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智能生产中可视化的新趋势
控制系统
Pavel Vrba1, Petr Kadera1,2, Vaacute;clav Jirkovskyacute;1,2, Marek Obitko1,2,
and Vladimiacute;r Mařiacute;k2
1 Rockwell Automation Research and Development Center, Pekařskaacute; 695/10a,
155 00 Prague 5, Czech Republic
{pvrba,pkadera,vjirkovsky,mobitko}@ra.rockwell.com
2 Department of Cybernetics, Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University in
Prague, Technickaacute; 2, 166 27 Prague 6, Czech Republic
摘要：本文报告了现代基于web技术在工业自动化应用中构建人机界面的首次经验。它主要侧重于分布式和智能制造控制系统的设计，根据整体，多智能体，或面向服务的原则。我们简要介绍了谷歌Web Toolkit和HTML5，它们在创建运行在Web浏览器中的动态用户界面方面越来越受欢迎。我们提出两个案例研究从工业自动化领域。前者是在谷歌web Toolkit中开发的web应用程序，它显示工业控制器标签的实时值。后者的目标是在web浏览器中使用canvas和新HTML5标准的可伸缩向量图形特性来可视化制造本体。关键词:制造、分布式智能控制、多代理系统、面向服务的体系结构、本体、可视化、web应用、AJAX、GWT、HTML5。
1引言
二十多年来，许多研究机构和公司试图推动新技术，使工业自动化解决方案更加有效、健壮和灵活。一般来说,这些现代方法的主要特征是分布、协作、不再和情报——控制系统设计作为一个整体应用程序与一个集中决策实体,而是作为一个独立的智能网络组件,通过沟通协调他们的行为对一个全局定义的目标。作为智能制造系统(IMS)计划的一部分，holon这个术语代表了作为制造系统基本单元的自主和协作模块，这一趋势与围绕着全能制造系统(HMS)联盟[6]有关。灵感来自于生物和社会系统，这些基本单元形成一个更大的单元，同时又包含更多的基本单元。这种亚整体-部分的混合性质在现实生活中的系统中导致稳定的形式，产生了 更有可能在干扰中生存下来的形势。
考虑到被控物理系统的实时性，霍隆的体系结构既封装了低层控制部分(llc) ，确保了实时响应性，又提供了高层控制(hlc)的智能性和协同性。 已经投入了大量的精力来为有限责任公司设计一个新的标准，这个标准反映了新一代控制应用程序的分布式和模块化特性[18]。 Iec 61499标准被称为“功能块” ，许多专家认为它是 iec61131语言集编程 plc (可编程逻辑控制器)的有希望的继承者。 然而，其工业部署仍处于试验和可行性研究的早期阶段[5]。 显然，需要一种接口来实现 llc 和 hlc [21]之间的双向通信。 在一个方向上，llc 向更高层报告实质性事件的信息，如产品状态的变化或重要的诊断数据，如故障或维护请求。 这会触发人类智能控制中的智能行为。 相反，hlc 通过接口影响低层控制层的操作，例如，它提出了新的最佳设备配置。
高层控制层的主流技术是多智能体系统(multi-agent systems，mas)范式，它涵盖了分布式 ai (artificial intelligence)问题解决的各个方面，如通信、协调、协商、组织、机器学习和 agent 行为模型 bdi (belief-desire-intention)。 在过去的几年里，我们已经见证了这个领域的两个新的主要趋势——语义学和本体论的探索[13]和面向服务的架构(soa)[10]、[11]和[12]的使用。 本体论有助于以对象类(机器、操作、产品、 ...)及其关系(机器对产品执行操作)的形式明确地描述与生产系统相关的信息的结构。 Hlc 层中的智能单元以其知识库中的语义形式持有关于生产系统实际状态的信息(机器 m32正在对产品 p56执行 o15操作)。 另一方面，soa 为实现具有分布式、松散耦合和可互操作实体的系统提供了现代技术框架(与传统的代理平台如 jade1相比)。 在这种情况下，我们可以找到一个术语面向服务的代理，例如在[11]中提到的。 使用本体的主要优点是处理可用知识及其在代理之间的交换更加容易。 语义丰富的信息帮助代理人在更广泛的背景下理解它，并指导代理人对其采取行动[22] ，而不是用原始数据绑定一组固定的行为。 然后，soa 的使用既简化了设备级的重新配置，也简化了企业业务系统的垂直集成[19]。
