数字工厂与物联网智能工厂的融合外文翻译资料

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数字工厂与物联网智能工厂的融合

摘要：

在制造业中，物联网应用被定义为一种未来趋势，每天在车间的物品、人员、系统都通过互联网联系起来，由此来构建对制造至关重要的服务。智能工厂是一种用于实现无工人劳动工厂的途径，这非常符合物联网特征。物联网不仅处理物体间的智能连接，也处理在数字工厂内使用的不同互联网工具的交互。数据和信息来自异构IT系统，不同领域，观点，粒度级别和生命周期阶段，导致数据共享的潜在不一致，从而抑制互操作性。因此，我们的目标是探究相应的方案和原则，以此来确保当数字工厂、IT工具和IoT整合到制造业异构IT环境中的数据一致性。本文特别指出一种用于确定什么样的信息该被整合、何时整合、如何整合的方法。其次，文章提出了一种能将物联网和使用语义web技术、以工具的互操作性为标准的开放服务生命周期的协作(OSLC)的PLM平台综合一体化的方式。

1 介绍

物联网是一种互联，这种互联通过嵌入在日常设备中的运算设备间所形成的互联网，使之能收发数据。智能工厂里的产品、资源和流程以网络化物理系统（CPS）的形式表示，CPS类似于能实现相同架构共享的物联网，但在物理计算组件中，生产系统CPS提出了一种更优化的组合与协调方式。数字工厂是一个计划中的或者说是一个真实工厂的模型，这种模型被用于设计、规划和操作。在这个智能工厂，当工程与有着实时数据、推断统计数据信息的智能工厂相结合时，数字工厂由此诞生。这种将数字工厂和智慧工厂相结合的重要功能包括创建数字化的物件接口，这种接口联系着实物。进一步讲，运用这些功能即可接收来自数字工厂的互联网应用的数据，对物联网平台来说这些数据使智能工厂正常工作，在工作中通过物联网设备给数字工厂反馈信息。但在互联网环境下，数据和物理资源通常是异构的，一个有效的一体化战略要保证发送到物联网平台的数据或送物联网平台发出的数据的一致性。这需要有一种用于数据描述及表现的共同语言，并同时开发能使物联网设备与数字化工厂沟通的协议。为了数字工厂中的互通性，许多本体和信息标准例如ISO10303由此诞生。在智能工厂中，资源描述框架(RDF)用于实现互通性，例如语义传感器网络(SSN)解决了通过合并以传感器为重点、以观测为重点、以系统为重点的观点来感知实际应用的独立域和端到端模型的需求。

数字工厂和智能工厂结合的整体方案在调查中还未被涉及。由此，为了自己的IT体系结构，一些公司开发出针对供应商的解决方案。他们没有标准化服务和功能，也缺乏语义或句法的解决方案。因此，本文针对这种整合提出解决方案，包括标准化协议和数据信息交换模型，这也是一种针对特定问题的解决措施，必须采取这些措施来适应目前的方法和技术之间的一般解决方案，以实现互操作性。。它是一种基于将虚拟化工厂的IoT平台与数字工厂的PLM平台进行整合的方法。物联网平台是一种云，它能存储实时数据、检索数据并允许其用户连接、创建、分析并处理一些事件。首先，本文介绍这个平台所基于的系统框架结构，其次提出一种通用框架，这种框架创建两个域之间的通信接口。这种通用解决方案基于最基础的读、写、更新操作，并能推广至由物联网平台提供的更先进的设备接口。

OSLC提供了一种标准化信息模型的简约设定，假设工具和设备以松耦合的分布式体系结构工作，OSLC采用关联数据（LD）的方式来确保数据资源中的数据一致性。本文意在让其适应开发集成规范。

2 OSLC作为一种智能工厂和数字工厂集成的规范

OSLC是一种工业成就，它开发了那些能让软件生命周期工具与其他工具分享数据更加简单有效的标准。OSLC标准适用于链接数据（LD）和REST协议的原理，以提供可互操作的基于Web标准的环境。换句话说这是一种框架，它标准化交互数据的数据格式，它标准化沟通数据和服务的协议，这个框架用于创建、读、更新、删除数据（CRUD）。

LD框架允许来自异构系统的数据间的链接，并且这被认为是一种多变的方式，这种方式能够给通过不同工具整合数据以提供支持。OSLC建立在网络规范上，并且使用DRF作为一种基础性的数据模式。RDF是一种框架，这种框架用于表述LD，它提供了一种用于描述资源（包含他们与其他资源的关联）的通用的基于图标的数据模型。LD包含两种技术：统一资源标识符(uri) 及超文本传输协议(HTTP)。尽管HTTP可能对许多物联网设备来说比较昂贵，但因为它最初是为网络开发设计的，它对网络及物联网的互操作性非常有益。这就是在我们这种方式中选用OSLC作为一种物联网和PLM集成规范的原因。

