第一篇：基于WSN 智能家庭溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計論文

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，比爾蓋茨的智能家庭開始有機會走進尋常百姓家。該文主要介紹一種基于WSN技術(shù)實現(xiàn)家庭溫濕度環(huán)境監(jiān)控的方案，本系統(tǒng)易于擴展，可以作為智能科技家庭的框架，通過擴展模塊，可以作為一個完整的智能家庭解決方案。筆者對軟硬件方面進行了研究分析，著重分析系統(tǒng)架構(gòu)模型，并對子模塊的功能和工作原理做了簡單描述。該系統(tǒng)云平臺采用最新的Node.js技術(shù)做支撐，系統(tǒng)基于RESTful風(fēng)格構(gòu)建。引言

隨著社會的發(fā)展，人們對于生活居住條件的要求越來越高，人們希望可以像比爾蓋茨一樣隨時隨地掌控居住環(huán)境。近些年，由于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)等的不斷發(fā)展，智能家庭正在悄悄走進千家萬戶。智能家庭是在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)后臺獲取并存儲數(shù)據(jù)，通過特定的算法對數(shù)據(jù)進行分析，將得到的結(jié)果返回給執(zhí)行機構(gòu)或通知用戶，從而為用戶提供一個智能的居家生活環(huán)境。目前智能家庭系統(tǒng)方案眾多，各有優(yōu)缺點。

筆者在智能家庭方面進行了研究，提出了一套易于擴展、高性能的智能家庭系統(tǒng)。本系統(tǒng)是一個輕量級的但功能完整的智能家庭系統(tǒng)。傳統(tǒng)的智能家庭對設(shè)備的控制大多基于局域網(wǎng)絡(luò)，只適應(yīng)于家庭內(nèi)部進行監(jiān)測控制，本系統(tǒng)以家庭為單位，將所有家庭的數(shù)據(jù)采集到云端存儲，便于以后的分析挖掘，使本系統(tǒng)可以更加智能，同時系統(tǒng)采用分層的模塊化架構(gòu)，便于維護和擴展。本系統(tǒng)在設(shè)計的時候充分考慮安全和成本，力求在安全的前提下降低系統(tǒng)成本。系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，每個家庭都通過 TCP/IP 協(xié)議接入智能家庭云平臺，在家庭和Internet 之間通過網(wǎng)關(guān)管理控制，家庭內(nèi)部則采用 Zigbee 構(gòu)建的局域網(wǎng)進行通信，達到監(jiān)測和控制的目的。用戶可以通過客戶端連接到云平臺查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)和控制家庭中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。云平臺可以通過特殊的算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，層而達到越用越聰明的目的。

Zigbee 是一種低功耗、短距離、低速短延時、簡單大容量、安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[1]。zigbee 具有強大的自組織網(wǎng)絡(luò)性能，主要工作在ISM 頻段。其中，2.4GHz 頻段較為常見，并且免費使用。在每一個家庭中通過 Zigbee 構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)，達到安全可靠、成本低、低功耗的家庭網(wǎng)絡(luò)的需求。

家庭網(wǎng)關(guān)采用Arduino 模塊。Arduino 是一塊基于開放原始代碼的 Simple I/O平臺[2]，因為 Arduino 是為業(yè)余電子愛好者開發(fā)的，所以開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境具有簡單易懂的特點，同時Arduino 開發(fā)語言是建立在 C語言的基礎(chǔ)上，功能強大，可以盡情發(fā)揮想象[3]。Arduino 以其簡單、便宜、功能強大贏得了成千上萬電子工程師的喜愛。

客戶端采用 WEB 形式，降低開發(fā)成本并且具有很高的兼容性。當(dāng)模塊增多，功能復(fù)雜的時候可以考慮開發(fā)APP，本身 APP 也可以通過 webview 等組建直接嵌入 WEB頁面，同時 WEB 也可以直接和微信打通，方便用戶使用。

2.2 云平臺架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用 REST 架構(gòu)。REST(Representational State Transfer)表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移是從資源的角度看待整個網(wǎng)絡(luò)[4]，分布在網(wǎng)絡(luò)中的各種資源都是通過 URL(統(tǒng)一資源定位器)來唯一確定，應(yīng)用程序可以通過 URL 來取得網(wǎng)絡(luò)資源的表征，從而改變其狀態(tài)。REST 架構(gòu)希望通過統(tǒng)一的 Hypermedia Controls，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的可擴展性高的標(biāo)準(zhǔn)語義及表現(xiàn)形式，從而達到無需人工干預(yù)、機器之間通用的交互協(xié)議邊的目的[5]。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)能夠讓被獨立尋址的物體互相連通，其中涉及的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備非常龐大，物聯(lián)網(wǎng)包含的物體個數(shù)保守估計在千萬億級別，面對如此強大的資源世界，采用 REST 架構(gòu)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在目前來看是最好的解決方案。硬件實現(xiàn)

3.1 主控制器設(shè)計

主控制器采用Arduino+Zigbee模塊，如圖，Arduino 擁有14個數(shù)字IO 接口和6個模擬 IO 接口，外部供電5V～9V 直流電源，輸出5V 和3.3V 直流電壓，采用 Atmega328微處理器控制器芯片。Zigbee 模塊使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增強型 8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)部可以編程閃存，且其具有4種不同的閃存運行模式模式，可直接在片上系統(tǒng)進行編程且代碼移植性好，技術(shù)成熟，成本低等優(yōu)勢讓其成為目前 ZIGBEE 開發(fā)的主流芯片。

3.2 溫濕度監(jiān)測模塊

通過DHT11溫濕度傳感器實時采集數(shù)據(jù)并通過 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)。DHT11具有快速響應(yīng)、全程測量、數(shù)字輸出等優(yōu)點。

3.3 繼電器控制模塊

主要由繼電器和簡單的電路構(gòu)成，用于接收動作命令控制大功率家電設(shè)備。

3.4 電路檢錯模塊

電路檢錯模塊獨立封裝，用于檢測設(shè)備是否正常，檢錯電路工作原理：協(xié)調(diào)器獲得開燈指令后，如果電路輸出為高電壓狀態(tài)，即設(shè)備損壞或電路接觸不良等，則客戶端和主控制器檢錯指示燈亮，提醒用戶檢查電路情況。軟件實現(xiàn)

4.1 硬件系統(tǒng)工作流程

設(shè)備開始運行先進行初始化，然后嘗試連接到云平臺，如果沒有連接成功則寫入日志并再次嘗試，三次之后若還沒有成功則對用戶做出反饋。硬件設(shè)備成功連接到網(wǎng)絡(luò)之后開始等待指令，得到指令之后立即執(zhí)行指令，成功則繼續(xù)等待執(zhí)行下一條指令，如果執(zhí)行不成功則記錄到日志并對用戶做出反饋。用戶可以隨時查看設(shè)備日志，方便發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

4.2 云平臺設(shè)計實現(xiàn)用

服務(wù)器采用 Node.js 技術(shù)實現(xiàn)。Node.js 是一個可以讓服務(wù)器運行 javascript 腳本的平臺，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等語言一樣不需要依賴于瀏覽器運行。Node.js 是為實時 WEB 而生，在構(gòu)建之初就考慮在實時響應(yīng)、超大規(guī)模數(shù)據(jù)要求下架構(gòu)的可擴展性。

Node.js的特點是單線程、異步 IO、事件驅(qū)動，這種程序設(shè)計模型的優(yōu)點是性能優(yōu)異、開發(fā)效率高[10]。目前 Node.js 憑借其優(yōu)秀的特性吸引了一大批開發(fā)者和公司，形成了一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)。成千上萬的第三方模塊讓 Node.js 開發(fā)更加高效，因此我們選擇采用 Node.js 技術(shù)構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的服務(wù)器平臺。

4.3 客戶端設(shè)計實現(xiàn)

通過服務(wù)器提供的 API，可以很方便實現(xiàn)各個平臺的客戶端。為了減少開發(fā)周期和盡可能多的適配客戶端，我們選擇先實現(xiàn)自適應(yīng)的 WEB 客戶端。采用WEB 技術(shù)實現(xiàn)客戶端，可以一次開發(fā)多種

客戶端適配，不同尺寸、不同平臺的設(shè)備都可以得到一個完美的呈現(xiàn)。

5結(jié)束語

本文是在參考了其他智能家庭實現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，進一步簡化流程和優(yōu)化操作之后設(shè)計的一種智能家庭解決方案。相比以往Zigbee網(wǎng)絡(luò)的智能家庭系統(tǒng)，主要增加了HTTP協(xié)議支持，讓用戶隨時隨地掌控家庭;采用RESTful風(fēng)格設(shè)計，方便設(shè)備連接和二次開發(fā)，加入云平臺的概念，給智能家庭帶來無限可能。目前系統(tǒng)存在的不足是服務(wù)器端無法直接發(fā)起會話，后期會通過mqtt協(xié)議解決這個問題。

第二篇：糧倉糧庫環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

糧倉糧庫環(huán)境

溫濕度綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)

設(shè)

計

方

案

目 錄

第一部分：概述

（1）糧食倉儲概述………………………………………………………………03（2）糧倉糧庫環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用背景…………………………………04（3）糧倉糧庫環(huán)境綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)…………………………………………04 第二部分：系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

◇上位管理主機…………………………………………………………………05 ◇數(shù)據(jù)通訊部分…………………………………………………………………05 ◇現(xiàn)場控制監(jiān)測點………………………………………………………………05 第三部分：控制模式

◇控制方式………………………………………………………………………06 第四部分：功能特點

（1）糧庫環(huán)境溫濕度監(jiān)測………………………………………………………07（2）O2、CO2濃度監(jiān)測?…………………………………………………………07（3）數(shù)據(jù)存儲功能………………………………………………………………07（4）設(shè)備聯(lián)動控制功能…………………………………………………………08（5）防火自動報警功能…………………………………………………………09（6）現(xiàn)場報警功能………………………………………………………………09（7）遠程傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理功能…………………………………………………09 第五部分：監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)平臺

（1）友好的用戶登陸管理界面…………………………………………………10（2）實時歷史、曲線報表數(shù)據(jù)分析…………………………………………10（3）多種形式的報警功能………………………………………………………11（4）遠程控制……………………………………………………………………11（5）監(jiān)控終端……………………………………………………………………11

第一部分：概 述

（1）糧食倉儲概述

我國現(xiàn)有14億人口，糧食儲藏好壞是關(guān)系到人民健康、市場供給、國家穩(wěn)定的大事。隨著人口增長迅速、耕地逐年減少、人類對社會物質(zhì)生活的需求愈來愈高。糧食的利用與保護得到社會的更加重視，人類必須杜絕糧食浪費與霉?fàn)€現(xiàn)象發(fā)生，珍惜糧食。

我國是世界上最大糧食生產(chǎn)和消費國。據(jù)統(tǒng)計，我國糧食收獲后在脫粒、晾曬、貯存、運輸?shù)冗^程中的損失高達15％，遠遠超過聯(lián)合國糧農(nóng)組織規(guī)定的5％，在這些損失中因未達到安全水分造成霉變、發(fā)芽等損失的糧食又占到5％。

糧食在儲藏期間，如果水分超標(biāo)，糧堆內(nèi)部的水分就表現(xiàn)出向表面及糧粒間隙中的空氣緩慢游離的趨勢，因糧食水分從不流動的空氣中逸出比較困難，它在糧粒間聚集，當(dāng)濕度達到飽和點時即開始凝結(jié)，隨之產(chǎn)生發(fā)酵和局部溫度升高現(xiàn)象，這又促使糧粒釋放出水分和加速相應(yīng)的發(fā)酵過程。當(dāng)環(huán)境溫度升高，糧食中帶有的粉塵、雜質(zhì)、特別是有機物雜質(zhì)加速了上述過程，嚴(yán)重威脅到安全儲糧，導(dǎo)致糧食腐爛。

因此糧倉糧庫環(huán)境應(yīng)保持通風(fēng)、干燥，內(nèi)外整潔有序。糧庫中應(yīng)采取防鼠、防蠅、防蟲、防盜等設(shè)施，杜絕有害蟲類的滋生。

