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摘要：以部件装配所需的工装及其配套数控定位器、制孔系统、AGV等及其应用的典型/特定过程管控系统为试点对象，探索装备在云边端架构下支持统一管控、调度分配、受控组线及运行，以及特定产品对象生产加工过程管控技术，为后期模块化装备研制、可重构产线规划及建设提供理论及关键技术支撑，解决特定功能应用系统实现工程落地的难题。

关键词： 云边端架构；资源申请；数据监控；告警监控

1 引言

针对现有装配生产线专线思想固化、非重构浪费大、可重构需求旺盛等问题，本文运用传感器技术、数据采集及分析等技术，在部件装配产线的站位端侧运用传感器技术及接口技术对产线数据进行全方位的采集；在站位边侧，运用可视化技术及感知数据管理技术对产线的运行情况及运行数据进行监控；在云侧，运用微服务技术实现对产线数据的存储及分析调度分配管控，从而实现基于云平台、微服务、边控制、端执行的方式对生产线装备进行统筹管理、调度和集成控制。

2 总体架构

为了更好地实现对基于云侧部署应用的特定功能应用系统的设计，基于对装配产线的装配过程及装配设备资源的整合研究分析，提出基于云平台（云管家平台）、边控制（集成应用系统）、端执行（模块化装备）的云边端协同的系统架构。系统架构如图1所示，具体内容如下：

（1）云平台提供模块化装备资源注册管理、排产调度管理、生产任务与资源需求管理等功能实现生产任务与资源的统一协调管控。

（2）应用系统云服务层提供装配工艺管控流程微服务实现对通用生产单元装配工艺流程的研发和生产使用后台管理服务；提供装备资源申/受管理微服务实现对生产单元装备申请使用情况的通用管理能力；提供装备数据采集反馈和运行感知监控微服务实现对生产单元使用中的装备各种运行状态数据的采集、向云平台反馈以及运行监控告警服务。

（3）应用系统边客户端层提供通用装备注册、数据采集功能应用实现对传统无大脑装备的注册和状态上报能力；提供可配置产线单元装配工艺流程配置工具；提供产线单元装配流程过程管控执行应用实现现场操作人员对模块化装备资源的申请、单元组态、运行控制等操作过程。

（4）模块化装备层主要提供通用装备注册、数据采集和指令执行上下位转接等接口，实现特定装备扩展注册，数据采集和指令执行接口转接适配等功能对上层业务应用提供统一的操作接口能力。

3关键技术研究

3.1边端应用系统注册技术

3.1.1 边特定功能应用系统注册

为了实现云平台对多个边特定功能应用系统的管理，以实现边特定功能应用系统申请资源与接受功能，边特定功能应用系统需要向云平台发起注册登记功能。边特定功能应用启动时，立即向云平台发起注册功能，不需要无大脑装备、带大脑装备和加装小脑模块的参与，相关网络请求如下图2所示：

3.1.2 边应用系统注册协议定义

注册由边应用系统向云平台发起。注册接口协议的字段有：边应用系统注册发起时间、边应用系统编码ID、边应用系统登录密钥、边应用系统名称、边应用系统接收端设备通讯IP地址、端口。其中，边应用系统接收端设备通讯IP地址和端口，是用于接收端侧装备上传运行数据及监控数据的服务端口，并且在边应用启动时通过注册告知给云平台，装备被重新组线和分配生产任务时，由云平台通知给装备，组线的边应用的接收端设备通讯IP地址和端口。端侧装备向新分配归属的边应用系统发起运行数据及监控数据上报。

