基于工業互聯網的智能計量解決方案
江蘇金恒信息科技股份有限公司
網絡行業應用篇/智能化生產
1 概述
1.1 背景
遠程計量系統在生產中所處的位置十分重要,可謂是生產的眼睛,良好的產品質量離不開沒有先進科學的管理制度和計量檢測手段。計量管理是指協調計量行政管理、計量經濟管理、計量技術管理及計量管理法制管理之間關系的總稱,是計量工作中的重要組成部分。計量管理對企業提高產品質量、降低能耗、節約成本等方面都有著舉足輕重的作用，通過計量管理,將企業的生產活動、經營管理活動依賴計量技術活動有機地結合,從而使生產活動、經營管理活動更有成效。在信息技術飛速發展的今天,如何增加計量工作的科技含量,是計量工作目前面臨的重要內容,計量信息化、數字化已是計量事業的發展趨勢。
基于工業互聯網的智能計量管理系統是運用.net、J2EE、java中間件技術等當前先進的IT技術，針對帶有軌道衡的企業的特有計量業務及流程特點，運用UML建模工具，創建出物聯網智能計量系統的初步模型。同時，利用視頻監控、遠程控制、數據庫管理，同計算機網絡技術相結合，建立集圖像、數據、現場設備控制于一體的遠程稱重管理系統。該系統可對多種車型自動邏輯判別，成功地將軌道衡動態自動稱重、汽車衡靜態稱重、視頻監控、網絡通訊、車號自動識別、網絡數據庫管理等先進技術應用于計量系統中，完整地解決了遠程計量問題，實現了多個衡器現場無人值守的計量方式和數據網絡傳輸的實時計量，整個計量過程遠程控制 (包括零點監控和調整、計算機、儀表重啟、車號識別器重啟等)，無需人員到現場操作。它包括了稱重、監控、數據采集、現場設備控制、信號傳輸、網絡管理等應用，具有明顯的實用性、安全性、可靠性和先進性，并大大提高工作效率，降低生產成本和運輸成本。該系統技術先進、操作方便、運行速度快、運行界面友好，具有良好的通用推廣性。
通過公司的信息網將數據、圖像、聲音傳送至監控中心。系統采用稱重控制數據與圖像聲音兩套傳輸系統。視頻、聲音通過光端機用一芯光纖傳送至監控中心；稱重數據、車位檢測信號、車號識別數據通過以另一芯光纖晶光端機傳送至監控中心。監控中心每臺衡有兩臺電腦控制，一臺用于過衡計量，另一臺監視現場畫面，監控畫面可以放大切換。數據有問題時，可通過對講系統及時告訴監視點處理。它可以實現計量業務的現代化、提高計量管理水平、減少計量人員、提高業務處理效率、適應現代化企業的發展趨勢而投資建設的智能化系統。項目上線后，可以充分整合汽車衡等計量設備，利用視頻技術、IC卡技術等多種信息手段，結合多種計量防作弊手段，利用分布式網絡等技術，構建完善的遠程可操控計量管理系統，并且對每個計量點安裝多臺全方位的視頻監控設備，完成計量過程的監控、圖像抓拍及計量操作過程的截圖，輔助計量操作員完成計量任務。此系統規范了計量流程、防止人為誤差和作弊，而且實現了計量的自動、智能，最終形成信息化、智能化、無人化的新型計量數據管理系統。
1.2 實施目標
智能遠程計量項目實施完成后，能夠將鋼廠各物資計量點與集中計量監控中心有機聯合，通過遠程監控系統使各種信息及時得到溝通和共享，進一步從整體上提高物資計量的運行效率和服務水平，形成基于工業互聯網技術的信息化、智能化的新型智能計量系統。具體包括：
1) 建設國際先進、國內領先的企業級計量中心；
2) 實現汽車衡業務95%以上的自動計量；
3) 提高計量業務的整體作業效率,單車自動計量處理時間<15秒,遠程計量處理時間<20秒；
4) 實現遠程集中管理,增加完善的防作弊功能,異常業務的接管；
5) 實現計量員業務負荷分配均衡、通車率均衡、設備負荷均衡；
建立遠程集中計量系統監控平臺與操作平臺，實現智能計量與現有系統無縫對接。