（2）糧倉糧庫溫濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用背景

建國以來，經(jīng)過六十多年的發(fā)展，我國糧食倉儲技術(shù)得到了長足發(fā)展，在某些領(lǐng)域已經(jīng)達到世界先進水平，但就整體而言，我國糧食倉儲技術(shù)與發(fā)達國家相比，仍與一定的差距。目前，大部分糧倉庫仍為人工監(jiān)控管理，如降倉溫通風(fēng)是倉房日常管理中，尤其是低溫儲糧管理中的一項操作較為頻繁、辛苦的工作，經(jīng)常需要在半夜開機：由于糧食呼吸，儲糧穩(wěn)定性較差，保管員需不斷翻動糧面，通風(fēng)降溫散濕，因此國家需要投入大量人力。糧情，糧倉溫度靠人工監(jiān)測，保管員需要頻繁巡查，工作強度大，并且監(jiān)測結(jié)果不精確。

（3）糧倉糧庫溫濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

SQ-KZ糧倉糧庫環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以實時全面的掌握糧庫內(nèi)的溫濕度變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時做出正確處理，保證糧食長期安全存儲。本系統(tǒng)采用世界上先進的微電腦技術(shù)、PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)，帶有LCD顯示和鍵盤操作，能夠自動監(jiān)測糧倉糧庫內(nèi)的糧情、溫度、濕度，并能與糧倉糧庫內(nèi)的加熱、制冷、除濕、通風(fēng)等設(shè)備進行聯(lián)動，控制加熱、制冷、除濕、通風(fēng)等設(shè)備進行工作，也可根據(jù)人工設(shè)定的數(shù)值定時控制設(shè)備或根據(jù)需要進行人工開啟，使倉內(nèi)糧溫、水分、倉內(nèi)氣體的有效濃度與配比維持穩(wěn)定狀態(tài)，保證糧食倉儲的安全。

第二部分：系統(tǒng)組成部分

SQ-KZ糧倉糧庫環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：上位管理主機、數(shù)據(jù)通訊部分、現(xiàn)場控制監(jiān)測點、數(shù)據(jù)采集終端等。

◇上位管理主機

可選用物聯(lián)網(wǎng)感知應(yīng)用平臺或者是為客戶專門定制的操作監(jiān)測平臺。能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測、查詢、運算、統(tǒng)計、控制、存儲、分析、報警等多項功能，并能與糧倉內(nèi)設(shè)備聯(lián)動，自動計算和控制加熱、制冷、降濕、通風(fēng)等設(shè)備運行工作。

◇數(shù)據(jù)通訊部分

可根據(jù)需要選擇有線傳輸與無線傳輸方式，對于倉內(nèi)布線不方便的糧庫，可以采用無線通訊方式，利用GPRS/3G或Zigbee無線通訊。

◇現(xiàn)場控制監(jiān)測點

現(xiàn)場控制監(jiān)測點主要由數(shù)字溫濕度變送器、數(shù)據(jù)采集儀、通訊轉(zhuǎn)換器、配電控制柜及安裝附件組成。所有監(jiān)測點的溫濕度測量值最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，被傳送到上位管理主機，通過配套的數(shù)據(jù)管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲、打印等。

第三部分：控制方式

◇自動控制-----根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，智能控制箱按照預(yù)先編制的程序自動運行。

◇手動控制-----根據(jù)需要，可以選擇現(xiàn)場手動控制方式，啟動各種模式。

◇集中監(jiān)控-----監(jiān)控中心室能夠?qū)崟r顯示并自動記錄糧倉糧庫內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，遠程設(shè)定每臺控制箱的工作參數(shù)，自動報警。

◇3G互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控------通過安裝配套的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件，或者視頻監(jiān)控軟件，可以通過英特網(wǎng)實時了糧庫內(nèi)的環(huán)境變化信息及設(shè)備的運行狀態(tài)等。

第四部分：系統(tǒng)功能特點

（1）糧庫環(huán)境溫濕度監(jiān)測

通過溫濕度傳感器監(jiān)測糧倉糧庫內(nèi)的環(huán)境溫濕度，并能對數(shù)據(jù)進行采集、分析運算、控制、存儲、發(fā)送等。

（2）O2、CO2濃度監(jiān)測

--糧食是生命的有機體，具有呼吸功能。為了解儲藏條件是否適宜，常需要了解糧食在儲藏期間的生理狀態(tài)，需要測定儲糧的呼吸系數(shù)。

--在糧倉內(nèi)部署二氧化碳或氧氣濃度傳感器，實時監(jiān)測糧庫中的氣體含量，當(dāng)濃度超過系統(tǒng)設(shè)定的闕值范圍時，通過有線或無線傳輸技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到用戶監(jiān)控終端，由相關(guān)工作人員做出相應(yīng)調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)存儲功能

具有大容量數(shù)據(jù)存儲功能，現(xiàn)場可顯示、查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備工作參數(shù)。

（4）設(shè)備聯(lián)動控制功能

--降溫、散濕、通風(fēng)是倉房日常管理中的一項操作較為頻繁、辛苦的工作，經(jīng)常需要在半夜開機，由于糧食呼吸，儲糧穩(wěn)定性較差，保管員需不斷翻動糧面，通風(fēng)降溫散濕。實現(xiàn)倉窗、制冷、制熱、通風(fēng)等設(shè)備自動開關(guān)，對提高工作效率、降低勞動強度意義重大。--上位機控制平臺可根據(jù)糧庫環(huán)境的要求，對已設(shè)置的溫濕度數(shù)學(xué)模型進行分析，自動計算和控制加熱、制冷、降濕、通風(fēng)等設(shè)備狀態(tài)，也可根據(jù)人工設(shè)定的數(shù)值定時控制設(shè)備或根據(jù)需要進行人工開啟。

（5）防火自動報警功能

可提供現(xiàn)場聲光報警，監(jiān)測系統(tǒng)報警，并通過電話語音撥號報警或發(fā)送報警短信通知相關(guān)人員。

（6）現(xiàn)場報警功能

用戶可設(shè)定某些參數(shù)指標(biāo)的上限和下限，根據(jù)溫濕度實測值與人工設(shè)定的超限值進行對比分析，若實測值超過設(shè)定的范圍，則通過屏幕顯示報警或現(xiàn)場聲光報警。

（7）遠程傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理功能

可聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸現(xiàn)場監(jiān)測到的各種信息，上級部門可隨時調(diào)用、檢查糧庫環(huán)境的各項數(shù)據(jù)、報表，提供集中式系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)檢索功能，可與其它信息系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，支持TCP/IP協(xié)議。

第五部分：監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)平臺

我公司自主研發(fā)的糧倉糧庫溫濕度系統(tǒng)軟件，實時采集糧倉糧庫現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)模塊傳送至ZigBee節(jié)點或RS485節(jié)點上，然后通過光纖、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺，按照相關(guān)設(shè)定進行分析運算、控制、存儲等功能，并進一步與糧倉內(nèi)設(shè)備（如通風(fēng)、制冷、制熱、熏殺等）聯(lián)動完成相應(yīng)控制。

（1）友好的用戶登陸管理界面

--規(guī)定用戶使用權(quán)限，不同用戶提供不同的操作權(quán)限，非用戶不能登陸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全，操作簡單而富有人性化。

（2）實時歷史、曲線報表數(shù)據(jù)分析

--系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)信息以實時曲線的方式顯示給用戶，并根據(jù)需要按照日、月、季、年參數(shù)變化曲線生成歷史報表。便于對糧倉糧庫的運轉(zhuǎn)情況進行分析并做出改進，提高糧食倉儲的效率與安全。

（3）多種形式的報警功能，適合不同場合需要

--工作人員根據(jù)糧倉糧庫內(nèi)的具體情況，設(shè)置溫度、濕度等參數(shù)限值。在監(jiān)測時，如發(fā)現(xiàn)有監(jiān)測結(jié)果超出設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警提醒工作人員，報警形式包括：聲光報警、電話報警、短信報警、E-MAIL報警等。

（4）遠程控制

--現(xiàn)場采集設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過有線、無線、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街锌財?shù)據(jù)平臺，用戶從終端可以查看糧倉糧庫現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。并使用遠程控制功能，通過繼電器或采集輸出模塊對糧倉糧庫內(nèi)的相關(guān)設(shè)備進行自動化控制，如自動通風(fēng)系統(tǒng)、自動制冷制熱系統(tǒng)、自動除濕系統(tǒng)等。

（5）監(jiān)控終端

--監(jiān)控終端通過可視化、多媒體的人機界面實現(xiàn)以下主要功能：

①糧倉內(nèi)糧情、溫濕度、CO2濃度全面顯示，可查詢，包括各種參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)等；

②向糧倉內(nèi)監(jiān)控終端發(fā)出調(diào)度命令、調(diào)整設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況，確保糧倉內(nèi)環(huán)境維持穩(wěn)定狀態(tài)，保證糧食倉儲安全。

第三篇：基于WSN的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計概要

收稿日期:2009-06-16 作者簡介:田豐(1958—,男,遼寧沈陽人,工學(xué)博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為計算機測控技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等;杜富瑞(1981—,男,山東濱州人,碩士研究生,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)。

基于W S N 的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 田 豐,杜富瑞

(沈陽航空工業(yè)學(xué)院計算機檢測與控制研究室,遼寧沈陽 110136 摘要:針對多路口的交通信號燈控制問題,提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩級組織結(jié)構(gòu),搭建了交通信

號燈控制平臺。利用傳感器節(jié)點收集的交通信息,結(jié)合模糊控制方法,實現(xiàn)了交通信號燈的無線智能控制。仿真結(jié)果表明,該控制器是有效的,其控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);交通信號燈控制;模糊方法;魯棒性

中圖分類號:TP273+.5;TP18

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-8829(200912-0056-04 D esi gn of I n telli gen t Traff i c L i ght Con trol System Ba sed on W SN TI A N Feng,DU Fu 2rui(Computer Detecti on and Contr ol Laborat ory,Shenyang I nstitute of Aer onautical Engineering,Shenyang 110136,China Abstract:For multi 2juncti on traffic signal contr ol syste m ,t w o 2tier organizati onal structure based on wireless sens or net w orks(W S N is p r oposed,and a p latfor m f or traffic signal contr ol syste m with W S N is built.By using the collected inf or mati on about traffic and fuzzy contr ol method,the goal of intelligent contr ol for the traffic

lights is realized.The si m ulati on shows that the contr oller is realizable and better than the traditi onal contr ol methods.Key words:wireless sens or net w orks;traffic signal light contr ol;fuzzy method;r obustness

交通燈控制系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜大系統(tǒng),具有時變、非線性、不易確定數(shù)學(xué)模型的特點。現(xiàn)有交通燈控制系統(tǒng)主要分為兩類:定時控制和感應(yīng)式控制。定時控制不能適應(yīng)車流的動態(tài)變化,只適用于路面車流量較少的情況;感應(yīng)式控制易受外界干擾,且在安裝過程中,容易造成對道路的損壞。此外,這兩種控制方式都只能單獨地控制某一點,并不能實時、多點、聯(lián)測、聯(lián)動的控制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W S N,wireless sens or net w orks 作為一種新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù),融合了短程無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)等。基于W S N 的交通燈控制系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點。

模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,它把人的感官認識和好的控制策略聯(lián)系起來,具有很強的魯棒性。

將模糊控制與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以W S N 傳 感器節(jié)點收集的路面信息為輸入,經(jīng)模糊控制器處理, 得到作為輸出的控制策略,對交通燈系統(tǒng)實施控制,可以實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。以下首先針對多路口交通燈控制系統(tǒng),提出了兩級W S N 組織結(jié)構(gòu),搭建了基于W S N 的交通信息收集和控制平臺;然后介紹了多路口交通燈智能控制算法的設(shè)計,以及模糊控制器的設(shè)計;最后,進行了仿真實驗。W S N 交通燈控制平臺

在多路口交通信號燈控制系統(tǒng)中,信號燈的周期、綠信比和相位差是控制向量;到達交叉路口的車輛數(shù)和各交叉路口停車線前面排隊的車輛數(shù)是狀態(tài)向量。詳細分

析表明,同時考慮信號燈的周期、綠信比和相位差的優(yōu)化,將增大計算量,使問題的求解過程變得十分

復(fù)雜[1]。針對多路口交通燈控制系統(tǒng),采用兩級W S N 組織結(jié)構(gòu)(見圖1,第1級為控制級,負責(zé)調(diào)整各交叉路口的綠信比;第2級為協(xié)調(diào)級,負責(zé)協(xié)調(diào)干線各路口周期的確定和各路口之間的相位差。

圖2為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通燈控制系統(tǒng)模型圖。路口的交通燈控制節(jié)點A1及其相鄰路段內(nèi)的路面檢測節(jié)點B i(i =1,2,3,4,5和車載節(jié)點C j(j =1,2,3,4