虽然制造业的整体解决方案和代理解决方案已经走过了一段漫长的发展道路，但在制造设施中定期部署的成熟度仍然没有以令人满意的方式表现出来[14]。 作为这项未经证实的技术的第一批大规模应用者，有很多问题需要解决。 在投资回报、可扩展性、可维护性(考虑到缺乏熟练人员)、安全性等方面存在明显的问题。除此之外，我们的经验表明，人们普遍担心把工厂的全部控制权交给一群没有人知道他们实际在做什么的代理人。 系统的状态分布在代理知识库中，代理之间同时发生复杂的协商，代理行为中应用的人工智能技术，控制工程师不能完全理解，等等 为基于 agent 的控制系统的状态和行为的在线监测提供技术支持也是必要的。 很明显，当前的 scada 系统不能完全用于这些目的。 特别是在广泛使用本体论的系统中，需要解释特定代理人知识库中的数据，以便对情况有”更广泛的了解”。 此外，还有必要显示代理之间的语义信息流，从而解释控制系统的决策路径。 本文的目的是展示基于代理和面向服务的制造系统可视化的最新趋势，并介绍一些试点实现。 代理技术在生产计划和物流中的多种应用，以及 iec 61499相关工作，由于篇幅有限，本调查没有涉及。
2. 基于代理模式的控制系统可视化
在制造系统控制中引入代理人，提出了补充或替代传统人机界面的新型工具的需求。 通常的方法是实现自定义的、单一用途的软件来显示受控系统的整体行为，并提供额外的特定于代理的信息，比如与其他代理的协商状态，洞察代理的知识，与低级控制系统的交互状态等等，大多数这些工具不能在不同的应用中重用，但是有一些，比如洛克威尔自动化公司的用于消息流动显像的 javascript (进一步见) ，可以在多个系统中重用。
在我们参与工业代理技术的长期历史中，已经设计了多个可视化系统[23]。 首先介绍了面向离散制造系统的基于制造代理的统一仿真、控制和可视化框架，特别是处理动态产品路由的仿真工具[21]。 其次，cws 是对美国海军舰艇冷却水系统进行仿真和监测的结合。 在这种情况下，基于代理的控制系统负责水的动态路由，以保持船上各种设备冷却下来[20]。 第三种工具是 javascript，它被设计用来提供一种先进的工具来显示代理之间的消息流。 它符合 fipa2的规格，因此它可以用于任何 fipa 兼容代理系统，如仍然相当流行的玉。 另外，javascript 可以将一系列与协商相关的信息绑定到契约网协议中，并向用户显示工作流。 所有这三个系统，其典型截图如图所示。 1，作为独立的 java 应用程序实现，使用 java 提供的纯可视化库(swing / swt)或基于它们的外部库(netbeans 提供的 visual 库)。
图一 洛克威尔自动化公司开发的工业代理系统可视化工具: 制造代理模拟工具(左上) ，冷冻水系统(右上) ，以及 javascript (下)
本文介绍了基于 adacor 体系结构的波尔图计算机辅助制造中心柔性制造单元的整体控制系统。 由操作员、监督员及工厂厂房监督员 holons 提供的图形用户界面屏幕，是利用 swing 库以 java 开发的。 屏幕被捆绑到一个单一的图形用户界面开发的宏媒体工具。
在[2]中描述的全能行李处理系统使用一个简单的基于 opengl 的可视化工具，该工具是为了克服用于运行 iec 61499控制应用程序的功能块开发工具包 fbdk ( http://holobloc.com/ )的局限性而开发的。 Opengl 可视化工具作为 fbdk 之外的绿色软体运行，实时渲染传送网络和移动包的静态布局。 一个相关的工作介绍了智能机器信息处理基础设施，在[24]中提到了一个用于渲染和远程控制智能设备的 web 浏览器界面。
在针对分布式智能嵌入式设备开发面向服务的基础设施的 socrades 项目中，可视化技术有很多种。 一般来说，基于事件的、高层次的和去耦的基于面向服务的体系结构(soa)的生产设备将使工厂监控系统的集成、配置和维护变得更加容易。 用 iec 61131语言编制的遗留控制系统的可能集成描述在[5]中。 基于 iec 61131的控制组件被转换成 plcopen 格式，嵌入到服务模板中，然后部署到设备中。 一旦组件在网络上可用，就可以使用 dpws (web 服务的设备配置文件)特性发现和调用其服务。 像 windows 7这样的现代操作系统已经具有 dpws 兼容性，因此可用的设备资源管理器可用于发现和与设备交互。 可以检索到设备网络服务器的链接，在标准的网络浏览器中可以收集定义的设置、监视和诊断参数集合