OSLC适配器是一种以OSLC资源形式描述数据的软件工具，它能使这些资源提供给其他软件工具使用，而这些资源能通过网络服务获得。OSLC为每个工具适配器定义了ServiceProvider的概念，以展现由集成工具管理的资源容器。

3 为什么叫OSLC？

在物联网文本中，有三种方法能使物体、设备、使用者终端安装成型。在第一种情况下，从左边开始，物理实体、软件、服务都是运营在相同的物理实体上（一种工业资源）。这是一个配置强大的物理实体，例如可以支持 HTTP协议和服务部署。在第二种情况下，从左边开始，用户的服务是在云上运行的。在服务客户端及服务之间所使用的API其实都一样。在第三种结构下，服务并不运行在物理实体上，而是在云端。这是为了限制装置而设计的一种结构，例如由于能量损耗限制，这种结构可能不能够通过网络来显示用户接口。第三个场景是这个工作的主体，换句话说，我们探讨如何在一个物联网平台虚拟化一个物理资源，探讨如何处理这个数据并提取信息，探讨如何通过数字工厂的信息管理应用程序集成这些派生信息。

图1 三种物理实体和服务的配置模式

为了给互联网规定结构，网络设计者需要组织商讨协议。所有协议一共五层，并为顶层提供服务。图2所示为传统的五层互联网协议体系。应用层是顶层，这一层对客户端是可见的，这里就是应用程序以及他们应用层协议存在的地方。这一层给用户提供相应数据。

图2 五层互联网协议

CoAP在物联网中是专门用于限制节点和限制网络的传输协议。如前所述，OSLC使用HTTP，而如果他们不受限制的设备，HTTP还能被用于物联网设备的通信协议。这是一个非常适合于框架连接和集成异构数据的框架。如果物联网设备是受限制的设备并且使用CoAP协议，由于CoAP能被使用HTTP协议的休息模式操控，OSLC仍然能够使用。因此，在这项工作中我们假定物理实体工作基于互联网协议，为了帮助受限制的设备与物联网平台或其他物联网设备取得通信联系，基于传输协议，必须要有可用的通道能用于应用层。

4 系统结构

在数字工厂的互联网应用中，PLM对于信息的整合及管理是至关重要的。因此我们用一种PLM系统来描述这项工作中的数字工厂。图3描绘了我们为集成物联网平台和PLM所搭建的系统结构。PLM系统的作用是收集和管理整个产品生命周期中产品定义，流程，资源和决策的数据，以支持更改并实现这些更改的可追溯性。因为PLM的产品不仅被用于企业内部还被用于分布式协作的环境，所以在产品生命周期中的唯一标示符对于PLM来说很重要。为满足产品/资源数据的可追溯性和可重用性，PLM系统经常采用结构化的数据模型，为支持数据的持久存储穹窿（通常是一种受保护的文件区域）产品中也经常使用关联的数据库。他们是一种主从式应用，也就是说，大部分应用程序的逻辑在服务器上执行。物联网层用于收集大量的实时数据，通常用于监测、控制和规划。实时信息来自多种源头，例如温度压力传感器或者机器控制器。物联网层和PLM层之间的一个区别即是存储数据的数据库类型不同。在物联网层，大量数据被收集起来并用一种非结构化方式存储在实时数据库中。物联网中的实时数据库是暂时的，也就是说时间是一个维度，例如在物联网中，制造资源的个别停止时间被存储，但是在处理和转换数据到诸如故障之间的平均时间（MTBF）等统计数据之后，可以将其存储在PLM系统中以改善资源。暂时的数据和时间戳存储在一起，数据的有效性在一些时间后丢失或者被作为一种历史数据存储起来，例如一种资源的温度，随着新温度数据的到来，旧的温度数据就失去作用。NoSQL数据库（如图形数据库）更适合于收集实时数据，因为它们具有扩展能力和每秒执行数百万次数据事务的能力。

图3 系统结构

图4显示了我们的想法示例——因为在不同系统有相同部分，我们通过创建OSLC资源连接数据，并且使用OSLC内核来创建服务以实现读、写、更新、删除资源的功能。这种方法需要专有适配器。同步引擎负责控制在不同系统中的工件或者其属性被修改传播、调整所需要的变化，基本上它是一个基于时间或者事件的，能在两个平台上来协调集成数据变化的过程。例如，当一个新版本的文件被送到PLM系统中时，它应当取代前者或降级。公共信息模型用于识别物联网平台的集成结构。

图4 OSLC核 概念和关系

我们的想法是，所有设备与一个物联网平台交互，且该平台能与其他中心例如一个PLM系统通信。每个中心有一个目录，它允许另外的中心获取、搜索、更新自己的数据。目录是一种特殊类型的资源，它能够代表一组资源项目。每一个在目录下在项目通过它特殊的URI指向一个单独的资源。