圖1 兩級交通燈控制模型組成控制級。這些傳感器器節(jié)點自組織成簇:交通燈控制節(jié)點作為簇首,路面檢測節(jié)點和車載節(jié)點作為簇成員。簇首A1負責(zé)收集簇內(nèi)路面檢測節(jié)點的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)融合,并與相鄰簇首節(jié)點進行通信;簇成員節(jié)點負責(zé)路

面信息的收集。從簇首節(jié)點中,選取一個節(jié)點作為協(xié)調(diào)級,稱此節(jié)點為匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點以多跳的方式與各簇首節(jié)點通信,收集各路口車流量信息 , 圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通燈控制系統(tǒng)模型 進行智能處理,協(xié)調(diào)各路口工作。

針對交通控制系統(tǒng)中信息采集、策略制定、輸出執(zhí) 行的實際需求,引入3類W S N節(jié)點:信息收集節(jié)點、匯 聚節(jié)點和交通燈控制節(jié)點。傳感器節(jié)點是構(gòu)成W S N 的基本要素,具有采集環(huán)境信息、信息處理和無線通信 功能,它們既是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌l(fā)起者,也是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)

發(fā)者[1]。信息收集節(jié)點負責(zé)路面車輛信息的收集,如 車速、交通流量比等,將此數(shù)據(jù)信息傳遞給交通燈控制 節(jié)點,經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳遞給匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點根據(jù)設(shè) 定的目標(biāo)(如通行量最大、平均候車時間最短等運用 智能控制方法計算出最佳方案,并輸出給各路口交通 燈控制節(jié)點,控制車輛的通行與禁止,實現(xiàn)多路口的協(xié) 調(diào)控制。

信息收集節(jié)點由路面檢測節(jié)點和車載節(jié)點兩部分 構(gòu)成。路面檢測節(jié)點用于收集其檢測范圍內(nèi)的車輛信 息,它按照一定的距離(一般為50~200m安裝在道 路兩側(cè)的路燈上;車載節(jié)點被安裝在每一輛汽車上,用 于收集車輛本身的數(shù)據(jù)信息(速度和坐標(biāo),并將該信 息發(fā)送給路面檢測節(jié)點。路面檢測節(jié)點按照一定周期 不斷地廣播消息,消息里面包含本身的I D和自己的坐 標(biāo)信息。處于監(jiān)聽狀態(tài)的車載節(jié)點接收檢測節(jié)點發(fā)送 的消息。根據(jù)無線定位知識[2],車載節(jié)點只需收到3 個以上節(jié)點發(fā)送的消息,就可以計算出自己的坐標(biāo)與 車速,并將坐標(biāo)與速度消息傳遞給附近的路面檢測節(jié) 點。路面檢測節(jié)點在收到該消息后,計算出路面行駛 的車輛數(shù)、車輛所在車道和車輛與路口的距離,以多跳 通信的方式傳遞給路口的交通燈控制節(jié)點。由車速和 距離,交通燈控制節(jié)點就可以判斷出車輛狀態(tài):①它 已經(jīng)到達路口;②在路口信號燈換相之前到達路口;③ 不能按時到達路口。這樣,可以方便地統(tǒng)計出干線路 口間行駛的車輛數(shù)QN以及各路口紅燈方向排隊車輛 數(shù)QR。多路口交通燈控制算法設(shè)計

文獻[3,4]中指出,在交通控制系統(tǒng)中,各路口協(xié) 調(diào)周期,不能變換太頻繁,否則,方案變換引起的交通 延誤所帶來的損失會大于新方案所帶來的效益。設(shè)定 循環(huán)變量n=6,以6個周期為一個時間段,在此時間 段內(nèi),保持控制參數(shù)不變。2.1 算法設(shè)計

步驟1:匯聚節(jié)點根據(jù)以往的交通流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計 出干線上各交叉口間的相位差ω i(i=1,2,3,…,n、統(tǒng)一使用的周期T、各個交叉口的綠信比,將此信息發(fā)

送給各路口簇首節(jié)點,并初始化循環(huán)變量n=0。步驟2:各交叉口簇首節(jié)點在給定的周期T下,依 據(jù)相位差ω i 依次開啟干線各路口綠燈信號。在周期

時間末,簇首節(jié)點將周期內(nèi)由W S N檢測得到的路口間 行駛的車輛數(shù)QN和路口紅燈方向排隊車輛數(shù)QR送 給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點用模糊控制規(guī)則以周期時間長 度為單位,調(diào)整路口之間相位差。

步驟3:令m=m+T,檢驗m>6T是否成立。若 成立,則到下一步;反之,則回到步驟2。步驟4:匯聚節(jié)點根據(jù)各路口簇首節(jié)點傳遞過來 的各路口間的交通流量和各交叉口的綠信比,預(yù)估下 一階段的干線道路上各個交通流量比,計算下一階段 的周期值。回到步驟2。2.2 各控制參數(shù)的具體實現(xiàn) 2.2.1 周期的確定

在交通信號控制系統(tǒng)中,為使各交叉口的交通信 號取得協(xié)調(diào),各個交叉口的周期需要統(tǒng)一。方法是先

根據(jù)單個交叉口的配時方式,計算出各交叉口的周期, 然后從中選取最大周期,作為系統(tǒng)協(xié)調(diào)周期。周期確 定步驟如下: ①在給定時間段內(nèi),根據(jù)公式計算出路口j的第 m周期的交通流量比R j m;其計算公式為 R j m=∑n j=1 q j m i s j m i(1 式中,q j m i 為第j路口第m周期的第i相位車道的交通 量;s j m i 為飽和流量;n為相位個數(shù)。

②求出所有路口的交通流量比的最大值R j m MAX

R j m MAX =MAX{R j m ,j=1,2,3,…}(2

根據(jù)韋伯斯特最佳周期公式 C0= 1.5L+5 1-R j m MAX(3 計算出第m周期的最佳周期。式中,L為相位損失時間(車輛起制動、行人、自行車干擾,可由協(xié)調(diào)級模糊控制器的輸出得到。

③在本段時間結(jié)束時刻,計算所有周期時間內(nèi)周期的最大值為 C MAX=MAX{C m,m=1,2,3}(4 將此周期值作為下一個階段信號控制的統(tǒng)一值送入?yún)f(xié)調(diào)單元保存起來,作為下一階段內(nèi)的周期。

2.2.2 相位差的確定

相位差是控制交叉路口間交通流的重要參數(shù),設(shè)定一個好的相位差可以顯著地降低車流的等待時間,實現(xiàn)車輛通行的“綠波帶”效應(yīng)。相位差計算公式為

ω=T

+L(5 式中,T 為本路口到下游路口的行駛時間,由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時檢測得到;而損失時間L由協(xié)調(diào)級模糊控制器輸出得到。模糊控制器的設(shè)計

相位損失時間L與路口間車輛數(shù)目QN和路口的紅燈方向停車線前面車輛排隊長度QR有很大關(guān)系。路口間車輛數(shù)目多,紅燈方向排隊長度QR長,則車輛啟制動所耗費時間就越多,相應(yīng)的相位損失時間L越大;反之,則越少。

設(shè)計步驟如下:(1輸入輸出變量的確定及量化。

輸入變量:本路口到下一路口的車輛數(shù)QN,路口紅燈方向在停車線前排隊車輛數(shù)QR。QN的論域為{0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~85,量化因子k1=8÷85=0.09,語言變量為{Z B,Z M,ZS,Z,PS};QR 的論域為{0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~48, 量化因子k 2 =8÷48=0.17,語言變量為{NB,Z}。

輸出變量:路口相位損失時間為L。L的論域為{0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~60,比例因子k3=60÷8=7.5,語言變量為{NB,NS,Z,PS,P B}。

(2確定輸入輸出變量的隸屬函數(shù)(見圖3。

(3確定模糊控制規(guī)則。

根據(jù)專家經(jīng)驗,建立模糊控制規(guī)則表。表1中建立了10條控制規(guī)則。表1 模糊控制規(guī)則表 QR QN NB NM NS Z PS NB NB NS Z PS PS Z NB NS Z PS P B

(4解模糊。

解模糊的常用方法有以下幾種:最大隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法。由于加權(quán)平均法比中位數(shù)法的計算量要小,比最大隸屬度法控制性能優(yōu)越,因此,在本設(shè)計中選用加權(quán)平均法進行解模糊運算,得到精確控制量。其計算公式為

L = ∑n j =1 u j(e j e j ∑n j =1 u j(6 式中,e j(j =1,2,...,9為論域值;u j(e j(j =1,2,(9 為對應(yīng)于e j 的隸屬度。

根據(jù)公式(5,計算出路口間的相位差ω,對路口間的交通車流進行協(xié)調(diào)控制。4 仿真實驗

設(shè)一條道路有3個路口組成,三路口間距離均為600m。其中，南北為次干道。每個路口的有4個交通流相位:東西直行,東西左轉(zhuǎn),南北直行,南北左轉(zhuǎn),如圖4所示。路口車輛的到達服從泊松分布,車輛的離開服從負指數(shù)分布。干線飽和流量為3000輛/h,支線飽和交通流量為2000輛/h,左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車流比例為1∶2∶1。

圖4 主干道三交叉路口示意圖利用MAT LAB 6.5編寫仿真程序,將基于W S N 的兩級模糊控制算法,分別在400、600、1200、1400、2000、2300輛/h 6種不同的車流量情況下進行仿真,統(tǒng)計相應(yīng)的車輛平均延誤時間。為了作比較,在完全相同的條件下,對定時控制也進行了仿真,結(jié)果如表2所示。

表2 模糊控制與定時控制比較 車流量/輛?h-1 兩級模糊控制 定時控制

提高程度/% 40025.126.5 5.260026.428.67.7120029.138.223.8140031.540.622.4200034.751.232.22300 36.7 56.6 35.2

由仿真結(jié)果可以看出,在車流量不大時,兩種控制

方式的效果差異不大。但隨著車流量的增大,模糊控制的優(yōu)勢是十分明顯的。5 結(jié)束語

以上將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到交通信號燈的控制

中來,搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通信號燈控制平臺,提出了針對多路口交通燈控制的兩級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、自組織、分布式計算的特點,實現(xiàn)快速精確的車輛信息收集,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果,具有較強的實時性和魯棒性。同時,結(jié)合模糊控制理論,設(shè)計了干線信號燈控制算法,實現(xiàn)了交通信號燈的無線智能控制。參考文獻: [1] 徐建閩.交通管理與控制[M ].北京:人民交通出版社, 2007211.[2] Akyildiz I F,Su W ,Sankarasubra mania m Y,et al.A survey on sens or net w orks[J ].Communicati ons Magazine,2002,40(8:102-114.[3] W ann C D,L in M H.Data fusi on methods f or accuracy i m 2

p r ove ment in wireless l ocati on syste m s [A ].Pr oceedings of 2004I EEE W ireless Co mmunicati ons and Net w orking Con 2ference[C ].2004203:471-476.[4] 李曉紅.城市干線交通信號協(xié)調(diào)優(yōu)化控制及仿真[D ].大 連:大連理工大學(xué),2007.[5] 嚴(yán)新平,吳超仲.智能運輸系統(tǒng)———原理、方法及應(yīng)用 [M ].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2006212:9-11.□

N I 推出LabV I E W 圖形化軟件教育版, 全力支持動手學(xué)習(xí)課程

2009年11月,美國國家儀器有限公司(簡稱N I 推出 LabV I E W 軟件教育版,它是LabV I E W 圖形化編程軟件面向

高校的新產(chǎn)品。該版本軟件的初衷是為了幫助教師實現(xiàn)基于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STE M 學(xué)科項目的動手學(xué)習(xí)。

N I 與美國塔夫茨大學(xué)工程教育與外展服務(wù)中心(CEEO 一 起合作開發(fā)該產(chǎn)品,它是將工程集成到K 212教育的領(lǐng)導(dǎo)者。

N I 和塔夫茨大學(xué)CEEO 總裁和控制與機械電子教授Chris Rogers 博士共同合作,開發(fā)了該教育版軟件,它可以有效幫

助高校教師使用工業(yè)、學(xué)術(shù)界工程師和科學(xué)家使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計技術(shù),進而為工科學(xué)生提供動手實踐經(jīng)驗。

LabV I E W 教育版軟件可以幫助教師實現(xiàn)基于項目的動

手學(xué)習(xí),并且將理論與實際世界的實例聯(lián)系在一起。這一新版本軟件能夠與核心教育硬件平臺無縫集成,例如LEG O M I N DST ORMS Educati on NXT、Vernier Sens or DAQ 以及TET 2R I X(Pitsco 開發(fā)的金屬機器人構(gòu)建系統(tǒng),讓教師能夠輕松

