine information model

1)基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集包括裝備信息屬性集、主控信息屬性集、人機(jī)交互信息屬性集、工廠信息屬性集等，基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集反映了針織裝備的類型、廠家、系統(tǒng)屬性等靜態(tài)屬性，是基礎(chǔ)的固定屬性。

2)生產(chǎn)過程屬性集反映針織裝備在實(shí)際運(yùn)行過程中的狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等過程信息，包括產(chǎn)品訂單信息、生產(chǎn)計(jì)劃、花型信息、編織信息、班次信息、人員管理信息等動(dòng)態(tài)屬性集，并通過速度、產(chǎn)量、時(shí)間、狀態(tài)、人員執(zhí)勤等變化屬性來描述整個(gè)針織自動(dòng)化生產(chǎn)過程，是針織裝備屬性集的核心部分。另外，針織車間生產(chǎn)環(huán)境對(duì)織物坯布的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響，考慮將溫度、濕度、震動(dòng)屬性等環(huán)境信息納入針織裝備信息模型中，將對(duì)針織生產(chǎn)過程與質(zhì)量評(píng)價(jià)提供更加豐富的數(shù)據(jù)。

3)配置信息主要包括針織裝備的聯(lián)網(wǎng)配置，涉及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)所需要的時(shí)區(qū)、聯(lián)網(wǎng)IP與端口號(hào)、通信協(xié)議版本、登錄賬號(hào)與密碼等相關(guān)信息。進(jìn)一步地，網(wǎng)絡(luò)配置信息也是上層管理系統(tǒng)識(shí)別針織裝備的主要方式。

4)部件集主要包括配電、電動(dòng)機(jī)、氣閥、選針器等針織裝備子部件，各子部件又可擴(kuò)展成遞歸式的子屬性集和子部件。

最后，根據(jù)OPC UA數(shù)據(jù)字典的需求及通用規(guī)范，在針織裝備信息模型底層的屬性中，構(gòu)建了針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)Fig.6 Knitting machine attribute element structure

每一個(gè)屬性都由多個(gè)屬性元素組成，屬性元素是描述物理設(shè)備、部件的最小單元。對(duì)基礎(chǔ)靜態(tài)屬性、生產(chǎn)過程屬性、配置信息、部件集、環(huán)境信息等屬性建立數(shù)據(jù)字典，包含屬性元素?cái)?shù)據(jù)，通過屬性ID與名稱來標(biāo)識(shí)屬性，訪問權(quán)限、高低限值來保證了數(shù)據(jù)安全，針織裝備典型的屬性如表1所示。

表1 針織機(jī)裝備典型屬性Tab.1 Typical properties of knitting machine

3 針織裝備信息模型優(yōu)化

3.1 考慮數(shù)值變化頻度的屬性

OPC UA信息模型的屬性集主要分為靜態(tài)屬性集與動(dòng)態(tài)屬性集，依據(jù)裝備對(duì)象的數(shù)值變化頻度，采用兩種不同的采樣周期，降低OPC UA服務(wù)器的信息存儲(chǔ)，而又能提供準(zhǔn)確的信息模型歷史數(shù)據(jù)。

考慮到針織裝備的生產(chǎn)過程屬性中屬性較多，其中圓緯機(jī)和經(jīng)編機(jī)達(dá)到100項(xiàng)以上，各動(dòng)態(tài)屬性中各數(shù)據(jù)的變化頻度也有很大區(qū)別，對(duì)采樣頻率與方式進(jìn)行優(yōu)化。如針織裝備的產(chǎn)量在每分鐘會(huì)有累增，速度也會(huì)在以秒級(jí)變化，上層系統(tǒng)對(duì)針織裝備生產(chǎn)過程各屬性集數(shù)據(jù)的采集頻率也過于統(tǒng)一，如果采集頻率過高則對(duì)數(shù)據(jù)處理與通信造成負(fù)擔(dān)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)造成冗余，采集頻率過低，則無法反映針織生產(chǎn)過程；因此，可對(duì)每一屬性采用不同的采樣頻率或針織裝備的屬性變化數(shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)方式，可提高針織裝備信息模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用效率，而并不增加信息模型的額外負(fù)擔(dān)。

