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工業4.0中量測數據可靠性的全方位方法
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

工業4.0未來工廠的概念將工廠本身推向了一個完全相互關聯的框架,包括其供應鏈,能夠建立自動的數據流和資訊流以進行可靠的決策。實現的目標連接到這些概念,預期是強烈也提高效率,可靠性和競爭性工廠或組織,參照所有相關活動[1]

  • 儘管顯然有許多工程方面值得關注,但由於多種原因,在這種情況下計量問題仍扮演著重要角色[2][3]

  • 感測器的應用是針對新的低成本技術,以MEMS為例使我們能夠實現新的量測解決方案的基礎上,嵌入,小型化,數位設備和/或感測器網路[4] - [7 ]。此外,這些設置使儀器與作業過程之間的相互作用更加緊密,明確要求確定量測和生產問題的具體需求[1]

  • 即使具有一個巨大的數據量,也要有可靠合成結果。這就需要非常仔細地監測所使用高級算法處理數據並以評估資訊品質的效果;量測數據的處理和綜合(邊緣和雲層等)必須考慮不同的層次[8]

  • 管理的安全性和他們的過程中數據的完整性整個生命週期,對於牛逼o所有的情況和演員參與,為DUT從完全面對Ÿ新觀點,TA王考慮增加連接性和數據處理,共享和存儲的新場景[9][10]

  • 方式能滿足對於和新的量測管理軟體系統要求。傳統的需求例如不確定性評估和可追溯性量測的仍然是有效的[11]。量測系統的邊界識別能力與作業處理,使量測過程得到控制,應該重新討論量測設備和生產過程的操作觀點[12]-[14]

  • 公司參與量測與管理的員工應該知道的新問題,結合硬體和軟體的創新和在新的環境運行條件。

  • 技術和實施的成本在更新設立後必須考慮到一起。使我們能夠實現整合和切實可行的解決方案。實際上,只有通過這種方式,這種情況的新穎性才能實現可預測的優勢,尤其是在中小型企業(SME)使用。

參考上述某些方面的需求,例如現場作業中的不確定性評估,許多產業工業操作人員在許多情況下並不是完全理解。儘管如此,更多管理部門,如由品質管理體系,部門品質標準(例如航空和汽車工業)和良好生產規範(例如製藥業)等產業部門,都必須仔細考慮不確定性評估,以便完成合格評定要求。

由文獻分析,突顯了兩個主要感興趣的領域:

  • 計量方法,主要興趣在連接到現場各方面量測評估和數據處理的結果。

  • 連結到法制計量,集中在具有存儲,傳輸數據和處理的安全方式,而不可能有任何惡意入侵或篡改。

  • 如果考慮到第一個感興趣的領域,這些主題將反映在數位感測器和感測器網路的處理上,包括:

  • 同步,特別在動態應用中滿足[1]

  • 在實際應用中嵌入各種條件感測器[15][16];

  • 數位感測器的檢查,還考慮到需要降低服務成本,與降低感測器本身的成本 [4][5]

  • 新形式的校正標準。

  • 邊緣或雲端計算[8]

第二種方法是對數據的安全性,數據的不可存取以及對數據的存取和操作的透明可追溯性。並且在初步開發實現量測系統符合法律計量要求[9][10]

所有這些貢獻都是有價值的,然而在現代應用中,越來越多的量測主題需要被視為獨特和連貫的過程,以熟練和有意識的方式進行管理。通過這種方式,必須從單個步驟和/或應用程序的角度來考慮數據的整個生命週期。並且還要記得從設計感測器到感測器安裝的後續活動之間的相互關係,量測程序,一直到將數據綜合起來進行決策。

因此,以現代方式解釋傳統的計量概念,可以成為有效的工具,以利用新技術解決方案和新組織模型。並充分利用設備與生產過程之間的緊密聯繫。當然,在工業4.0情況中有效地解釋量測過程需要多重學門的方法,包括量測概念,以及硬體,軟體和資訊技術的知識及解決方案。

基於這種多學科的知識,就這些主題而言提高涉及量測過程的人員的技能是必不可少,這是有效實現解決方案的根本貢獻。最後經濟因素是關係著硬體,軟體和服務,由於需要執行和諧的解決方案,它可以被認為是多個有趣的應用程序。如果考慮到量測管理系統的典型成本,那麼以經濟的方式實施計量服務並不是一件容易的事,在實際組織中甚至更是如此。如圖1所顯示。

Fig. 1. Flow diagram to build reliable information from measurement data.