地將機器人、測量和數(shù)據(jù)采集整合到課程中。軟件的圖形化拖放模式幫助學(xué)生學(xué)習(xí)主要的編程概念,并在獲取專業(yè)世界中所使用的技術(shù)經(jīng)驗的同時,提高分析能力。新版本還包含可以在教室中使用的工具,包括數(shù)據(jù)查看器,能夠圖形化地顯示傳感器數(shù)據(jù),虛擬示波器,以及其他讓學(xué)生能夠獲得多種電子和機器工程技巧動手經(jīng)驗的虛擬儀器。此外,LabV IE W 教育版包括支持課程和教師活動,能夠直接在

National Instruments、Vernier 軟件與技術(shù)和LEG O 教學(xué)中使 用。□

第四篇：南水北調(diào)水質(zhì)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計初探

南水北調(diào)水質(zhì)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計初探

徐永兵，孫水英,袁 東

（山東省水利勘測設(shè)計院，濟南，250013）

摘要：南水北調(diào)東線工程是一項旨在緩解山東、天津等北方省市水資源短缺的國家戰(zhàn)略性調(diào)水工程，調(diào)水水質(zhì)影響著整個工程的成敗。本文就水質(zhì)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)的設(shè)計進行了分析與研究，提出在已建項目的基礎(chǔ)上，充分利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、WebGIS技術(shù)，建立一個高起點、見效快、實用性強、創(chuàng)新型的專業(yè)水質(zhì)監(jiān)測分析系統(tǒng)，能夠提升水質(zhì)監(jiān)測管理級別，深化水質(zhì)監(jiān)測管理；能夠?qū)λ|(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行快速、綜合分析，充分挖掘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，優(yōu)化水質(zhì)分析評價，并能夠借助移動終端、微信公眾平臺等新型介質(zhì)通過地圖、圖表等多種形式展示數(shù)據(jù)成果；通過深入對比分析不同監(jiān)測指標(biāo)的變化情況，分析水質(zhì)變化的原因，實現(xiàn)輔助決策支持。

關(guān)鍵詞： 南水北調(diào)；東線工程；水質(zhì)監(jiān)測；智能化；輔助決策

0.引言

南水北調(diào)東線工程是一項旨在緩解山東、天津等北方省市水資源短缺的國家戰(zhàn)略性調(diào)水工程[1]。2016年3月1日實現(xiàn)對威海市首次供水，標(biāo)志著南水北調(diào)東線一期工程規(guī)劃供水目標(biāo)全部實現(xiàn)。調(diào)水水質(zhì)關(guān)系到整個調(diào)水工程的成敗，山東段已對輸水沿線渠道、河道、湖泊、各支流匯入輸水河道的水質(zhì)進行監(jiān)測[2]。為了充分挖掘發(fā)揮水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值，實現(xiàn)安全調(diào)水的輔助決策功能，就需要在對各監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)智能分析的基礎(chǔ)上，開展水質(zhì)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)的建設(shè)。

1.建設(shè)現(xiàn)狀與需求分析

1.1.建設(shè)現(xiàn)狀

東線山東段現(xiàn)有2個移動監(jiān)測實驗室和1個固定監(jiān)測實驗室，并已實現(xiàn)對關(guān)鍵斷面的水質(zhì)自動監(jiān)測，現(xiàn)有二級壩、南四湖出口、東平湖入口、東平湖北出口、東平湖穿黃工程出口、魯北段聊城與德州交界處、濟南以東段與引黃濟青交界處等7處水質(zhì)自動監(jiān)測站。水質(zhì)監(jiān)測主要指標(biāo)包括：常規(guī)五參數(shù)（水溫、酸堿度、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧）、高錳酸鹽、氨氮、總磷、總氮、葉綠素等[3]。1.2.系統(tǒng)功能需求

（1）對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合對比與分析

通過對水質(zhì)監(jiān)測實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行綜合對比與統(tǒng)計分析，找出水質(zhì)變化的原因，掌握水質(zhì)變化的規(guī)律。

（2）實現(xiàn)安全調(diào)水的輔助決策功能

在突發(fā)水體污染事件時，分析出污染源的大體位置和污染成分，預(yù)測下游測水質(zhì)指標(biāo)

范圍，自動生成污染水體的解決方案。

（3）水質(zhì)監(jiān)測分析數(shù)據(jù)展示

通過移動終端查看水質(zhì)監(jiān)測分析數(shù)據(jù)，查看地圖、圖表等多樣化水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢展示，同時能夠建立互動性信息平臺，實現(xiàn)信息的交流和共享。

2.系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）實用性原則

必須堅持快見效，見實效，以管理、業(yè)務(wù)、服務(wù)需求為出發(fā)點和原動力，緊密結(jié)合項目實際情況進行設(shè)計開發(fā)，確保系統(tǒng)實用、高效和方便，貫徹面向最終用戶的原則，建立友好的用戶界面，使用戶操作簡單直觀，易于學(xué)習(xí)掌握。

（2）先進性原則

采用符合當(dāng)今潮流和發(fā)展趨勢的主流技術(shù)，被公眾認可的優(yōu)質(zhì)開發(fā)和應(yīng)用平臺，采用先進成熟的軟件架構(gòu)、設(shè)計理念和開發(fā)手段，選用技術(shù)先進、成熟穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐軟件，充分預(yù)見未來技術(shù)發(fā)展趨勢，保證系統(tǒng)在不替換現(xiàn)有設(shè)備、不損失前期投資的情況下能方便地升級和擴容。

（3）開放性原則

盡可能地利用已有的設(shè)備、軟件及信息資源，對于未來可能增添的新的子系統(tǒng)、新的數(shù)據(jù)庫、新的功能、新的用戶都要留有接口，系統(tǒng)可以隨形勢的發(fā)展而不斷成長擴大。

3.建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)

3.1.建設(shè)目標(biāo)

水質(zhì)監(jiān)測智能監(jiān)測分析系統(tǒng)基于指標(biāo)和元數(shù)據(jù)體系，整合重構(gòu)各類水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)資源，形成水質(zhì)數(shù)據(jù)資源體系，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測一張圖、水質(zhì)綜合分析、移動綜合展示和微信公眾平臺四大應(yīng)用，實現(xiàn)南水北調(diào)東線一期工程山東段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的資源化、價值化和智慧化，充分挖掘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，深化水質(zhì)監(jiān)測管理，實現(xiàn)輔助決策支持。3.2.建設(shè)任務(wù)

（1）梳理水質(zhì)監(jiān)測分析相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，提取指標(biāo)，通過元數(shù)據(jù)體系，構(gòu)建水質(zhì)數(shù)據(jù)資源體系，構(gòu)建水質(zhì)數(shù)據(jù)中心，提供數(shù)據(jù)的采集、整合、管理和服務(wù)。

（2）構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測一張圖，實現(xiàn)以地理結(jié)構(gòu)為框架，以水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)的實現(xiàn)查詢、分析、展示功能，以“一張圖”的形式全方位、多角度展示水

質(zhì)監(jiān)測統(tǒng)計情況。

（3）構(gòu)建水質(zhì)綜合分析系統(tǒng)，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，實現(xiàn)關(guān)鍵斷面水質(zhì)快速分析、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報、多斷面綜合分析、緩沖區(qū)統(tǒng)計分析，實現(xiàn)輔助決策支持。

（4）構(gòu)建移動綜合展示系統(tǒng)，通過移動終端展示水質(zhì)監(jiān)測成果，能夠讓管理者通過移動終端及時獲取各類水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)信息、綜合統(tǒng)計信息及其它相關(guān)信息。

（5）構(gòu)建微信公眾平臺，實現(xiàn)信息的發(fā)布、訂閱、上傳、共享，實現(xiàn)信息的有效互動。

4.系統(tǒng)總體設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測分析平臺通過梳理完善南水北調(diào)東線一期工程山東段水質(zhì)指標(biāo)體系，構(gòu)建水質(zhì)資源基礎(chǔ)框架及元數(shù)據(jù)管理體系，形成水質(zhì)數(shù)據(jù)資源體系，以指標(biāo)驅(qū)動應(yīng)用，實現(xiàn)水質(zhì)綜合分析，并通過地圖、圖表等多樣化可視化方式進行數(shù)據(jù)展示。平臺以數(shù)據(jù)為核心，盤活水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源化、價值化、智慧化。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

硬件網(wǎng)絡(luò)層：提供數(shù)據(jù)采集手段以及通信基礎(chǔ)設(shè)備保障，構(gòu)成必要的硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以利用現(xiàn)有硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

數(shù)據(jù)資源層：存儲所有數(shù)據(jù)及信息，是所有應(yīng)用的數(shù)據(jù)資源支撐，完成數(shù)據(jù)資源和信

息資源的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、有序化，形成水利數(shù)據(jù)資源體系。

支撐平臺層：作為整個系統(tǒng)的公共支撐與服務(wù)平臺，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心、信息交流中心和GIS地理服務(wù)中心，為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供公共技術(shù)支撐，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、公共平臺、統(tǒng)一用戶權(quán)限，可利用現(xiàn)有的應(yīng)用支撐平臺實現(xiàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)層：所有面向最終用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，直接為用戶提供服務(wù)。

用戶接入層：主要各級機構(gòu)的管理人員，接入層提供通過電腦、手機等多種方式提供給用戶，具有良好的人機交互界面和在線幫助功能。

5.應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

水質(zhì)監(jiān)測分析平臺包括水質(zhì)監(jiān)測一張圖、水質(zhì)綜合分析、移動綜合展示、微信公眾平臺四大應(yīng)用。5.1.水質(zhì)監(jiān)測一張圖

水質(zhì)監(jiān)測一張圖不僅包括常見的地圖基本操作功能，還對資源進行綜合展示，提供地理信息系統(tǒng)特有的空間查詢分析功能，并結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)各類指標(biāo)的專題統(tǒng)計展示。

（1）自動監(jiān)測站展示

資源顯示：能夠顯示自動監(jiān)測站的整體情況（如數(shù)量、名稱等）及在地圖上的分布情況。

信息顯示：在地圖上漫游到自動監(jiān)測站，顯示詳細信息，同時能夠查看到自動監(jiān)測站的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。

快速定位：實現(xiàn)資源顯示與地圖的關(guān)聯(lián)，能夠快速定位到自動監(jiān)測站所處的地點，可查看到資源的詳細信息。

（2）移動監(jiān)測站展示

資源顯示：能夠顯示移動實驗室的設(shè)備配置情況。信息顯示：展示實時監(jiān)測分析數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等。

快速定位：實現(xiàn)資源顯示與地圖的關(guān)聯(lián)，能夠快速定位到移動實驗室所處的地點，可查看到資源的詳細信息。

（3）固定實驗室展示

資源顯示：能夠顯示固定實驗室的整體情況（如數(shù)量、名稱及設(shè)備配置等）及在地圖上的分布情況。

信息顯示：在地圖上漫游到固定實驗室，顯示詳細信息，同時還可展示實時監(jiān)測分析

數(shù)據(jù)等。

快速定位：實現(xiàn)資源顯示與地圖的關(guān)聯(lián)，能夠快速定位到固定實驗室所處的地點，可查看到資源的詳細信息。5.2.水質(zhì)綜合分析

（1）水質(zhì)監(jiān)測查詢統(tǒng)計

水質(zhì)監(jiān)測查詢：可根據(jù)指標(biāo)查詢水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測的水質(zhì)情況。可按照水質(zhì)級別指標(biāo)，也可按照物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)進行對各個水質(zhì)監(jiān)測站點進行查詢。

特征值統(tǒng)計：按時段統(tǒng)計站點的監(jiān)測項目的樣品總數(shù)、檢出率、超標(biāo)率、實測范圍、最大值超標(biāo)倍數(shù)、最大值出現(xiàn)日期和時段平均值。特征值統(tǒng)計有年統(tǒng)計、任意時段統(tǒng)計和自定義統(tǒng)計。

水質(zhì)統(tǒng)計：包括水質(zhì)評價基本情況統(tǒng)計、水質(zhì)統(tǒng)計和水質(zhì)類別統(tǒng)計等。

超標(biāo)統(tǒng)計：統(tǒng)計包括干線超標(biāo)站點統(tǒng)計、行政區(qū)超標(biāo)站點統(tǒng)計、單項超標(biāo)站點統(tǒng)計和單項超標(biāo)率統(tǒng)計。