5 基于IoT平台的整合数字化和虚拟化工厂的假设方案

5.1 创建域模型

域介绍了这种虚拟数字工厂的主要概念，这一步必须认真分析个体域，并通过属性和关系来创建特定域的概念。来自资源或产品的信息是异构和分布式的，总是需要构建一个抽象模型来识别相关领域之间的重叠概念及其或相应的语义。图5用一种UML的经典图示并根据所提出的IoT_A结构，演示了一个数据域模型。现实物品通过虚拟实体在数字世界中被表现。有很多种现实物品的虚拟表达，例如机器工具甚至温度传感器。虚拟实体连接于那些他们所代表的单个物体，每个虚拟实体有且只有一个独特的id标识。虚拟实体是同步的物理实体的属性集，这表明代表物理实体特点的参数必须随着物理实体属性的改变而改变。例如，如果一个物理实体的温度改变了，它所关联的虚拟实体的温度性质必须也改变。数字实体是一些元素，例如数据库条目、三维模型或在PLM系统其他数字表示的物理实体。设备连接着现实世界的物理实体与互联网数字世界的虚拟实体，例如传感器和驱动器。服务就是一个虚拟实体或一个物理实体所具备的功能，一个简单的关于服务的例子就是查询——获取机器工具的特定的某个组件的温度。服务可以编排在一起以形成一个完整的系统。虚拟实体服务提供一种获取虚拟实体层面信息的途径，并且能处理被收集的数据和触发的相应动作。一个事件就是一个行为，它是一个及时发生的事件并且能够改变系统的某个参数，例如暴露在虚拟实体数据中值的改变。事件能在服务中被触发或者事件触发服务，任何虚拟实体能够响应自身或其他实体的事件。当一个事件触发时，事件源文件经过事件数据传送给用户。例如，当温度高于临界温度，提示信息就会发给维护工程师。

图5 域模型

接下来的例子是一个域模型的例子，它在Thingworx的物联网模型中测试、执行。为了监测环境中发生的变化，两个温度传感器被安装在不同位置。这样做是为了在感知到的变化上升或下降时及时告知其用户。为及时发现变化，我们使用指数加权平均值（EWMA）——EWMA以某种方式创建平均值。例如，温度传感器的温度服务每20秒更新一次温度数据。我们用两种虚拟实体来分别表示两种在物联网平台上有着某个特征值（温度）的物理实体。然后这里还有一个设置为每60秒激活一次的，“计算平均值的东西”。这个东西提供一项功能，它能从传感器获得温度值信息。这需要一定时间间隔来计算他输出的平均值。它的输出间隔设为60秒。为了自动实现这项功能，我们做了一个人为规定的设置，使得每60秒能唤醒这项服务。输出值会被保存进一个有两部分组成的数据表格：时间戳和平均值。每隔60秒，这项定制服务就在数据表格中增加新的一行，此外，将创建的数据从数据表格转换到一个JSON文件。这被称为REST唤醒，然后我们就能从JSON文件中读取了相关数据了。

5.2 开发信息模型

物联网信息模型定义了一种结构，这种信息结构能够在域模型步骤中被识别，包括在信息流中重叠概念的建模、在物联网平台中的数据存储和以及这些东西的关联方式。信息模型细化了虚拟实体模型，它以一种属性的方式做标识，例如用一个名字、一种类型、一个系统默认值，而这些东西的元信息能被关联起来。物联网信息模型模拟了在虚拟化世界中明确表示和操纵的域模型的所有概念。另外，物联网信息模型明确地模拟了这些概念之间的关系。 在IoT系统中明确表示的主域模型概念是虚拟实体和数字实体及其对应的服务。由于虚拟实体是数字世界中物理实体的模型，物理实体没有其他表示形式而只是作为物联网信息模型的一部分。根据要在IoT平台中表示的域模型选择简约概念集及其对应属性，则虚拟实体属性需要是在虚拟世界中捕获的物理实体的属性。实体类型可以指上一个步骤中的域本体中的概念，可以定义这种类型的虚拟实体可以有具体的何种属性。

5.3 通信模型和协议

通信能力与和设备进行数据交换的类型有关，互操作性通过使用uri作为唯一的标识符。thing-URL必须被用在网络上，如果设备所关联的一个东西不能被用于处理URL，那它就被关联到了一个错误的路径。多亏了OSLC，这种关于信息的表述能够被记录在XMLRDF XMLJSON。JSON比XML更具有紧凑性，因此它只需要更少的空间来存储。在物联网中对虚拟实体进行分类是很重要的，它能够联系非物联网的东西，例如，一个虚拟实体需要一个确定的、由匿名网站应用提供的信息，那么一个非物联网的实体，就要做出相应的决策。这种用RDF表达实体性质的能力不是OSCL的一部分，当使用RDF的注释url时必须适应信息描述。

5.4 识别要在IoT和PLM之间集成的数据类型

在物联网中有许多类

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