1.3 適用范圍
鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業,對經濟發展至關重要，其中計量作為鋼鐵企業中一項不可缺少的技術基礎工作,對企業生產的作用和意義是非常明顯的。目前大多數鋼鐵企業的計量依然是靠計量員在磅房現場進行計量和監控,每個計量點都需要二十四小時駐扎人員值班,物資計量點不僅分散,而且條件差,不利于集中管理和監督,而且計量過程中也易產生人為誤差或失誤,特別是隨著企業生產規模的不斷擴大,物資計量站點也隨之增多,設備增多與人員相對較少的矛盾日益明顯, 隨著鋼鐵企業鋼鐵產量在市場需求和管理效率不斷提高的情況下,產量逐年增加,物資運輸量增大,廠內物流量大大增加,人工計量點的反映速度已成為企業進一步提高生產效率的瓶頸。因此企業為了優化和合理利用人力資源,提高市場競爭力必須在各個環節想辦法,希望節省成本提高工作效率。從而采用計算機及現代網絡監控技術為基礎的遠程集中計量管理系統能夠減少人力成本,提高工作效率,為企業提高市場競爭力。
此外，現代化的生產需要與之相適應的信息系統支撐,遠程集中計量系統是鋼鐵企業信息化中很重要的組成部分。為企業建立了一個適合其生產、經營、管理的信息化計量平臺,實現了所有計量、計量調度業務數據的規范化、標準化、電子化和集成化。遠程集中計量系統現已成為鋼鐵企業信息化建設中不可缺少的重要組成部分。
因此,為了適應鋼鐵企業現代自動化建設、改進工作效率、加強管理服務客戶、提高計量水平以及業務處理效率,在原有計質量管理信息系統的基礎上,建設企業基于工業互聯網技術的遠程計量管理系統以適應企業快速發展的需要就成了鋼鐵企業當前首要考慮的問題。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖1 工業互聯網互聯示意圖
基于工業互聯網的智能計量解決方案，在結合鋼鐵行業工業互聯網應用的基礎上，形成成熟而行之有效的工廠管理軟件解決方案，同時結合行業基礎，注重在進場車輛的管控，與外部物流形成跨企業的協作平臺。為了簡化計量終端的應用功能，本項目還自主研發了遠程計量自助一體機，實現企業與企業、企業與客戶、企業與供應商間的數據互聯網傳輸與交互，打造智能終端的輕量級應用。
圖2 遠程計量系統示意圖
2 需求分析
在計量數據管理體系基本建立的基礎上,我國鋼鐵企業也相繼開發了適合自身需要的計量管理系統軟件以及關于計量方面的數據采集系統,基本能滿足企業對于計量業務的需求。但是由于鋼鐵行業信息化建設諸多的個性化需求以及鋼鐵企業在資金、規模、管理模式等諸多方面的差異,例如某些鋼企的遠程計量項目，缺乏物流系統支持，大量與計量本身業務沒有緊密聯系的業務檢查需要在計量系統中實現。增加了系統的業務復雜度，以及與ERP系統的接口的數量。
鋼鐵企業信息化結合企業自身情況,對自身的企業信息化提出了更高的要求,而且在當今計算機網絡及軟件應用技術的不斷更新和發展的情況下,為了使鋼鐵企業信息化計量管理工作水平與時俱進,不斷完善和提高以滿足計量工作日益發展的需要,計量管理軟件也必將不斷完善和發展，基于工業互聯網技術上研究的遠程集中計量管理系統的建設使計量管理工作更加科學、嚴謹和高效是必要的。基于此,本項目研究開發出的基于工業互聯網的遠程計量管理系統,為鋼鐵企業實施計量管理提供了一種可行的方案，可以適應大中小型企業的發展需要，前景還是非常廣闊的。
3 解決方案
3.1 方案介紹
遠程監控計量系統設計思路：建立獨立的計量系統，實現自動、自助、遠程計量，與現有的ERP系統達到無縫對接。