3.2资源申请与接受

在系统中需要实现装备资源的申请与接受，边应用系统发起装备资源的申请与接受流程如下图3所示：

1、边应用系统启动后，读取本地配置文件获取云平台微服务的IP地址和端口；

2、边应用向云平台发起注册操作，同时携带边应用系统服务IP和端口；

3、有新的生产任务时，由产线现场操作人员发起装备资源申请操作；

4、云平台系统根据资源申请要求或者制定的装备进行资源智能匹配，同时生成资源申请审批流程，由资源分配管理人员在云平台进行人工审批；

5、云平台向边应用系统反馈资源审批状态（成功或失败、失败原因）；

6、如果资源审批通过，云平台会分析检测装备资源是否已注册，是否处于已上线状态；

7、如果申请资源处于上线状态，云平台自动发起资源调度指令，并且告知新建任务编号、完成任务时限，以及所属的边应用系统服务IP和端口；

8、端侧装备通用服务程序接收到资源调度指令后，通过工控协议设置设备正确的状态；

9、端侧装备通用服务程序向边应用系统上报运行及监控数据；

10、边应用系统确定设备分配成功，且调度成功，向云平台反馈装备资源调度成功。

3.2.1 可用装备资源查询

边应用系统向云平台发起装备资源申请前，需要查询目前可用的装备资源，因此，云平台需要提供可用装备资源查询接口。可用装备资源查询由边应用系统向云平台发起。查询接口协议的字段有：边应用系统查询发起时间、边应用系统编码ID、设备类别、设备子类别、设备通用参数及条件列表、设备管理参数及条件列表。

3.2.2装备资源申请

装备资源申请由边应用系统向云平台发起。申请接口协议的字段有：边应用系统装备资源申请发起时间、边应用系统编码ID、任务名称、任务开始时间、任务完成时限、申请装备资源设备编码列表、设备名称列表、申请人、申请部门。

3.2.3装备资源申请状态查询

装备资源申请状态查询由边应用系统向云平台发起。申请状态查询接口协议字段有：查询申请发起时间、边应用系统编码ID、任务编码、任务名称、申请人、申请部门。

3.2.4装备资源接受反馈（边侧）

装备资源发起申请后，资源分配管理人员登录云平台对装备资源申请进行审批，审批成功或者失败后，由云平台向边应用系统反馈装备资源申请状态。装备资源反馈（边侧）由云平台向边应用系统发起。反馈（边侧）接口协议的字段有：资源反馈发起时间、边应用系统编码ID、任务名称、任务开始时间、任务完成时限、申请成功的装备资源设备编码列表、设备名称列表、申请人、申请部门。

3.2.5装备资源接受反馈（端侧）

装备资源申请审批成功后，云平台对申请成功的设备在线状态进行判断。如果设备运行在线，云平台立即通知装备，被分配新的生产任务，并且通知该设备向申请装备的边应用系统进行状态反馈；如果设备不在线，云平台在设备注册、登录后，立即通知设备被分配新的生产任务，并且通知该设备向申请装备的边应用系统进行状态反馈。

装备资源反馈（端侧）由云平台向端侧装备通用服务程序发起。反馈（端侧）接口协议的字段有：资源反馈发起时间、边应用系统编码ID、任务编码、任务名称、任务开始时间、任务完成时限、申请成功的装备资源设备编码、设备名称、申请人、申请部门、边侧服务IP、边侧服务端口。

3.2.6 装备资源成功确认（边侧）

端侧装备在接收云平台的资源调度指令后，会标识装备自身被生产任务调用，调整设备至原点位置，设备状态调整正确后，端侧装备 通用服务程序向边应用系统发起连接，并且上报设备运行状态数据和设备监控数据。

3.2.7 装备资源成功确认（云侧）

边应用系统在接收到端侧运行状态和设备监控数据后，确认设备被调度成功，边应用系统向云平台上报装备资源申请成功确认。

装备资源申请由边应用系统向云平台发起。申请接口协议的字段有：边应用系统装备资源成功确认时间、边应用系统编码ID、任务编码、任务名称、装备资源设备编码、设备名称、申请人、申请部门。

3.2.8 装备资源释放

装备资源释放由边应用系统向云平台发起。资源释放接口协议字段有：释放申请发起时间、边应用系统编码ID、任务编码、任务名称、释放资源设备编码列表、设备名称列表、申请人、申请部门。

3.3运行数据监控及故障告警监控

装备运行数据具有并发、量大的特点；故障告警数据具有偶发、实时性要求高的特点。所有装备运行数据和故障数据全部上传给云平台，数据库会由很大的读写压力。

本文采用端侧装备通过HTTP文本描述性协议上传运行数据和故障数据给边侧特定功能应用系统；端侧装备通过HTTP文本描述性协议上传故障数据给云平台。云平台能够实时接收到装备故障数据，但是不会实时接收到设备运行数据，但是如果云平台需要查询某个或者某几个设备的运行数据时，可以通过查询设备运行数据查询接口，向设备所属的边侧特定功能应用系统进行查询。相关网络请求如下图4所示：