（2）關(guān)鍵斷面水質(zhì)快速分析

餅形分析：以餅形圖分析此斷面的各個水質(zhì)污染指標(biāo)占比，進而分析出那個污染是主要污染。

趨勢分析：各個水質(zhì)污染物數(shù)據(jù)以趨勢展現(xiàn)，可根據(jù)此趨勢對比分析出各個污染源情況以及哪個污染源上升最快，哪個污染源相對穩(wěn)定，哪個污染源在逐漸降低。

報表分析：單獨水質(zhì)污染物報表分析：分析不同時段的此污染物對應(yīng)的污染程度。多水質(zhì)污染物報表分析：分析不同污染物在相應(yīng)的時段污染情況。

圖形分析：以不同的顏色標(biāo)注的同一個斷面圖上的不同污染物，進而直觀得看出斷面的水質(zhì)情況。

（3）水質(zhì)預(yù)警、預(yù)報

水質(zhì)預(yù)警預(yù)報是在一定范圍內(nèi)，對一定時期的水質(zhì)狀況進行分析、評價，確定水質(zhì)的狀況和水質(zhì)變化的趨勢、速度，以及達到某一變化限度的時間等，預(yù)報不正常狀況的時空范圍和危害程度，按需要適時地給出變化或惡化的各種警戒信息及相應(yīng)的綜合性對策。

（4）多斷面綜合分析

通過對比分析不同斷面監(jiān)測指標(biāo)的變化情況，分析水質(zhì)變化的原因，并提出相應(yīng)的措施，實現(xiàn)輔助決策支持。

多斷面圖形分析：多斷面同一污染源圖形展示分析，直觀分析出此種污染源在不同斷面的分布情況，是否因為新的污染進入進而造成某一斷面此種污染上升。

多斷面不同污染物圖形展示分析，以可視化友好的方式展現(xiàn)不同污染物在不同斷面的分布情況。

多斷面歷史回溯分析：基于多斷面多污染源歷史回溯，能夠查詢分析水質(zhì)在不同時刻不同斷面的情況。

多斷面趨勢分析：多斷面多水質(zhì)指標(biāo)趨勢分析，分析出不同水質(zhì)指標(biāo)在不同斷面的變化速度和相應(yīng)的趨勢，是指標(biāo)在不斷下降還是在加快上升，下游斷面的水質(zhì)指標(biāo)在上升還是在下降，為調(diào)度運行提供決策支持。5.3.移動綜合展示

移動綜合展示通過移動終端的形式為各級管理人員提供服務(wù)，能夠及時展示水質(zhì)監(jiān)測的整體情況、運行狀態(tài)、指標(biāo)監(jiān)測情況、綜合統(tǒng)計情況及動態(tài)信息。

地圖瀏覽：可進行地圖瀏覽，能夠?qū)﹂l泵站、監(jiān)測站等進行查詢，也可以根據(jù)位置查看周圍的各類信息。

工程概況：通過列表、圖片和圖表等多種方式直觀展示閘泵站、監(jiān)測站概況信息。運行狀態(tài)：通過地圖、圖片、圖表、文字等多種可視化展示工程運行狀態(tài)的實時信息，能夠及時看到更新的信息和統(tǒng)計情況，監(jiān)督工程的運行管理工作，如查看水質(zhì)監(jiān)測站各個設(shè)備是否在運行，運行次數(shù)，已投入運行時間，設(shè)備故障情況，故障頻率，故障次數(shù)。

指標(biāo)監(jiān)測：直觀展示水質(zhì)監(jiān)測分析重要指標(biāo)信息，包括指標(biāo)數(shù)據(jù)、上升下降趨勢等，如水質(zhì)級別、常規(guī)五參數(shù)等等，對于異常指標(biāo)能夠進行提醒。

綜合統(tǒng)計：對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行查詢，可根據(jù)興趣選擇任意指標(biāo)、時間進行統(tǒng)計，提供地圖和圖表等多種方式展現(xiàn)綜合統(tǒng)計結(jié)果。5.4.微信公眾平臺

水質(zhì)監(jiān)測微信公共平臺針對關(guān)心調(diào)水水質(zhì)的用戶及管理人員提供信息服務(wù)，構(gòu)建信息互動平臺。主要包括：

信息推介：重要信息實時推送到用戶端，可對用戶分類推送，針對不同的用戶關(guān)心信息種類不同，進行區(qū)別推送。對領(lǐng)導(dǎo)層推送宏觀主要數(shù)據(jù)和信息，對操作用戶推送運行情況等操作人員關(guān)心的信息。對用水用戶推送相應(yīng)區(qū)段用戶關(guān)心的水質(zhì)情況。

定制服務(wù)：不同的使用者可進行水質(zhì)信息定制，比如某個用戶只關(guān)心其中兩個站點的

COD數(shù)據(jù)，可進行定制，系統(tǒng)進行定時推送。

信息上傳：用戶可通過微信客戶端，上傳文字、圖片、音頻、視頻等。

6.總結(jié)

山東段水質(zhì)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)是在已建項目的基礎(chǔ)上，充分利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、WebGIS技術(shù)，建立一個高起點、見效快、實用性強、創(chuàng)新型的專業(yè)水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)，提升水質(zhì)監(jiān)測管理級別，深化水質(zhì)監(jiān)測管理；對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行快速、綜合分析，充分挖掘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，優(yōu)化水質(zhì)分析評價，并能夠借助移動終端、微信公眾平臺等新型介質(zhì)通過地圖、圖表等多種形式展示數(shù)據(jù)成果；通過深入對比分析不同監(jiān)測指標(biāo)的變化情況，分析水質(zhì)變化的原因，實現(xiàn)輔助決策支持。該系統(tǒng)的建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實意義，建議南水北調(diào)建設(shè)管理單位盡快推進該系統(tǒng)的建設(shè)。

參考文獻：

[1]徐永兵，孫水英.MOSAIC SCADA在南水北調(diào)閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].水利信息化，2015（5）：39-43.[2]矯桂麗，朱麗麗，祖晶.南水北調(diào)東線山東段水質(zhì)監(jiān)測站點的布設(shè)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（6）：48-50.[3]徐永兵，孫水英.南水北調(diào)東線一期工程南四湖水資源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路與技術(shù)要點[C].中國水利學(xué)會水資源專業(yè)委員會2015年年會暨學(xué)術(shù)研討會會議論文集，2015.[4]陳翔，雷曉暉，蔣云鐘.南水北調(diào)中線決策會商與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計研究[J].水利信息化，2015（2）：5-9.Study on system design and analysis of intelligent monitoring of water quality in the south to North Water Diversion Project

XU Yongbing，SUN Shuiying，YUAN Dong（Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy，Jinan 250013，China）Abstract: The eastern route of South to North Water Diversion Project is a designed to ease the Shandong, Tianjin and other provinces and cities in the north of the shortage of water resources of national strategic adjustment of water project, the water quality of water diversion affect the success or failure of the whole project.The intelligent monitoring of water quality analysis system design to carry on the analysis and the research, proposed in the construction project based on, make full use of advanced network technology, data technology, WebGIS technology, the establishment of a high starting point, quick, practical strong, innovative professional water quality monitoring and analysis system.The system can enhance the management level of water quality monitoring, water quality monitoring and management deepen.The system can rapidly and comprehensive analysis of the monitoring data of water quality, fully tap the value of water quality monitoring data, optimize water quality analysis and evaluation.System to use mobile terminal, micro channel public platform and other new media to demonstrate the results of the data through the maps, diagrams and other forms，through in-depth comparative analysis of different indicators for monitoring the changes and reasons for changes in water quality analysis, aided decision support.Key word：South-to-north water diversion；East line project;Water quality monitoring;Intelligent;Assistant decision 作者簡介：

徐永兵、1981年02月、男、工程碩士、工程師、水利信息化、***、xu_yongbing@sina.com

第五篇：智能制造系統(tǒng)論文

智能制造概述

摘要：介紹了智能制造提出的背景、主要研究內(nèi)容和目標(biāo), 人工智能與 I M T、I M S的關(guān)系, I M S 和C I M S, 智能制造的物質(zhì)基礎(chǔ)及理論基礎(chǔ), 智能制造系統(tǒng)的特征及框架結(jié)構(gòu), 并簡要介紹了智能加工中心 IMC, 智能制造技木的發(fā)展趨勢，以及智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題。關(guān)鍵詞：智能制造，IMS, IMC, IMT。

Abstract：Intelligent Manufacturing introduced the background, main contents and objectives, Artificial Intelligence and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent manufacturing and the material basis of the theoretical basis of the characteristics of intelligent manufacturing system and the framework structure, and gave a briefing on intelligence Machining Center IMC, intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the Intelligent Manufacturing Systems research results and problematic.Key words: Intelligent Manufacturing, IMS, IMC, IMT。

一.智能制造提出的背景

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè)部門, 是決定國家發(fā)展水平的最基本因素之一。從機械制造業(yè)發(fā)展的歷程來看, 經(jīng)歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規(guī)劃設(shè)計制造等階段。就制造自動化而言, 大體上每十年上一個臺階: 50～ 60年代是單機數(shù)控, 70 年代以后則是CNC 機床及由它們組成的自動化島, 80 年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時, 出現(xiàn)了計算機集成制造, 但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與發(fā)展, 機械制造大體沿兩條路線發(fā)展: 一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展, 二是借助計算機和自動化科學(xué)的制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。80年代以來, 傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了不同程度的發(fā)展,但存在著很多問題。先進的計算機技術(shù)和制造技術(shù)向產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)的設(shè)計人員和管理人員提出了新的挑戰(zhàn), 傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方法不能有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題, 這就促使我們借助現(xiàn)代的工具和方法, 利用各學(xué)科最新研究成果, 通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)、計算機技術(shù)與科學(xué)以及人工智能等技術(shù), 發(fā)展一種新型的制造技術(shù)與系統(tǒng), 這便是智能制造技術(shù)(In telligen t M anufactu r ingTechno logy, I M T)與智能制造系統(tǒng)(In telligen tM anufactu r ing System , I M S)[1 ]。

年代以后, 世界各國競相大力發(fā)展 I M T 和I M S 的深層次原因有:(1)集成化離不開智能 制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng), 其中有多年積累的生產(chǎn)經(jīng)驗, 生產(chǎn)過程中的人—機交互作用, 必須使用的智能機器(如智能機器人)等。脫離了智能化, 集成化也就不能完美地實現(xiàn)。

(2)機器智能化比較靈活 可以選擇系統(tǒng)智能化, 也可以選擇單機智能化;單機可發(fā)展一種智能,也可發(fā)展幾種智能;無論在系統(tǒng)中或單機上, 智能化均可工作, 不像集成制造系統(tǒng), 只有全系統(tǒng)集成才可工作。

(3)智能化的經(jīng)濟效益較高 現(xiàn)有的計算機集成制造系統(tǒng)(Compu ter In tegratedM anufactu r ingSystem , C I M S)少則投資數(shù)千萬元, 多則投資數(shù)億元乃至數(shù)十億元, 很少有企業(yè)能承擔(dān)得起, 而且投入正常運行的很少, 維護費用也高, 還要廢棄原有的設(shè)備, 難以推廣。

(4)白領(lǐng)化使得有豐富經(jīng)驗的機械工人和技術(shù)人員日益缺少，產(chǎn)品制造技術(shù)越來越復(fù)雜, 促使使用人工智能和知識工程技術(shù)來解決現(xiàn)代化的加工問題。(5)工廠生產(chǎn)率的提高更多地取決于生產(chǎn)管理和生產(chǎn)自動化 人工智能與計算機管理相結(jié)合, 使得不懂計算機的人也能通過視覺、對話等智能手段實現(xiàn)生產(chǎn)管理的科學(xué)化。

總之，以計算機信息技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)得到迅猛發(fā)展 ,為傳統(tǒng)的制造業(yè)提供了新的發(fā)展機遇。計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合 ,形成了先進制造技術(shù)概念。冷戰(zhàn)結(jié)束以后 ,國際間競爭的重點由單純的軍事實力較量轉(zhuǎn)向以發(fā)展經(jīng)濟和提高國民生活水平的綜合國力較量 ,隨之而來的這種國際間高新技術(shù)領(lǐng)域的競爭愈演愈烈 ,且其發(fā)展形式由最初的僅依托本國的人力、物力和財力 ,發(fā)展到國際間的大規(guī)模合作。近年來由發(fā)達國家倡導(dǎo)的面向21世紀(jì)的 “智能制造系統(tǒng)”、“信息高速公路” 等國際研究計劃 ,無疑是該背景下的產(chǎn)物 ,也是國際間進行高科技研究開發(fā)的具體表現(xiàn)和積極占領(lǐng) 21 世紀(jì)高科技制高點的象征。二.主要研究內(nèi)容和目標(biāo)