3.2 考慮優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)屬性

考慮到網(wǎng)絡(luò)資源受限，針對(duì)實(shí)時(shí)信息并發(fā)傳輸時(shí)，基于工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的要求，根據(jù)針織車間執(zhí)行層管理系統(tǒng)對(duì)針織裝備各屬性的實(shí)時(shí)性、可靠性等質(zhì)量要求的差異性，信息模型屬性數(shù)據(jù)按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)發(fā)送，如裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)是管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)關(guān)注的，則優(yōu)先傳輸，而訂閱的生產(chǎn)速度、產(chǎn)量則可靠后轉(zhuǎn)發(fā)。因此，對(duì)針織裝備屬性增加質(zhì)量元素，采用“至少一次”傳輸指令性設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)，保證屬性數(shù)據(jù)的正確可靠，而采用“只有一次”模式按頻率傳輸一般動(dòng)態(tài)屬性數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置認(rèn)證類初始數(shù)據(jù)采用“最多一次”模式，提高了聯(lián)網(wǎng)的安全能力。

3.3 屬性間相關(guān)性分析

由于針織裝備信息模型屬性之間并不是完全解耦的，如針織裝備運(yùn)行狀態(tài)是針織車間執(zhí)行層管理系統(tǒng)非常關(guān)注的變量，但與針織裝備運(yùn)行速度相關(guān)性高，速度為0 r/min時(shí)則狀態(tài)為停車，速度高于一定閾值則為運(yùn)行狀態(tài)、速度高于一定閾值則為點(diǎn)動(dòng)等，針織裝備運(yùn)行狀態(tài)與速度范圍一一對(duì)應(yīng)，即通過速度情況則可行到裝備狀態(tài)，而無需狀態(tài)屬性的值。同樣，預(yù)設(shè)產(chǎn)量、已完成量和未完成量是線性相關(guān)的；總停車時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間和時(shí)間效率成運(yùn)算關(guān)系等。屬性間的高關(guān)聯(lián)度降低了針織裝備信息模型的表達(dá)效率，容易引起數(shù)據(jù)間的不一致性，過多的冗余數(shù)據(jù)也會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，引起管理系統(tǒng)的混亂，但屬性間一定關(guān)聯(lián)度也可幫助管理系統(tǒng)對(duì)針織裝備信息模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)尼樋椦b備冗余屬性以提高信息模型的可靠性。

針對(duì)基于OPC UA的針織裝備信息模型，可對(duì)屬性元素進(jìn)行改進(jìn)，增加頻度、優(yōu)先級(jí)、相關(guān)性等元素，改進(jìn)后的針織裝備屬性結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)Fig.7 Improved knitting machine attribute element structure

圖8 針織裝備信息模型服務(wù)器結(jié)構(gòu)Fig.8 Server structure of knitting machine information model

4 針織裝備模型標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)與實(shí)驗(yàn)

4.1 基于OPC UA的互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)開發(fā)方法

采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)化建模方法，以針織裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基本屬性對(duì)象，從下至上構(gòu)造包括數(shù)據(jù)、信息模型、地址空間模型的針織裝備信息模型服務(wù)器，并采用HasChild、HasSubtype、HasSubdevice引用類型，如圖8所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)類及其屬性來定義元模型，向OPC UA客戶端提供讀寫功能。從技術(shù)開發(fā)上分析，信息模型中節(jié)點(diǎn)、引用關(guān)系等異常復(fù)雜，圍繞地址空間、服務(wù)模型與針織裝備的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行并行設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)，工程量大，而選擇采用OPC UA的成熟、可裁的SDK開發(fā)，可降低開發(fā)成本，提高開發(fā)速度?？紤]到OPC UA服務(wù)器與針織裝備的貼合度與企業(yè)需求，有開發(fā)獨(dú)立服務(wù)器、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、完全融合等方法。

1)開發(fā)獨(dú)立服務(wù)器方式。把針織裝備OPC UA服務(wù)器作為基于普通計(jì)算機(jī)的可獨(dú)立執(zhí)行程序的一部分，基于Windows的SDK開發(fā)，可根據(jù)針織裝備信息模型數(shù)據(jù)字典進(jìn)行可視化的二次開發(fā)，通過針織裝備OPC UA客戶端可與企業(yè)MES等軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。另外，一個(gè)服務(wù)器平臺(tái)可連接多臺(tái)針織裝備終端，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模針織生產(chǎn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。開發(fā)獨(dú)立服務(wù)器方式較容易實(shí)現(xiàn)，適用面廣，是實(shí)現(xiàn)基于OPC UA的針織裝備信息模型的主要方式。

圖9 OPC UA獨(dú)立系統(tǒng)Fig.9 OPC UA independent system

2)開發(fā)OPC UA數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)方式。在對(duì)現(xiàn)役針織裝備進(jìn)行改造升級(jí)時(shí)，由于針織裝備間沒有統(tǒng)一的互聯(lián)互通接口，可開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的OPC UA的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。其對(duì)上層MES系統(tǒng)采用統(tǒng)一的通信接口，有統(tǒng)一的通信協(xié)議，向下則采用獨(dú)立的總線或者特定接口，以接入現(xiàn)役設(shè)備，采集現(xiàn)有針織裝備信息模型數(shù)據(jù)，對(duì)車間MES管理系統(tǒng)提供OPC UA服務(wù)器功能。

