云制造下玻璃加工设备数据集成技术
数据采集是现代数据挖掘技术的基础，同时也是设备故障预测中重要的组成部分，它为数据挖掘提供可供分析的数据。
常用的数据采集系统有两种，一种是以基于控制器为核心的数据采集系统；第二种是基于PC机的数据采集系统。国外对数据集成技术的研究己经相当成熟，而且性能越来越好，功能越来越强大。随着云制造技术的发展，提高设备数据的利用效率，如何对不同企业内设备数据集成到一个统一的云平台，相关的研究非常少，本文也正是顺应工业4.0的发展趋势，提出一种基于TCP的数据集成方案，采用无线通讯技术，并给出具体的应用案例，为后续的数据挖掘提供支持。
一、业务分析
玻璃加工生产线包含的设备众多，如仓储、切割机、磨边机、清洗机、识别机、打标机、理片机、钢化炉等，每一台设备在玻璃车间调度中间工艺都起着重要的角色，对玻璃加工质量产生重大影响。设备在玻璃加工厂内经过长时间高强度振动、冲击，会存在机械和电气方面问题，这就导致故障的发生。
如何对设备数据实时获取，预防故障的发生，对可能发生故障的部件或因素加以提前控制，避免设备损坏造成损失是一件极为重要的工作。实现故障的预测，需要建立在大量的历史数据及实时数据的基础上。云制造作为一个第三方服务平台，通过把不同企业的同类设备数据集成到虚拟云池，运用数据挖掘技术、云计算技术、云存储技术进行处理，并通过一个友好的方式把处理的结果反馈给用户，因此，在一个完整的云制造设备管理平台中，设备数据集成效率，准确度都严重影响处理结果。
本文提出一种云制造下设备数据集成方案。首先对单个玻璃加工企业设备功能不同进行监测项分析处理。其次采用一种目前广泛采用的TCP/IP网络协议，利用自定义的Socket报文协议来实现数据传输与正确解析。然后再把不同企业内的数据采用Web Service 的方式集成到虚拟云池，最后通过云平台进行处理，并把监测结果友好地反馈给用户。
二、框架设计
本文所研究的主要内容是下图框架的数据集成模块，云制造平台包含对云提供端的数据集成、数据存储、数据分析、对云请求端的云服务四大部分。框架图如图1所示。
数据存储，包括对不同企业的设备数据获取，采用分布式的存储方案，采用HDFS、Hbase 等技术，数据分析主要指的是采用适合云计算的一些数据挖掘算法，本文作者在其他论文中对基于Hadoop的改进Apriori做出了相关研究，功能服务指的是对设备进行监测、决策支持、智能推荐服务。针对本文主要研究的云制造下设备数据的集成方案做出以下解释。
设备信息的集成分两种方式：一种是直接与具备无线通信的设备进行数据交互；一种是通过监控设备现场监控，再通过网络传输进行数据集成。考虑到现场实施的便利性及服务端功能的统一性，本文采用第二种方式。
第二种方式分为：设备层、通讯层、应用层，其中通讯层包括监测层和传输层。设备层主要是玻璃加工行业相关设备。监测层主要是监测设备，实时读取设备的状态信息、加工信息。通信层采用有线＋无线的混合通信模式，两类通信方式互联互通互操作，消除“网络盲点”，实现感知信息传送的高可靠性、高安全性。应用层主要完成现场设备信息的存储和监控，平台的设计采用Oracle作为平台的数据库，在Eclipse平台应用程序开发环境下，采用Java语言，基于面向服务的架构（Service－oriented Architecture，SOA），结合Web Service技术和虚拟技术完成平台的开发，实现玻璃加工行业设备信息状态的集成，主要功能包括实现标识设备的动态信息和静态信息查询、显示以及工艺路线的选择及各设备之间任务的调度。
三、实验设计
1、盒子设备功能简介
针对设备制造商、系统集成商和工业的运行保障，为进行信息化提供稳定、安全、便捷的整套工业安全远程通信解决方案。具有实时运行保障，网络、设备间互连互通，数据稳定传输实时监控，远程预警等特点。具体实现流程如下：
盒子设备在企业内部进行现场监控，通过网络传输进行数据集成，由于采用了统一的数据格式规范，设备的异常参数信息能实时的上传至企业内部系统，不同系统再把数据共享到企业采用的传统数据库Oracle，不同企业再通过Web Service共享数据到云端，采用HDFS方式进行存储，盒子设备的使用，解决了不同系统收集的设备信息统一编码问题。
2、设备与服务端通讯流程
云制造的目标是为用户提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的制造全生命周期服务，而实现这一目标的前提是构建规模巨大的虚拟云池。本文采用一种基于Socket通讯协议，多线程技术，对上位机和下位机之间的数据传送，进行统一的管理。上位机与下位机数据传输的实现图如图3所示。
通过Socket通讯方式对设备状态实时监控，获取大量设备数据，包括设备详细信息、设备加工参数、设备功能信息等。如何对这些数据进行存储、处理，也是实现资源共享的重要的部分。具体传输流程如下：
步骤一：服务器监听启动，等待客户端连接；步骤二：客户端连接成功后，会向服务器发起一次特定功能号1的通信，目的是与服务器同步一次时间；步骤三：服务器按照相同功能号回复内容；步骤四：客户端每隔固定的时间向服务端发送心跳数据；步骤五：客户端向服务端发送业务数据（特定设备特定功能号标识），服务端向客户端发送业务数据；步骤六：客户端异常断开，服务端进入循环，重启监听，保证客户端能再次连接。
3、基于Socket 的通讯协议设计
采用Socket 技术实现客户端与远程服务器之间的远程通讯。其具有传输时间短、高可靠、加密特性、传输数据可自定义等特点。适合客户端与远程服务器之间的实时数据交互，而且安全性能好，满足检测系统数据传输的实时性与可靠性要求。
通讯协议由开始标志通讯头部、通讯内容、通讯尾部组成，其中通讯头部包括开始标志、设备编号、功能号等内容，Socket 报文的数据格式如表1所示。
四、具体实现
本文以某工厂的实际设备为例，采用的硬件为：阿里云服务器（双核，内存2048M，操作系统Windows Server 2008 R2）1台，开发环境为JDK1.7.0_67，基于Springside的架构，通过上文所述的方案，对设备数据进行集成，具有实时性强，准确度高，界面友好等特点。
五、结束语
数据集成是云制造下设备数据分析的重要组成部分，本文提出的集成方案适合于玻璃加工企业系统中监测项等已经明确的实时环境中，但此方案也存在一定的缺点：由于本文对每一台设备启动一个端口，在设备量增大的情况下，端口占用太多不利于维护；其次，本文所采用的方式在开发中对多线程的管理并不规范，影响其拓展性。根据此缺点，下一步将会研究利用一些并发框架类处理多线程，提高传输速度来对此方案的缺点来进行改进，以提高数据集成效率。
作者：高帅 蔡红霞 季娜 单位：上海市智能制造及机器人重点实验室
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