1量測數據建立可靠資訊的工作流程。

 

根據先前的考慮,本篇文章的目的是分析從數據採集到數據存儲的整個量測過程中的主要問題。並 提供了一些有用的問題,以便以連貫和完善的方式解釋數據生命週期的總體挑戰。根據經典觀點,論文的第一部分專門針對計量方面” ,但尚未考慮新情況的需求。對於感測器的數位網路同步,數位校正,線上和在線校正以及這些操作的成本問題。根據需要進行大數據處理與加工,討論對於其他問題的概述要求。

還對標準的當前狀態進行了一些討論。提出了這種數位化的方法,隨後的部分專門介紹了能夠產生安全數據的概念和解決方案。這些在獲取階段可能是有效的。提出了區塊鏈技術帶來的機會。此白皮書描述如何在不同情況下將這種軟體環境應用於量測數據安全性的應用程序,例如霧端層和雲端層或貫穿供應鏈。最後,本文提出了一種簡單的體系結構,為能夠滿足上述要求,提供有用的工具和操作的例子。並在結論中總結了本文與提出了今後的工作思路。

 

I.計量方面

在本節中,討論量測系統,數據處理和標準有關的主要內容,尤其是:

  • 在感測器網路的感測器同步。

  • 校正。

  • 可追溯性的保證。

  • 在大數據處理其不確定性評估。

  • ISOEN 10012的要求標準,特別是[12]

 

感測器網路中的感測器同步

越來越多的數位和低成本感測器網路被使用,例如數位MEMS感測器,用於量測不同的數量,例如溫度,振動,力等。同步數據很有用,並且大多數用於動態中,但是由於地區性模數轉換和不同的數據速率,難以評估單次量測的相位。在協議應該保證數據傳輸中的同步,這一方面並非無關緊要[1]

例如,低成本加速度計的網路可用性,使得基於大量量測點,用於健康監測的大型結構的模態分析成為可能。時間同步誤差的影響應予以糾正[17][18],或是更佳的應該避免。針對這一目的的校正方法目前正在由國家計量學會研究[19]

 

校正

機械和熱感測器校正的國際標準,在許多情況下考慮基於參考儀器的校正程序,參考儀器的輸出為模擬信號[20][21]。因此,有時定義數位敏感度似乎是一個相當新的主張,要與標準本身保持一致[4]

新技術提出了一種感測器。該感測器成本極低,並且可以嵌入量測點中地域性量測有興趣之數值,從而可以更好地監控生產過程。低成本感測器的批量生產還需要針對於傳統儀器的程序,以大大的降低校正成本。

有些計畫提出了一些有關生產者進行線性校正的建議,但通常只適用於靜態條件。而動態校正似乎很難實現[4]。在動態條件下進行的在線校正引起人們興趣的問題已經在進行了廣泛研究[20][21]。在[19]確認,需要通過計量研究院深化這些問題。嵌入式感測器允許在控制過程與過程本身之間進行更緊密的交互,而這種情況是很大的機會。另一方面,因為出於校正目的,量測過程中將它們從量測點移除是不切實際或不可能的[22]

文獻中存在許多提供在線校正的建議:

通過網路傳輸參考信號。可以在發生校正的地方傳輸參考信號(電子信號),或者可以在適當的時候激活位於待校正的換能器附近的參考信號[13][23]

  • 高性能設備被插入到網路中,與大量低成本感測器的相互連結率,主要用於校正目的。這種配置使得可以通過高性能量測系統進行實驗室校正,以保證可跟踪性[14]

  • 智慧校正由分散式其他感測器進行監測,提高了精度和減少偏差的影響,有時,可以通過量測原理的設計來改善此效果,從而減少出現偏差的可能性[24]

  • 在現場特定量測通過自動校正進行。主要適用於靜態校正。

 

可追溯性

可追溯性是一個非常重要的概念。眾所皆知量測的可追溯性是強制性要求[4][5][ 11]。上述大多數技術都有助於實現數據的可重複性,從而提高結果的可追溯性。

   對於某些作者而言,仔細的建模和監視量測不確定度和誤差,此具體作法將可能進一步改善結果的可追溯性[10],而不會將可追溯性的確認僅限於不間斷的記錄校正鏈。

 