整個系統采用集中管理、分布監控的設計模式，所有的業務數據（數據、語音、圖像、控制信號等）通過無人值守機（終端）和軟件系統進行就地處理，通過計量專用光纖網絡與控制中心進行交互。
系統設計采用三層架構：數據基礎層、數據管理層、業務應用層，見下圖：
圖3 遠程計量信息系統三層總體架構
? 數據基礎層—各計量站點
各計量站點的基礎數據包括計量儀表的重量數據讀取、監控攝像機的音視頻信號采集、紅外監測信號采集、語音對講信號的交互、IC卡信息采集、儀表狀態的指令控制等等，基礎數據層作為系統運行的數據支撐，采用就地控制與遠程控制相結合的模式設計，提高系統運行的可靠性。
? 數據管理層－計量監控中心服務器群
計量中心服務器是整個系統的核心樞紐，負責整個計量系統的管理、運行、控制以及與其它業務系統的交互。服務器包括數據庫服務器、應用服務器、任務管理服務器、存儲服務器、流媒體服務器、環境監測服務器、存儲矩陣等。
? 業務應用層－遠程計量工作站及業務站
監控中心各計量員通過授權使用業務應用系統，實現遠程計量業務操作和遠程計量監控。
3.2 系統架構
為了保證設計的先進性、成熟性和可實施性，在架構設計過程中，遵循“業務驅動”的原則，系統架構是目標系統體系的藍圖，是整體解決方案的模型化，系統架構主要體現了需要建設的系統、系統實現的技術采用。
根據計量業務應用的數據特性，考慮到各主題域之間的關聯度，將計量業務數據劃分為計劃域、組織域、計量設備域、量測域、產品域、計量點域和異常域等七大域，同時將對上述域形成支撐的公共部分組成支撐域。
圖3 頂層概念模型
3.3 功能設計
圖4 功能模型
功能描述：
序號 | 功能名稱 | 描述 |
1 | 汽車衡GAM機過磅端 | 主要用于汽車磅遠程過磅中的磅房端，主要包含儀表數據集成（且上傳）、紅外光柵集成、票據打印機集成、IC卡讀卡器集成、條碼掃描頭的集成、計量業務查詢、業務數據上傳接收、人工過磅等。 |
2 | 汽車磅坐席操作端 | 主要用于汽車磅坐席端的處理，包括任務接收與提示、過磅監控數據展示、過磅任務信息展示、磅房設備狀態展示、皮重稱重、毛重稱重、過磅結果發送至任務調度等。 |
3 | 鐵水計量監測 | 完成行車鐵水過磅計劃的顯示和儀表數據的接收；完成過磅數據的采集、匹配計劃形成完整的碼單 |
4 | 磅單補錄 | 對無法接受的計量磅單時在系統中補錄 |
5 | 計量追溯 | 對計量歷史進行追溯 |
6 | 錄像回放 | 對計量過程有疑問時，回看錄像信息 |
7 | 基礎規則維護 | 計量基礎規則維護 |
8 | 汽車磅過磅規則維護 | 汽車磅過磅規則維護 |
9 | 磅點維護 | 汽車磅、軌道衡磅點維護 |
10 | 坐席維護 | 汽車磅、軌道衡坐席維護 |
11 | 儀表類型維護 | 儀表類型維護 |
12 | 磅點硬件監測 | 對磅點的硬件設備進行監測 |
13 | 車隊管理 | 車隊基礎信息維護 |
14 | 車輛管理 | 車輛基礎信息維護 |
15 | 監控基礎管理 | 監控基礎信息維護 |
16 | 實時皮重庫 | 對實時皮重進行記錄 |
17 | 歷史皮重庫 | 對歷史皮重進行記錄 |
18 | 磅點過磅物資歷史紀錄 | 記錄過磅歷史物資 |
19 | IC卡管理 | IC卡基礎信息維護 |
20 | IC卡發卡管理 | 對IC卡發卡進行維護 |
21 | 接口表維護 | 接口表基礎信息維護 |
22 | 計量規則號管理 | 計量規則號基礎信息維護 |
23 | 計量系統內部計量規則 | 計量系統內部計量規則基礎信息維護 |
24 | 接口數據監控 | 對接口數據進行監控 |
25 | 計量委托管理 | 計量委托基礎信息維護 |