智能制造在國際上尚無公認的定義。目前比較通行的一種定義是, 智能制造技術(shù)是指在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié), 以一種高度柔性與高度集成的方式,通過計算機來模擬人類專家的制造智能活動。因此, 智能制造的研究開發(fā)對象是整個機械制造企業(yè), 其主要研究開發(fā)目標(biāo)有二: ①整個制造工作的全面智能化, 它在實際制造系統(tǒng)中首次提出了以機器智能取代人的部腦力勞動作為主要目標(biāo), 強調(diào)整個企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程大范圍的自組織能力;②信息和制造智能的集成與共享, 強調(diào)智能型的集成自動化。目前, I M T 和 I M S 的研究方向已從最初的人工智能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用(A i M)發(fā)展到今天的I M S, 研究課題涉及的范圍由最初僅一個企業(yè)內(nèi)的市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃、制造加工、過程控制、信息管理、設(shè)備維護等技術(shù)型環(huán)節(jié)的自動化, 發(fā)展到今天的面向世界范圍內(nèi)的整個制造環(huán)境的集成化與自組織能力, 包括制造智能處理技術(shù)、自組織加工單元、自組織機器人、智能生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、多級競爭式控制網(wǎng)絡(luò)、全球通訊與操作網(wǎng)等。

由日本提出的 I M S 國際合作研究計劃對 I M S的解釋可以看出, I M S 的研究包括智能活動、智能機器以及兩者的有機融合技術(shù), 其中智能活動是問題的核心。在 I M S 研究的眾多基礎(chǔ)技術(shù)中, 制造智能處理技術(shù)是最為關(guān)鍵和迫切需要研究的問題之一, 因為它負責(zé)各環(huán)節(jié)的制造智能的集成和生成智能機器的智能活動。在一個國家甚至世界范圍內(nèi), 企業(yè)之間有著密切的聯(lián)系, 譬如, 采用相同的生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng), 有著類似的生產(chǎn)控制與管理方式,上下游產(chǎn)品之間的聯(lián)系, 等等。其間存在的突出問題是產(chǎn)品和技術(shù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化、信息自動交換形式與接口以及制造智能共享等。

國際 I M S 計劃的基本觀點如下: ①I M S 是21世紀(jì)的制造系統(tǒng), 必須開發(fā)與之相適應(yīng)的制造技術(shù);②應(yīng)對這些技術(shù)進行組織化和系統(tǒng)化;③加強技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化;④考慮人的因素;⑤保護環(huán)境。該計劃由已有生產(chǎn)技術(shù)的體系化和標(biāo)準(zhǔn)化、21 世紀(jì)生產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)兩大部分構(gòu)成。

1992 年4 月在日本召開的第一次國際技術(shù)委員會, 確定了4 個主題: ①技術(shù)課題;②選擇原則;③評價程序;④執(zhí)行準(zhǔn)則。由國際 I M S 中心成員提出的首批10 項研究課題是①企業(yè)集成;②全球制造;③系統(tǒng)單元技術(shù);④清潔制造技術(shù);⑤人與組織研究;⑥先進的材料加工技術(shù);⑦全球并行工程(評估和實施);⑧自主模塊的系統(tǒng)設(shè)備與分布控制;⑨快速產(chǎn)品開發(fā);b k知識系統(tǒng)化(設(shè)計與制造)。美國國家科學(xué)基金會(N SF)已連續(xù)數(shù)年重點資助了與智能制造有關(guān)的研究項目, 這些項目覆蓋了智能制造的絕大部分技術(shù)領(lǐng)域, 包括制造過程中的智能決策、基于多施主(mu lt i-agent)的智能協(xié)作求解、智能并行設(shè)計、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊⒅悄芗庸は到y(tǒng)和智能機器等。

日本提出的智能制造系統(tǒng)國際合作計劃, 以高新計算機為后盾、深受其 “真空世界” 計算機研究計劃的影響。其主要研究內(nèi)容如下: ①強調(diào)部分代替人的智能活動, 實現(xiàn)部分人的技能;②使用智能計算機技術(shù)來集成設(shè)計制造過程, 使之一體化, 以虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)虛擬制造, 以多媒體的人機接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù), 實現(xiàn)職業(yè)教育;③強調(diào)全球制造網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)制造技術(shù), 通過衛(wèi)星、In ternet 和數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球制造;④強調(diào)智能化與自律化的智能加工系統(tǒng)以及智能化CNC、智能機器人的研究。⑤重視分布式人工智能技術(shù)的應(yīng)用, 強調(diào)自律協(xié)作代替集中遞階控制。

I M T 與 I M S 的研究與開發(fā)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本, 提高國家制造業(yè)響應(yīng)市場變化的能力和速度, 以及提高國家的經(jīng)濟實力和國民的生活水準(zhǔn), 均具有重大的意義。其研究目標(biāo)是要實現(xiàn)將市場適應(yīng)性、經(jīng)濟性、人的重要性、適應(yīng)自然和社會環(huán)境的能力、開放性和兼容能力等融合在一起的生產(chǎn)系統(tǒng): ①使整個制造過程實現(xiàn)智能化, 并具有自組織能力;②I M S 是一個集成許多工廠和多種機器設(shè)備的混合系統(tǒng);③具備滿足各種社會需求的柔性;④能充分發(fā)揮人的作用;⑤易于操作;⑥總效率高;⑦能避免重復(fù)投資等。人工智能的目的是為了用技術(shù)系統(tǒng)來突破人的自然智力的局限性 ,達到對人腦的部分代替、延伸和加強的目的 ,使那些單靠人的天然智能無法進行或帶有危險性的工作得以完成 ,從而使人類的智慧能集中到那些更富于創(chuàng)造性的工作中去。人是制造智能的重要來源 ,在制造業(yè)走向智能化過程中起著決定性作用。目前在整體智能水平上 ,與人工系統(tǒng)相比 ,人的智力仍然是遙遙領(lǐng)先的。人工智能模擬的藍本主要是人類的智能 ,但人類的智能是隨時間不斷變化的 ,而這種變化又是無止境的 ,只有人與機器有機高度結(jié)合 ,才能實現(xiàn)制造過程的真正智能化。智能制造被稱為新世紀(jì)的制造技術(shù) ,目前之所以還不能實現(xiàn) ,是由于要受到目前科學(xué)技術(shù)、人以及經(jīng)濟等諸多方面的制約。智能與思維智能 ,就是在各種環(huán)境和目的的條件下正確制定決策和實現(xiàn)目的的能力。在這里 ,給定的環(huán)境和目的是問題的約束條件 ,制定正確的決策是智能的中心環(huán)節(jié) ,而有效地實現(xiàn)目的 ,則是智能的評判準(zhǔn)則。從信息處理的角度講 ,智能可以看成是獲取、傳遞、處理、再生和利用信息的能力。而思維能力是整個智能活動中最復(fù)雜、最核心的部分 ,主要指處理和再生信息的能力。這種信息處理的過程是十分復(fù)雜和多樣化的 ,歸納起來 ,大體可分為 3 種基本的類型 ,即:經(jīng)驗思維、邏輯思維和創(chuàng)造性思維。在工藝設(shè)計過程中 ,這三種類型的思維都存在 ,在不同層次的決策中起著重要作用。

總之，智能制造技術(shù)是制造技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術(shù)。其具體表現(xiàn)為:智能設(shè)計、智能加工、機器人操作、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能調(diào)度與管理、智能裝配、智能測量與診斷等。它強調(diào)通過“ 智能設(shè)備 ” 和“ 自治控制 ” 來構(gòu)造新一代的智能制造系統(tǒng)模式。智能制造系統(tǒng)具有自律能力、自組織能力、自學(xué)習(xí)與自我優(yōu)化能力、自修復(fù)能力 ,因而適應(yīng)性極強 ,而且由于采用 VR技術(shù) ,人機界面更加友好。因此 , I M技術(shù)的研究開發(fā)對于提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)、降低成本 ,提高制造業(yè)市場應(yīng)變能力、國家經(jīng)濟實力和國民生活水準(zhǔn) ,具有重要意義。智能制造是制造系統(tǒng)柔性自動化和集成自動化的新發(fā)展和重要組成部分 ,因此未來智能制造將向智能集成的方向發(fā)展 ,未來智能制造的研究將著重于智能傳感與檢測(如智能傳感器、智能傳感與檢測技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等)。

三.人工智能與 I M T、I M S 人工智能的研究, 一開始就未能擺脫制造機器生物的思想, 即 “機器智能化”。這種以 “自主” 系統(tǒng)為目標(biāo)的研究路線, 嚴(yán)重地阻礙了人工智能研究的進展。許多學(xué)者已意識到這一點, Feigenbaum、N ew ell、錢學(xué)森從計算機角度出發(fā), 提出了人與計算機相結(jié)合的智能系統(tǒng)概念。目前國外對多媒體及虛擬技術(shù)研究進行大量投資, 以及日本第五代智能

計算機研制計劃的擱淺等事例, 就是智能系統(tǒng)研究目標(biāo)有所改變的明證。

人工智能技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用涉及市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、過程控制、質(zhì)量管理、材料處理、設(shè)備維護等諸方面。結(jié)果是開發(fā)出了種類繁多的面向特定領(lǐng)域的獨立的專家系統(tǒng)、基于知識的系統(tǒng)或智能輔助系統(tǒng), 形成一系列的 “智能化孤島”。隨著研究與應(yīng)用的深入, 人們逐漸認識到, 未來的制造自動化應(yīng)是高度集成化與智能化的

人—機系統(tǒng)的有機融合, 制造自動化程度的進一步提高要依賴于整個制造系統(tǒng)的自組織能力。如何提高這些 “孤島” 的應(yīng)用范圍和在實際制造環(huán)境中處理問題的能力, 成為人們的研究焦點。在80 年代末和90 年代初, 一種通過集成制造自動化、新一代人工智能、計算機等科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的新型制造工程—— I M T 和新——代制造系統(tǒng)—— I M S 便脫穎而出。

人工智能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用與 I M T 和I M S 的一個重要區(qū)別在于, I M S 和 I M T 首次以部分取代制造中人的腦力勞動為研究目標(biāo), 而不再僅起 “輔助和支持” 作用, 在一定范圍還需要能獨立地適應(yīng)周圍環(huán)境, 開展工作。

四.I M S 和C I M S C I M S 發(fā)展的道路不是一帆風(fēng)順的。今天,C I M S 的發(fā)展遇到了不可逾越的障礙, 可能是剛開始時就對C I M S 提出了過高的要求, 也可能是C I M S 本身就存在某種與生俱來的缺陷, 今天的C I M S 在國際上已不像幾年前那樣受到極大的關(guān)注與廣泛地研究。從C I M S 的發(fā)展來看, 眾多研究者把重點放在計算機集成上, 從科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀看, 要完成這樣一個集成系統(tǒng)是很困難的。

C I M S 作為一種連接生產(chǎn)線中的單個自動化子系統(tǒng)的策略, 是一種提高制造效率的技術(shù)。它的技術(shù)基礎(chǔ)具有集中式結(jié)構(gòu)的遞階信息網(wǎng)絡(luò)。盡管在這個遞階體系中有多個執(zhí)行層次, 但主要控制設(shè)施仍然是中心計算機。C I M S 存在的一個主要問題是用于異種環(huán)境必須互連時的復(fù)雜性。在C I M S 概念下, 手工操作要與高度自動化或半自動化操作集成起來是非常困難和昂貴的。在C I M S 深入發(fā)展和推廣應(yīng)用的今天, 人們已經(jīng)逐漸認識到, 要想讓C I M S 真正發(fā)揮效益和大面積推廣應(yīng)用, 有兩大問題需要解決: ①人在系統(tǒng)中的作用和地位;②在不作很大投資對現(xiàn)有設(shè)施進行技術(shù)改造的情況下亦能應(yīng)用C I M S。現(xiàn)有的C I M S概念是解決不了這兩個難題的。今天, 人力和自動化是一對技術(shù)矛盾, 不能集成在一起, 所能做的選擇, 或是昂貴的全自動化生產(chǎn)線, 或是手工操作, 而缺乏的是人力和制造設(shè)備之間的相容性,人機工程只是一個方面的考慮, 更重要的相容性考慮要體現(xiàn)在競爭、技能和決策能力上。人在制造中的作用需要被重新定義和加以重視。