在 socrades 计划下开发的监测空气系统[15]有一个视频演示，可以监测 http://www.youtube.com/user/tampereunitechfast 生产系统中的压缩空气参数。 物理设备和 hmi 之间有一个 soa 接口，在 java 和基于浏览器的 hmi 中都实现了这个接口。 不幸的是，没有进一步的信息，可以找到什么确切的技术是用于网络为基础的界面。 在 socrades 中开发并在[7]中报告的 continuum development 工具为面向服务 / 多代理自动化系统的规范、配置和模拟提供了一个环境。 它使用高级 petri 网描述生产系统的行为模式。 商业2d / 3d 解决方案 delmia 确保了可视化，使虚拟生产单元能够在3d 环境中进行实验。
[9]中提出的基于角色的装配系统体系结构(abas)具有由智能物理代理控制的物理系统的三维视图。 作者认为，现有的三维 cad / cam 仿真工具由于不能为集成 agent 的物理系统提供足够的建模手段而不能使用。 作者开发了 abas 框架，为设计、仿真、部署和可视化参与者及其集群提供了一个运行时平台。 参与者是一个机电一体，执行典型的简单装配操作，而集群是一组参与者组成，以提供更复杂的任务。 Abas 框架的一部分是 abas 查看器，用于显示仿真装配过程中参与者的行为。 渲染是3d 的，基于微软的 direct3d。
多代理系统开发工具包[17]旨在开发分布式工业代理系统，其中包含一个图形本体管理工具包，该工具包使用 j2ee 作为基于服务器的 web 系统实现。 该工具包使系统开发人员能够使用标准的 web 浏览器开发和共享本体。在[16]中提出的面向柔性制造的 stigmergic 产品路由系统使用 netlogo 可编程建模环境模拟和可视化物理系统的行为。 模拟模型可在独立的 netlogo 应用程式中以二维或三维的形式显示，或以 javaapplet 的形式在网页浏览器中显示(请参阅 http://www.univ-valenciennes.fr/sp/routing/ 的网上示范)。
3个可视化的新技术和趋势
构建人机界面的最新趋势之一是将其设计为一个 web 应用程序。 这种方法有很多优点也有一些缺点。 主要的优点是跨平台的可移植性。 与其在可能拥有数千台不同操作系统的客户端计算机上安装和更新软件，不如使用一个普通的 web 浏览器作为运行应用程序的客户端。 显然，坚持开放的 w3c3标准并避免使用特定于操作系统的特性(如微软的 activex4控件)或专有的第三方可视化插件(如 adobe flash5)是必要的。 让我们回想一下苹果对 flash6的态度，它不支持 iphone、 ipod 和 ipad，尽管这些设备可以被认为是替代操作面板。
许多开发人员目前正致力于新的 html57和 css38标准，带来一些令人兴奋的图形特性，如画布，svg9(可缩放向量图形) ，视频标签，或动画。 虽然 html5还没有得到 w3c 的最终推荐，但至少在一定程度上，它已经在主要的 web 浏览器中得到了采用，包括 chrome、 firefox、 opera、 Internet Explorer 和 safari。
如果我们不考虑新的 html5，现在已经有技术可以创建漂亮的，交互式的基于 web 的用户界面。 它主要是 ajax10(AJAX)和 css (cascade style sheet) ，可以在客户机(web 浏览器)和服务器之间异步交换数据，并且只在从服务器接收结果时更新网页的一部分，而不需要重新加载整个页面。 随着 google 最近发布了名为 Google Web Toolkit (gwt)的开发环境( http://code.google.com/intl/cs- cz / webtoolkit /) ，开发这样的 web 应用程序变得更加容易。 它最大的优点是，它使开发人员能够创建和调试 ajax 应用程序，即使对 javascript、 html 或 css 没有深入的了解。 开发人员只使用 java 语言和他 / 她最喜欢的 java ide。 Gwt 交叉编译器将客户端 java 应用程序转换为优化的独立 javascript，该 javascript 嵌入到 html 页面中，也与 cs
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