系统考虑边、端设备的存储能力以及实际需求，边侧数据库要求保存180天的设备运行数据和故障数据；端侧装备要求保存14天的设备运行数据和故障数据。数据双备份解决了数据可靠存储问题，同时也最小化了硬件资源要求。

3.3.1故障数据反馈告警（云侧）

故障数据反馈接口由带大脑装备、端设备代理服务或则加装小脑模块的通用运行故障状态模块在注册成功后，出现设备故障时向云平台发起，告知云平台设备发生故障。故障反馈接口协议的字段有：故障发起时间、设备编码ID、所属任务编号、故障状态、故障描述。

3.3.2故障数据反馈告警（边侧）

故障数据反馈接口由带大脑装备、端设备代理服务或则加装小脑模块的通用运行故障状态模块在与边应用系统建立通讯后，出现设备故障时向边应用系统发起，告知设备发生故障。故障反馈接口协议的字段有：故障发起时间、设备编码ID、所属任务编号、故障状态、故障描述。

3.3.3运行数据监控（边侧）

故障数据反馈接口由带大脑装备、端设备代理服务或则加装小脑模块的通用运行故障状态模块在与边应用系统建立通讯后，定时向边应用系统发起，上报设备运行状态。运行数据监控接口协议字段有：数据上报发起时间、设备编码ID、所属任务编号、所属设备分类、设备子类等。

3.3.4 运行数据查询（云侧）

云平台需要获得某个设备的详细运行信息时，云平台向装备所属的边应用系统发起查询。运行数据查询接口协议字段有：设备编码ID、所属任务编号、所属设备分类、设备子类、运行数据查询时间段等。

3.4 组线及运行控制

组线及运行控制是集成应用系统对装配工艺流程管控下的模块化资源完成组态并进行实时精确地控制及确认反馈的过程。

3.4.1运行控制反馈指令设计

在装备组态的过程中需要运行控制命令，并且确认控制命令执行到位。执行控制命令的执行单元多种多样，有脑设备、端代理设备服务、加装小脑模块；执行命令的通讯协议各不相同，有网络、RS485、专有协议等；执行命令的时间有长有短；执行命令成功的标志或返回结果各不相同。为了简化系统设计，系统采用异步方式执行控制命令，同时采用循环查询执行反馈参数，直至执行反馈参数符合预期，则运行控制命令执行成功，否则控制命令执行超时失败。运行控制反馈指令执行过程如下图5所示，包括调用运行控制指令、循环查询控制结果、结果符合预期执行成功、结果不符合预期且超时。

3.4.2  运行控制命令通用通道设计

装备的组态时的控制命令各不相同，为了简化控制命令的调用、执行过程，系统参考操作系统设备控制驱动采用的设计思想，即采用通用的控制方式+不同控制命令和参数的方式。 即通用命令通道设计成通道ID、控制命令、控制参数三个关键控制字段进行控制。控制命令值根据实际的控制设备和控制意图，设置不同的值；控制参数根据控制命令填写相关的控制值。

3.4.3运行控制命令协议

运行控制命令时通用接受调度与组线指令通用模块对外提供的运行控制命令接口。运行控制接口协议字段有：控制设备编码ID、所属任务编号、所属设备分类、设备子类、控制命令、控制参数、超时时间。

4结论：

基于模块化资源和实际生产需求组态形成具有边特定功能应用系统，针对特定应用场景，通过可配置流程定制工具，定义具体工艺操作，实现软、硬件资源组合配置，进而执行申请模块化装备资源、独立运行或组态运行装备、人工输入或接收云端指令、调度装备执行并监控等流程节点，实现对模块化装备的运行状态/数据自动感知、采集与反馈，完成对部件装配生产过程的具体管控。

参考文献：

[1]韩锐.云边协同大数据技术与应用. 北京：机械工业出版社， 2023.

[2]吴大鹏.云边端协同的知识服务：理论与应用. 北京：科学出版社， 2023.

[3]王磊.微服务架构与实践（第2版）. 北京：中国工信出版集团， 2019.

[4]张洪双， 蒋君侠， 柯映林， 等. 大部件调姿的数控定位器布局及行程优化[J]. 计算机集 成制造系统， 2013， 19（11）： 2742-2747.