26 | 汽車磅計量數據異常處理 | 完成汽車磅過磅視頻監控畫面的回放和追溯、完成過磅碼單數據的修改 |
27 | 計量明細查詢 | 完成計量過磅明細數據的查詢，統計和導出 |
28 | 皮重庫查詢 | 完成皮重庫數據的查詢，統計和導出 |
29 | 磅點及坐席監控 | 磅點和坐席的實時監控 |
31 | 黑名單業務規則 | 限制時間、限制磅點的記錄、原因管理 |
32 | 汽車磅坐席實時狀態 | 坐席狀態：空閑、掛起、計量中、故障等 |
33 | 各計量點的實時狀態 | 計量點狀態：空閑、計量中、秤故障、網絡中斷、本地過磅等 |
圖5 任務調度系統示意
3.4 安全及可靠性
計量業務應用的高效、順暢、7x24小時不間斷工作，必須架構在一個高性能、高可靠、可擴展、可復用的基礎設施平臺上。物理架構一般情況下需要系統拓撲、服務器集群、軟硬件選擇、網絡帶寬、所需設備數量計算等方面硬件部署規劃與設計。
圖6 系統拓撲
遵循系統采用兩層C/S架構設計（數據庫服務器、應用服務器）。操作系統使用穩定、安全的Windows Server操作系統、數據庫使用大型關系型MS SQL Server數據庫以實現對大量并發及高效數據處理的需求。其中，兩臺數據庫主機通過MS SQL Server實現雙機熱備的高可用性，并充分保證系統的穩定、可靠運行。
穩定可靠的服務HA技術
? 數據庫HA有以下的特性：
? 簡單易用，7x24熱備應用技術支持。
? 顯著減少停機時間，允許不間斷的進行系統升級和維護。
? 完備的系統數據備份及恢復途徑。
? 簡潔易用的管理方式，友好支持主機的保護設置和故障恢復過程。
定時備份技術
定時備份技術是數據保護的一種常見技術手段，在本項目中也會利用此技術進一步達到對遠程計量系統數據保護的目的。具體備份策略如下：
數據庫系統數據備份
備份方式：定時自動全備份
備份技術：采用SQL Server自帶的鏡像工具實現數據庫備份工作。該技術具有以下優點：
? 為數據及數據對象提供更細微級別的選擇性；
? 可以設定數據庫版本號(主要是用于兼容老版本的數據庫系統)；
? 并行執行；
? 預估導出作業所需要的磁盤空間；
? 支持分布式環境中通過數據庫鏈接實現導入導出；
? 支持導入時重新映射功能(即將對象導入到新的目標數據文件，架構，表空間等)；
? 支持元數據壓縮及數據采樣。
4 成功案例
本項目為江蘇某企業提供遠程計量管理系統，通過調整、優化計量業務流程，構建完善的遠程可操控計量管理系統，提升公司物資計量管控水平和信息化管理水平。
合理優化人員配置，提高人員計量效率，預計可優化人員50%以上；
司磅員數量降低率 | 52.5% |
人力成本下降 | 126萬元 |
1）司磅員集中辦公，便于對司磅員集中管理，提高司磅員的辦公效率。
2）現場工作環境惡劣，系統上線后，職工在計量大廳遠程操作，改善和提高職工工作環境。
3）對計量業務和數據進行集中管控，計量業務領域負責人可及時處理突發的計量異常問題。
4）系統輔以多種計量防作弊的手段，減少司磅員與司機的直接接觸，減少計量過磅作弊現象的發生。
5）計量過程數據的全程記錄，便于計量工作審計、處理計量異議時追溯計量過程
6）通過定義的過磅業務規則，對過磅的過程進行嚴格規定，避免人工計量過程中失誤或者作弊。
此外，為馬鞍山鋼鐵股份有限公司提供遠程智能計量系統，通過調整、優化計量業務流程，利用自動化控制技術、網絡技術、多媒體技術、計算機技術、數據庫技術等新技術優勢，在計量中心構建完善的遠程可操控計量管理系統，采用自動或遠程輔助的方式完成計量，并采用包括大數據在內的多種新技術，提升其公司物資計量管控水平和信息化管理水平。