數據處理

大數據處理與使用先進的算法(例如機器學習ML)主要影響建模不確定性在整個數據分析過程中增值的能力,包括特徵提取,選擇,分類和/或聚類的ML應用[25] 。當前主要努力於識別感測器和感測器網路的量測不確定性模型,包括同步效果和數位數據傳輸。

該概率資訊應用於提供不確定性流和增值,現在通過蒙特卡洛模擬將其建模為值得嘗試。另一個好主意是嘗試對過程的某些單個步驟建模,並儘可能減少不確定性因素,以使過程保持受控狀態[1]

 

更新標準,特別是ISO 10012

在下一節中,將概述一般方面和特定方面的內容,以提出更新的觀點。以繼續保證設備和量測過程的計量要求。同時應確保量測管理系統要求的基礎的連續性,同時考慮到在中小企業的環境中,在標準要求與相關工作之間進行可靠而且可行的折衷需要。

ISO 10012的一般方面要求總結如下:

  • 有能力將量測設備與作業過程加以分離,以保持在控制之下處理量測。

  • 有能力確定量測的電子邊界系統。根據原理和的這個準則標準以管理此量測系統。

  • 有能力辨識與標記所述特定量測新設備(例如嵌入式感測器,網路感測器,遙測等)。

  • 定義校正內容與的多只感測器系統可能性自動校正,物聯網和/或智慧感測器。

  • 生產過程建模以作為支援量測過程數據分析;

  • 多感測器系統自動校正可能性與可追溯性;

  • 環境條件的定義和控制。例如計量要求,這是難以定義和保證,因為它們強烈地與所述生產過程的條件有相互作用。

  • 評估員工技能和訓練需求。

  • 量測管理系統的需求標準。這是相對到故障風險以遵守規定的要求(參考量測作業設計,監測和評估等。)。

 

II.計量學中的區塊鏈技術

使用區塊鏈的一般問題

如今,人們越來越需要將存儲的數據視為確定的,安全的並且隨著時間的推移而保持不變。這保證了將來可以對於同一數據進行統計甚至計算預測的絕對可靠性。主要問題可能來自於需滿足使用區塊鏈進行數據管理的程序所需的繁重計算負載[26]。由於這個原因,有時區塊鏈不是用來存儲數據本身,並對其進行處理,而是用來驗證數據是否與原始數據完全相同。這個過程稱為公證” [27]

在許多論文中,區域塊被認為能夠支持在工業應用中的儀器管理,特別是對於合法的計量學[9][10]。在某些情況下,當將雲端用於數據處理時,可能會發生交互作用,從而增加了所謂的分佈式量測系統” [10]中的處理能力。當需要大量的計算負荷來滿足使用區塊鏈進行數據管理的程序時,就會出現主要問題[26]

一些作者建議將儀器分為關鍵和不太關鍵的類別,還有一些建議提供虛擬機器(VM)進行數據管理。因此,在此特定作業時,微控制器不應該使用在最終轉換器板[9]

總體而言,區塊鏈尤其是在量測數據管理中的應用中,顯示出越來越多的應用例子。也有批評使用時,需要對此技術機會有特定的了解[28]

區塊鏈是一種技術協議,屬於基於分佈式檔案庫(Distributed Ledger)的技術類別[29]。(DLT)為使用分佈式分類帳,其管理方式允許網路中的多個節點進行存取並進行更改,而無需使用集中式授權。

區塊鍊是一種DLT ,其特徵是在多個節點上複製的寄存器,能夠以鍊式方式包含一系列帶有事務的資訊塊。每筆交易都是一項涉及區塊鏈兩個主體的操作。使用基於共識的方法將每個區塊添加到鏈中,分佈在網路的所有節點中,或者在所有參與的節點的參與下,對每個區塊中存在的交易的驗證做出貢獻。根據圖2和圖,它們在寄存器中的包含” 。由於區塊的數學鏈接,區塊鏈可以保證交易數據的不變性。每個參與者都有一對密碼,通過它們他們可以自己挖出資訊。

Fig. 2. Blocks chained.

Fig. 3. Blocks chained through a hash algorithm after acceptance through a consensus.

    區塊鏈參與者存在兩種類型的:外部參與者和內部參與者。如圖4所示。外部有用戶或量測設備(IoT)通過連接器實現的安全協議,連接到區塊鏈並傳輸數據。