3)OPC UA與電控系統(tǒng)完全融合方式。理想的針織裝備信息模型服務(wù)則為直接嵌入在裝備本身的控制系統(tǒng)功能中，與OPC UA的信息模型達(dá)到完全的融合，無需其它網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，OPC UA客戶端則可直接與針織裝備控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。針織裝備種類多，各控制系統(tǒng)平臺(tái)也各不相同，需要基于針織信息模型對(duì)OPC數(shù)據(jù)、信息模型、地址空間、引用等進(jìn)行深入開發(fā)，目前主要用于價(jià)格昂貴的大型針織裝備上。

無論是基于獨(dú)立服務(wù)器、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還是完全融合，需根據(jù)各針織裝備的特點(diǎn)進(jìn)行分析，常常是多種方式共用，連接拓?fù)淙鐖D10所示。

圖10 針織裝備信息模型OPC UA連接方式Fig.10 Knitting machine information model OPC UA

4.2 針織裝備信息模型實(shí)驗(yàn)

采用開發(fā)獨(dú)立服務(wù)器方式，開發(fā)基于windows7的UaExpert SDK，構(gòu)建地址空間服務(wù)器，對(duì)針織裝備圓緯機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。配置一臺(tái)Xeon E5-2 660雙核64G內(nèi)存計(jì)算機(jī)作為UaExpert服務(wù)器，能讀取1 000個(gè)/s的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

在本數(shù)據(jù)模型中，針織圓緯機(jī)擁有103項(xiàng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，20項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的變化頻率約為每3 min變化1次，只有8項(xiàng)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)變化的。為此，采用不同的采樣頻率，并同時(shí)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)影子歷史數(shù)據(jù)表，提高了數(shù)據(jù)庫的增刪查改性能。

將一臺(tái)圓緯機(jī)連接到OPC UA服務(wù)器端，并利用OPC UA客戶端訪問OPC UA服務(wù)器上圓緯機(jī)的信息模型數(shù)據(jù)，包括主控、人機(jī)、運(yùn)行、班產(chǎn)等屬性集，各屬性包含名稱、類型、權(quán)限等元素結(jié)構(gòu)，并對(duì)屬性集信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫測(cè)試，證明了OPC UA框架下的針織裝備信息模型的可行性。

表2示出針織裝備信息模型特征對(duì)比。

表2 針織裝備信息模型特征對(duì)比Tab.2 Characteristics comparison of knitting machine information model

通過對(duì)針織裝備語義信息模型驗(yàn)證，對(duì)改進(jìn)的信息模型相對(duì)于碎片化信息點(diǎn)、單純OPC UA模型下針織裝備信息模型相比，在模型架構(gòu)、語義結(jié)構(gòu)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面均有改進(jìn)，提高了信息的完備度，通過標(biāo)準(zhǔn)化建模，語義豐富、易于實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 論

針織裝備信息模型是實(shí)現(xiàn)針織生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的技術(shù)，本文主要從OPC UA標(biāo)準(zhǔn)化建模技術(shù)入手，在OPC UA框架下構(gòu)建了針織裝備信息建模型結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下。

1)通過對(duì)針織裝備結(jié)構(gòu)化語義維度信息分析，研究了非形式化的建模過程，并通過OPC UA標(biāo)準(zhǔn)化模型映射，給出了一種針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。

2)設(shè)計(jì)了形式化的信息模型構(gòu)建過程，并通過賦權(quán)有向圖構(gòu)建生成樹，對(duì)針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)降維，建立基于根節(jié)點(diǎn)和廣度優(yōu)先的生成樹模型結(jié)構(gòu)，具有組件集與屬性集的針織裝備信息?；卺樋椦b備信息模型數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)變化頻度、優(yōu)先級(jí)、相關(guān)性方面做了相應(yīng)優(yōu)化，豐富了信息模型語義。

3)采用開發(fā)獨(dú)立服務(wù)器方式，開發(fā)基于windows7的UaExpert SDK，在針織裝備OPC UA的客戶端進(jìn)行了讀寫測(cè)試，驗(yàn)證了在OPC UA框架下構(gòu)建的針織裝備信息模型實(shí)例化的可行性，并具有語義信息完備性高的特點(diǎn)。

本文基于OPC UA框架構(gòu)建的針織裝備信息模型對(duì)各類針織裝備信息建模實(shí)例化與標(biāo)準(zhǔn)化具有一定的指導(dǎo)意義。