事實上, 在70 年代末和80 年代初, 人們已開始認識到人的因素在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的作用。英國出版公司(IFS)于 1984 年就首次發(fā)起了第一屆“制造中人的因素” 研討會, 目的在于提高人們對制造環(huán)境中人的因素及其所起作用的認識。事實證明, 人是 I M S 中制造智能的重要來源。值得指出的是, C I M S 和 I M S 都是面向制造過程自動化的系統(tǒng), 兩者密切相關(guān)但又有區(qū)別。

C I M S 強調(diào)的是企業(yè)內(nèi)部物料流的集成和信息流的集成;而 I M S 強調(diào)的則是更大范圍內(nèi)的整個制造過程的自組織能力。從某種意義上講, 后者難度更大, 但比C I M S 更實用、更實際。C I M S 中的眾多研究內(nèi)容是 I M S 的發(fā)展基礎(chǔ), 而 I M S 也將對C I M S 提出更高的要求。集成是智能的基礎(chǔ), 而智能也將反過來推動更高水平的集成。I M T 和 I M S 的研究成果將不只是面向21 世紀(jì)的制造業(yè), 不只是促進C I M S 達到高度集成, 而且對于FM S、M S、CNC 以至一般的工業(yè)過程自動化或精密生產(chǎn)環(huán)境而言, 均有潛在的應(yīng)用價值。有識之士對人工智能技術(shù)、計算機科學(xué)和C I M S 技術(shù)進行了全面的反思。他們在認識機器智能化的局限性的基礎(chǔ)上, 特別強調(diào)人在系統(tǒng)中的重要性。如何發(fā)揮人在系統(tǒng)中的作用, 建立一種新型的人—機的協(xié)同關(guān)系, 從而產(chǎn)生高效、高性能的生產(chǎn)系統(tǒng), 這是當(dāng)前眾多學(xué)者都會提出的問題, 也正是C I M S 所忽視的關(guān)鍵因素, 這一因素導(dǎo)致了C I M S 發(fā)展中不可逾越的障礙。值得一提的是有的學(xué)者特別強調(diào) “人件(Humanw are)” 在系統(tǒng)中的重要性, 提出C I M S 的開放結(jié)構(gòu)體系思想。最引人注目的是歐共體的ESPR IT 計劃中單獨列出的一個研究子項, 即 “以人為中心的C I M S”。甚至有人索性稱以人為中心的 C I M S 為 H I M S(HumanIn tegrated M anufactu r ing System), 指出集成制造系統(tǒng)首先是 “人的集成”。耐人尋味的是, 目前研究的 “精良生產(chǎn)” 與 “敏捷制造” 等新型制造系統(tǒng)的主要出發(fā)點也是強調(diào) “人” 的作用, 即 “以人為中心”。

五．智能制造的物質(zhì)基礎(chǔ)及理論基礎(chǔ) 1.智能制造系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)主要有:

(1)數(shù)控機床和加工中心 美國于 1952 年研制成功第一臺數(shù)控銑床 ,使機械制造業(yè)發(fā)生一次技術(shù)革命。數(shù)控機床和加工中心是柔性制造的核心單元技術(shù)。(2)計算機輔助設(shè)計與制造提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期 ,改變了傳統(tǒng)用手工繪圖、依靠圖紙組織整個生產(chǎn)過程的技木管理模式。

(3)工業(yè)控制技術(shù)、微電子技術(shù)與機械工業(yè)的結(jié)合 — — — 機器人開創(chuàng)了工業(yè)生產(chǎn)的新局面 ,使生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化 ,使制造過程更富于柔性擴展了人類工作范圍。

(4)制造系統(tǒng)為智能化開發(fā)了面向制造過程

中特定環(huán)節(jié)、特定問題的 “智能化孤島”,如專家系統(tǒng)、基干知識的系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)等。

(5)智能制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)用

計算機一體化控制生產(chǎn)系統(tǒng) ,使生產(chǎn)從概念、設(shè)計到制造聯(lián)成一體 ,做到直接面向市場進行生產(chǎn) ,可以從事大小規(guī)模并舉的多樣化的生產(chǎn);近年來 ,制造技術(shù)有了長足的發(fā)展和進步 ,也帶來了很多新問題。數(shù)控機床、自動物料系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、機器人等在工業(yè)公司得到了廣泛的應(yīng)用 ,越來越多的公司使用了 “計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)”、“柔性制造系統(tǒng)(FMS)”、“工廠自動化(FA)”、“多目標(biāo)智能計算機輔助設(shè)計(M1CAD)”、“模塊化制造與工廠(MXMF)、并行工程(CE)”、“智能控制系統(tǒng)(ICS)” 以及 “智能制造(IM)”、“智能制造技術(shù)(IMT)” 和 “智能制造系統(tǒng)(IMS)” 等等新術(shù)語。先進的計算機技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)向產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)的設(shè)計師和管理人員提出了新的挑戰(zhàn) ,傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方法不能再有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)提出的問題了。要解決這些問題、需要用現(xiàn)代的工具和方法 ,例如人工智能(AI)就為解決復(fù)雜的工業(yè)問題提出了一套最適宜的工具。2.智能制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)

智能制造技術(shù)是采用一種全新的制造概念和實現(xiàn)模式。其核心特征強調(diào)整個制造系統(tǒng)的整體“智能化” 或 “自組織能力” 與個體的 “自主性”。“智能制造國際合作研究計劃J IRPIMS” 明確提出: “智能制造系統(tǒng)是一種在整個制造過程中貫穿智能活動 ,并將這種智能活動與智能機器有機融合 ,將整個制造過程從訂貨、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進生產(chǎn)系統(tǒng)”。基于這個觀點,在智能制造的基礎(chǔ)理論研究中 ,提出了智能制造系統(tǒng)及其環(huán)境的一種實現(xiàn)模式 ,這種模式給制造過程及系統(tǒng)的描述、建模和仿真研究賦予了全新的思想和內(nèi)容 ,涉及制造過程和系統(tǒng)的計劃、管理、組織及運行各個環(huán)節(jié) ,體現(xiàn)在制造系統(tǒng)中制造智能知識的獲取和運用 ,系統(tǒng)的智能調(diào)度等 ,亦即對制造系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流、信息流、功能決策能力和控制能力提出明確要求。作為智能制造技術(shù)基礎(chǔ) ,各種人工智能工具 ,及人工智能技術(shù)研究成果在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用 ,促進了智能制造技術(shù)的發(fā)展。而智能制造系統(tǒng)中 ,智能調(diào)度、智能信息處理與智能機器的有機融合而構(gòu)成的復(fù)雜智能系統(tǒng) ,主要體現(xiàn)在以智能加工中心為核心的智能加工系統(tǒng)的智能單元上。作為智能單元的神經(jīng)中樞——智能數(shù)控系統(tǒng) ,不僅需要對系統(tǒng)內(nèi)部中各種不確定的因素如噪聲測量、傳動間隙、摩擦、外界干擾、系統(tǒng)內(nèi)各種模型的非線性及非預(yù)見性事件實施智能控制 ,而且要對制造系統(tǒng)的各種命令請求做出智能反應(yīng)。這種功能已遠非傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)所能勝任 ,這是一個具有挑戰(zhàn)性的新課題。對此有待研究解決的問題有很多 ,其中包括智能制造機理、智能制造信息、制造智能和制造中的計算幾何等。總之 ,制造技術(shù)發(fā)展到今天 ,已經(jīng)由一種技術(shù)發(fā)展成為包括系統(tǒng)論、信息論和控制論為核心的、貫穿在整個制造過程各個環(huán)節(jié)的一門新型的工程學(xué)科 ,即制造科學(xué)。制造系統(tǒng)集成與調(diào)度的關(guān)鍵是信息的傳遞與交換。從信息與控制的觀點來看 ,智能制造系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng) ,由輸入、處理、輸出和反饋等部分組成。輸入有物質(zhì)(原料、設(shè)備、資金、人 員)、能量與信息;輸出有產(chǎn)品與服務(wù);處理包括物料的處理與信息處理;反饋有產(chǎn)品品質(zhì)回饋與顧客反饋。制造過程實質(zhì)上是信息資源的采集、輸入、加工處理和輸出的過程 ,而最終形成的產(chǎn)品可視為信息的物質(zhì)表現(xiàn)形式。

六．智能制造系統(tǒng)的特征及框架結(jié)構(gòu)

1.為了提出有我國特色的智能制造模式 ,首先要搞清智能系統(tǒng)應(yīng)具有什么特征。當(dāng)前對智能系統(tǒng)的理解有兩種不同的意見:一種是從科學(xué)的角度來看這個問題的意見 ,即認為只有具備下列特征的系統(tǒng)才能稱為智能系統(tǒng):一個系統(tǒng)既具有人類智能(或部分地),又具有與人類實現(xiàn)其智能相似的過程與途徑。另一種是從工程的角度來看這個問題的意見 ,即認為一個系統(tǒng)只要具有(或部分具有)人類智能就稱為智能系統(tǒng) ,而不管實現(xiàn)其智能的過程與途徑。我們這里所討論的問題是關(guān)于智能制造系統(tǒng)的問題 ,也就是從工程角度來討論智能系統(tǒng)的問題。我們認為:在工程上 ,智能系統(tǒng)的特征有以下幾個方面 ,具有下列特征之一的系統(tǒng) ,從工程角度看 ,就可稱為智能系統(tǒng)：(1)多信息感知與融合;(2)知識表達、獲取、存儲和處理(主要是識別、設(shè)計、計算、優(yōu)化、推理與決策);(3)聯(lián)想記憶與智能控制;(4)自治性 自相似、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、自維護;(5)機器智能的演繹(分解)與歸納(集成);(6)容錯。

2.智能制造系統(tǒng)模式的框架結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)是一個多智能體分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ,分成四個部分:中心層、管理層、計劃層和生產(chǎn)層。每個層由具有自治性的多智能體組成 ,這種多智能體具有相似的結(jié)構(gòu) ,但根據(jù)任務(wù)的不同而有不同的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、自維護功能。智能系統(tǒng)有一定的容錯能力 ,可以在不完整的信息或偶然誤差出現(xiàn)時正常地工作。系統(tǒng)與因特網(wǎng)兼容 ,可以進行企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟、招標(biāo)、投標(biāo)及電子商務(wù) ,還可形成虛擬制造的支持環(huán)境。

七． 智能加工中心 IMC 1.智能加工中心是智能制造系統(tǒng)中一種典型的智能加工機器。作為以 IMC 為主的智能加工單元 ,其任務(wù)為感知、決策、加工、控制與學(xué)習(xí)。智能加工中心既是智能制造過程和系統(tǒng)的實驗和應(yīng)用對象 ,也是智能制造技術(shù)的縮影和實現(xiàn)通道。它與普通的加工中心(MC)有著本質(zhì)的區(qū)別 ,除了完成數(shù)控代碼規(guī)定的加工任務(wù)外 ,能夠根據(jù)信息的綜合進行自主決策 ,實時調(diào)整自身行為 ,適應(yīng)環(huán)境和自身的不確定性變化 ,即應(yīng)具有 “自主性” 和 “自組織” 能力 ,實現(xiàn)對 IMC的數(shù)控系統(tǒng)進行實時干預(yù)與智能控制。數(shù)控加工中心的實時智能控制 ,表現(xiàn)為三個方面:第一是遠程控制 ,通過通信線路對加工現(xiàn)場進行控制 ,對加工中心的加工操作和加工狀態(tài)進行監(jiān)視;第二是故障識別與處理 ,如刀具磨損識別與自動更換備用刀具、自激振動識別與自動抑制或消除等;第三是自適應(yīng)控制 ,根據(jù)檢測到的過程控制信息自適應(yīng)地改變加工參數(shù)。而智能加工中心對信息的獲取與處理表現(xiàn)在對加工環(huán)境和加工狀態(tài)的自主響應(yīng)能力 ,其中對刀具狀態(tài)的監(jiān)測是評判加工狀態(tài)的重要依據(jù)。加工中心刀具狀態(tài)實時在線智能監(jiān)測系統(tǒng) ,及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊識別模式的多傳感器融合技術(shù)的刀具磨、破損監(jiān)測

系統(tǒng)的成功開發(fā) ,為智能制造信息的自動獲取 ,成功提供了有力的保證。2.智能加工中心的主要功能

在智能加工中心中 ,智能數(shù)控系統(tǒng)是 IMC 的神經(jīng)中樞 ,其智能化程度直接決定了整個智能制造系統(tǒng)的智能水平。智能數(shù)控系統(tǒng)具有高級的自主控制功能 ,能將任務(wù)請求、作業(yè)規(guī)劃、軌跡控制、過程監(jiān)視與控制、錯誤自修復(fù)等功能有機結(jié)合起來。面向制造系統(tǒng) ,它是任務(wù)驅(qū)動的柔性規(guī)劃學(xué)習(xí)系統(tǒng) ,而面對復(fù)雜的物流加工環(huán)境 ,它又是 “刺激一反應(yīng)” 型的再勵系統(tǒng) ,能對來自內(nèi)部和外界環(huán)境的多種刺激做出理智的決策 ,從而以最優(yōu)策略完成目標(biāo)任務(wù)。通過對智能制造環(huán)境下的加工過程進行分析 ,確定加工中心應(yīng)具備的主要功能有:(1)感知功能 ,根據(jù)多種傳感器信號的收集、特征提取和信息融合 ,實現(xiàn)加工對象感知和系統(tǒng)狀態(tài)感知。

(2)決策功能 ,在感知的基礎(chǔ)上通過決策 ,明確其在整個制造系統(tǒng)中的作用、與其它智能機器的關(guān)系 ,并確定自身的行為方式。

(3)控制功能 ,智能加工中心根據(jù)決策結(jié)果進行處理 ,采用最優(yōu)化的方式完成加工任務(wù) ,并保證加工過程得到可靠的監(jiān)視和維護。

(4)通信功能 ,包括與 CAD/ CAM 系統(tǒng)的智能通信 ,實現(xiàn)數(shù)據(jù)與知識的交流 ,支持并行工程策略;與其它智能加工機器的智能通信 ,交流狀態(tài)信息 ,協(xié)調(diào)加工負荷;與人類專家和操作人員的智能通信 ,提供良好的人機交互環(huán)境 ,為智能機器提供知識單元 ,做出相應(yīng)決策。

(5)學(xué)習(xí)功能 ,依據(jù)決策、控制和加工指令 ,以及由此引起的狀態(tài)變化和最終加工任務(wù) ,學(xué)習(xí)和積累相關(guān)知識 ,改進決策和控制策略。此外 ,還包括從人類專家和其它智能機器直接獲取知識。

八．智能制造技木的發(fā)展趨勢 智能制造是從 80 年代末發(fā)展起來的 ,最旱的幾本有關(guān)智能制造及系統(tǒng)方面的專著是在 1988年由 Wrightfg MilaciC 等人編寫的 ,隨后、Kusiak和 Pain也相繼出版了這方面的研究著作。這些專著所描述的 IMS仍基于設(shè)計與制造技術(shù)所提出的問題和解決的工具與方法。在許多工業(yè)化國家、人工智能已被當(dāng)作求解現(xiàn)代工業(yè)提出的問題的工具和方法。因此 ,這些專著僅著力于人工智能在制造業(yè)中的應(yīng)用和智能系統(tǒng)研究與應(yīng)用中提出的問題的求解、使用基于知識的系統(tǒng)(如級聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng))和優(yōu)化方法來解決自動化制造環(huán)境中零件、產(chǎn)品、系統(tǒng)的設(shè)計與制造 ,以及自動制造系統(tǒng)的規(guī)劃與調(diào)度(管理)問題。先進的工業(yè)化國家在研究 FMS、CIMS、FA 及AI籌的基礎(chǔ)上 ,為了進行國際間制造業(yè)的共同協(xié)作研究、開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、物流、信息流、經(jīng)營管理乃至制造過程的集成化與智能化等而提出來的智能制造系統(tǒng) ,也是為了解決各發(fā)達國家面臨的企業(yè)活動全球化、重復(fù)投資增大、現(xiàn)場熟練技術(shù)工人不足和社會對產(chǎn)品的需求變化等因素而倡導(dǎo)的國際制造業(yè)的合作。在迸行智能制造及其相關(guān)技術(shù)與系統(tǒng)的研究方面、首推日本在 1990 年提議和倡導(dǎo)的日、美、歐之間建立的國際運營委員會、國際技術(shù)委員會和附屬機構(gòu) IMS中。大有主宰未來制造技術(shù)的趨勢。1991～ 1993 年 Barschdor 汀和 Monostori 等應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNS)到智能制造中進行加工過程的建模、監(jiān)測、診斷、自適應(yīng)控制;通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示和學(xué)習(xí)能力 ,縮短 CIMS的反應(yīng)時間 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量 ,使系統(tǒng)更可靠。而 Furukawa則對智能機器的設(shè)計程序及它在自動導(dǎo)引車中的應(yīng)用作了介紹。被稱為是二十一世紀(jì)的制造技術(shù)的智能制造系統(tǒng) ,目前國內(nèi)外已相繼開展了國際聯(lián)合研究計劃。智能制造系統(tǒng)與當(dāng)前任何制造系統(tǒng)相比 ,在體系結(jié)構(gòu)上有著根本意義上的不同 ,具體體現(xiàn)在:一是采用開放式系統(tǒng)設(shè)計策略。通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ,實現(xiàn)共享制造數(shù)據(jù)和制造知識 ,以保證系統(tǒng)質(zhì)量。這是將計算機界先進的設(shè)計和開發(fā)思想融入到制造系統(tǒng)的結(jié)果 ,因而使制造系統(tǒng)向擬人化的方向進一步發(fā)展。二是采用分布式多自主體智能系統(tǒng)設(shè)計策略 ,其基本思想是:賦予制造系統(tǒng)中各組成部分或子系統(tǒng)一定的自主權(quán) ,使其形成一個封閉的具有完整功能的自主體 ,這些自主體以網(wǎng)絡(luò)智能結(jié)點的形式聯(lián)接在通訊網(wǎng)絡(luò)上 ,各個智能結(jié)點在物理上是分散的 ,在邏輯上是平等的。通過各結(jié)點的協(xié)同處理與合作 ,共同完成制造系統(tǒng)任務(wù) ,實現(xiàn)人與人的知識在制造中的核心地位。此外 ,生物制造與仿生機械的科學(xué)與技術(shù)、生物自生長成形制造、綠色制造的科學(xué)與技術(shù)包括產(chǎn)品與人類和自然的協(xié)調(diào)理論 ,產(chǎn)品綠色工藝(如Near2Zero Waste)等也極大地豐富了智能制造的范疇 ,促進了智能制造系統(tǒng)的發(fā)展。目前 ,我國一些高等院校也在進行智能制造技術(shù)的研究 ,如南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院朱劍英教授成立的智能制造科研組 ,一方面跟蹤國際智能制造的最新研究動態(tài) ,另一方面從事智能制造關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)的預(yù)研工作 ,為地區(qū)及我國智能制造技術(shù)的發(fā)展做出了一定貢獻。遺憾的是 ,由于種種原因 ,我國政府主管部門和有關(guān)大公司、廠家并無跡象表明對智能制造已引起足夠的重視 ,至今也未得到我國機械學(xué)科的普遍關(guān)注。相信隨著人們對智能制造系統(tǒng)認識的逐步深入 ,智能制造系統(tǒng)必將得以迅猛發(fā)展 ,迎頭趕上世界先進發(fā)展水平。

九．智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題

目前對分布式制造系統(tǒng)的研究雖然還處于初期階段 ,但已在不同層次、不同側(cè)面上取得了大量令人振奮的基礎(chǔ)理論研究成果和應(yīng)用成果 ,如制造 Agent的個體目標(biāo)機制(如獎懲機制、市場機制、目標(biāo)函數(shù)等)等。這些研究成果奠定了MAS在制造控制中應(yīng)用的基礎(chǔ)。但是 ,由于制造 Agent 在信息、知識和控制上的完全分布 ,每個 Agent 對環(huán)境、對整個問題求解活動及其他Agent 的意圖只有部分的、不完全的知識 ,并且擁有的知識可能互相不一致 ,各個 Agent只能根據(jù)不完備的知識與不完整、不同步的信息做出局部決策。又由于整個系統(tǒng)缺乏類似中央控制的機制 ,因而整個系統(tǒng)的控制和決策往往不能達到最優(yōu)效果 ,而且不可避免地存在大量難以解決的決策沖突(C onflict)和死鎖(Deadlock)。因此 ,對分布式自治制造系統(tǒng)中異構(gòu) Agent 間的相互合作以及全局協(xié)調(diào)機制的研究 ,是分布式自治制造系統(tǒng)最重要 ,也是最基本的問題 ,更是其走向?qū)嵱盟酱鉀Q的核心問題。協(xié)調(diào)是指一組 Agent 完成一些集體活動時相互作用的性質(zhì)。在分布式制造系統(tǒng)中 ,全局協(xié)調(diào)和優(yōu)化是一個在多目標(biāo)動態(tài)約束下 ,各類活動和資源的最佳組合和排序的動態(tài)求取過程 ,它可以描述為兩個子問題 ,即局部調(diào)度決策和全局資源協(xié)調(diào)。由于 “組合爆炸” 現(xiàn)象的存在 ,當(dāng)前采用的普遍方法是談判和投標(biāo)(Neg otiation and Bidding)。談判被定義為:在開放的、動態(tài)的制造控制環(huán)境下 ,擁有任務(wù)訂單的 Agent(協(xié)調(diào)者),及欲參與任務(wù)執(zhí)行的 Agent(投標(biāo)者)之間傳遞各自的資源、愿望和能力信息 ,反復(fù)進行協(xié)商 ,直到其中一個Agent 或一組Agent 被選出組成執(zhí)行該任務(wù)的隊列的過程。在這個過程中出現(xiàn)的沖突和死鎖或者由協(xié)調(diào)者來解決 ,或者由沖突中的 Agent 自行解決。為了加快談判過程 ,許多研究工作致力于改進談判策略和開發(fā)支持協(xié)商的協(xié)議和語言 ,目前已提出了諸如一步談判、多步談判、合同網(wǎng)等多種談判策略和協(xié)議。分析這種談判過程 ,可以看出:

(1)在當(dāng)前所采用的模型中 ,談判是基于對談判者的知識與能力、討價還價過程、收益計算 ,以及子系統(tǒng)的影響(或能力)的平衡的顯式表達 ,以可計算的迭代模型模擬社會或生物界的組織形式和進化過程的協(xié)調(diào)和協(xié)作方法;

(2)各個Agent 總是將其他Agent 的局部調(diào)度作為其預(yù)測信息 ,以計算其自己的局部調(diào)度決策。依次地 ,又將決策結(jié)果傳遞給其他 Agent。宏觀上看 ,這是一個串行過程。當(dāng)一個Agent 產(chǎn)生的結(jié)果不可接受時 ,又需要進行反復(fù)通信和迭代。因而 ,各個 Agent 的內(nèi)部可以看作是一個局部閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) ,而沖突則是其外部擾動;

(3)全局協(xié)調(diào)的目標(biāo)是要完全消解沖突 ,因而各 Agent 總是要利用最新的信息來處理沖突。因此 ,談判實際上是一種外部合作機制。這種方法在一定程度上解決了開放環(huán)境中的 Agent 協(xié)調(diào)和協(xié)作的組合優(yōu)化問題 ,但是該方法的一個固有缺陷是它只是對社會市場或生物界的組織形式和進化過程的直覺模仿[1 ],尚缺乏對其基本原理、機制和限制條件的深刻認識和理論上的證明 ,例如 ,在什么條件下談判的過程是收斂的、穩(wěn)定的。如何得到期望的結(jié)構(gòu)或功能等。尤其當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大 ,而且 Agent 處于信息連續(xù)變化的高度紊亂的環(huán)境中(如由于市場的快速變化 ,經(jīng)常會有一些短期的、緊急的訂單需要及時處理)時 ,有可能引起沖突的傳播(即任何兩個實體間沖突的解決會觸發(fā)其他沖突的出現(xiàn))。這種特性類似于自催化過程 ,各個制造Agent 間正向先進制造技術(shù)的源泉.科學(xué)通報,1998 , 43-33727.[4 ] 史忠植.高級人工智能.北京: 科學(xué)出版社, 1998.[5]楊文通 ,王曹 劉志峰 ,等 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)北京 電子工業(yè)出版社 , [6]王英林 ,劉敏 ,張申生 ,基于Agent的敏捷供應(yīng)鏈及相關(guān)技術(shù) 中國機械工程 , [7]張軍 ,趙江洪 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)控機床工業(yè)設(shè)計系統(tǒng)中的知識獲取與應(yīng)用研究 〔機械工程學(xué)報 〕 ,