基于物元的流程工业MES信息表示与信息维模型应用

lihuolin958

1 引 言

    随着工艺技术的成熟，流程工业企业效益的提高将主要来自于利用信息技术将大量的生产运行数据转化为信息，进而将信息转化成知识，并通过对知识的运用和管理来改善决策，提高生产运行的整体效益。国际大石油化工公司十分重视信息化建设，信息技术的推广应用成为各大石油公司降低成本、维持领先地位的战略措施，都将数据作为主要战略资源进行管理，都有必不可少的数据中心，平均年信息技术投资占整个公司销售收入的1.5%以上，并有明显增加的趋势。中国石化、中国石油和中国化工等流程工业也都十分重视利用信息技术提升传统产业，实施流程工业信息化战略计划。生产执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是流程工业CIMS信息集成的中心环节，在企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)层和过程控制系统(Process Control System，PCS)层中间起到承上启下的核心作用，是生产活动和管理活动信息的桥梁。近年来国外很重视MES的结构与信息技术的研究，如汽车、电子等行业，许多公司开发了相应的产品，但遗憾的是MES在流程工业还未得到足够重视，尤其鉴于国内流程行业对CIM哲理的理解不够深入，对MES的研究尚处初步阶段，可以说流程工业综合自动化系统的关键就是MES及其信息集成模型。

2 流程工业MES的一般功能模型

    流程工业MES注重知识的提取和相关信息的集成，实现从PCS层的毫秒和秒级实时信息到ERP的日、周、月级经营管理信息之间的转换和沟通，以填补传感器到ERP之间的“沟壑”，完成过程信息与管理信息的双向融合与贯通，并通过信息集成形成优化控制、优化调度和优化决策等的判断或指令。可以说，流程工业企业生产过程的安全、稳定、均衡、优质、高产、低耗和少污染目标的实现，企业内部物流的控制与管理、生产过程成本的控制与管理等生产经营管理活动都在MES层完成，因此MES层的信息集成至关重要。针对流程工业的特点和目前CIMS技术的发展，MES应是一个分布式开放性、柔性、可扩展、模块化、面向对象和应用的基于知识的体系结构。流程工业MES的主要功能模块是生产过程模型化、模拟与优化、过程管理、过程支持系统、运行操作支持、先进控制、实时调度、质量管理、安全控制与管理、故障预测、诊断、评价与自愈及生产管理、资产管理、控制接口等。这是多层次信息流集成的大规模系统，需要各种层次的数据/信息来实现不同的功能。流程工业MES应体现流程工业的特色，如模块的设置、数据流、接口的设置与关键技术的呼应等，必须以知识为主线，采用数据或信息驱动或执行驱动的思想，实现生产和管理等不同信息集成的功能，并通过集成的数据/信息提取提高生产效益竞争能力所需的知识。

3 流程工业生产信息分析

    数据、信息、知识是不同的概念，其作用也不尽相同。数据是原材料，它只是描述发生了什么，并不能构成决策或行动的可靠基础。通过对数据进行分析找出其中关系，赋予数据某种意义和关联，这就形成信息。由此我们可以进一步理解为数据是信息的一种来源，也是一种特殊的信息。信息经过加工和改造形成知识。在大量知识积累的基础上，总结出原理和法则，就形成了智慧。在过程系统工程领域，信息的集成和管理具有十分重要的承上启下的战略意义。现在流程工业企业存在许多数据/信息孤岛，往往这些孤岛中的数据和信息也不完整。但是，为了进行静态或动态模拟、生产计划与调度、优化操作、先进控制、故障预测、诊断、评价与自愈，均衡稳定高效生产、灵活应对市场变化，工艺工程师、过粉控制工程师以及管理人员需要不同应用目的的完整数据或信息，即不仅需要实时生产数据、也需要设计数据、生产机理、常识、事实与规则等信息。因此，需要对生产数据与信息统一考虑新的表示与存储模式。近几年发展起来的新学科“可拓学”给出了处理矛盾问题的定量化和形式化工具，我国学者蔡文教授提出了物元模型和可拓工程方法(包括可拓信息方法、可拓系统方法、可拓决策方法)，在经济、管理、控制和人工智能领域初步得到应用。采用物元和事元概念可以方便地描述各种信息，降低信息处理的复杂性，提高其在线性。物元(R)描述事物，是事物名、事物特征描述和特征值的有序三元形式语言，可表示为R＝[N，C，C(N)]，N为所描述的事物，对应于流程工业的信息来讲，事物也可以称为叶元(Leaf element)，是信息体系中的最小信息表述单位，不可再分；C为事物的属性(特征),C(N)为属性的值，可以是模糊值或者其它形式语言。事元(I)用于描述一个操作(事情)，是动作、动作特征描述和动作特征值的有序三元形式语言，可表示为I＝[D，H，H(D)]，D为所描述的动作，H为动作特征，H(D)为动作的值；可以是语义值或者其它形式语言。复合物元(R1(R2)＝[N1，C1，(N2，C2，C2(N2))])可用于关联实体的描述，复合事元(I1(I2))可用于描述关联操作。事物元(I(R)＝[D，H，(N，C，C(N))])可用于描述实体的关联操作。

    由于流程工业生产的连续性，所有的能量平衡和物料平衡都是动态的平衡，也就是说在生产过程中基于精确数据的平衡是很难实现的，为了实现实用的信息集成系统，可以选用语义信息元解决流程工业信息集成物理意义上的参数冲突。基于流程工业的工程设计基准，采用下面的算法将流程工业中的数据转换成语义信息：

   

    式中：xi为测量值，xd为设计值。DIEi为[0，1]的区间值，可以转换成9标度的语义值。

    流程工业信息集成管理需要对各类数据、信息进行统一规范管理，提出数据的共享、集成方案，构造全局数据模型，建立全局数据和信息仓库，保证各系统之间及内部信息畅通。为了实现实用的信息集成系统，有必要引入管理的观点，将数据表述方式转换成适用于管理的信息。采用统一的信息系统模型(信息模型和视图)，用相同类型的信息表达方式来刻画不同类型的信息，能使系统的组织更加清晰，而且有利于系统的开发和维护，统一的系统模型使系统集成优化分析、设计较为容易，通过数据通信系统进行协调，实现信息集成管理。

4 流程工业准则与事实信息表示方式

    对于流程工业生产信息来讲，信息集成与管理主要包括：(1)工艺流程信息(静态)；(2)生产信息(实时)；(3)操作信息(可控生产信息)；(4)质量信息；(5)安全信息；(6)效益信息；(7)调度信息；(8)优化信息；(9)维护信息；(10)经验及其它信息。这几类信息可以采用流程工业特有的评价流程生产效率的基准，建立适用于流程工业信息管理的体系。一般可以按照准则和事实信息进行分类。准则信息主要包括物料和能量平衡准则、工程设计准则以及其它性能考核与管理采用的计算准则。事实信息是反应被研究对象客观存在的信息如测量控制系统类的信息、管道设备类的信息等。



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    4.1 准则信息的物元表示方法

    对于流程工业来讲，生产执行系统的基本准则就是工艺装置的物料平衡、能量平衡以及其它工程设计数据。工程设计数据及信息的内容与流程的各类专业信息密切相关，为了便于管理与使用，我们将其纳人到事实信息的描述中。物料平衡信息的动态物元(R(t))表示方式中以物流的集合作为事物名，以物料平衡的特征项作为物流的特征项，相应的物料平衡数据作为特征值，那么物料平衡动态物元表示如(2)式，式中UMATB为物料平衡的论域，NMj(t)为物流；CMi为物流物料平衡特征；VMij(t)为物流物料平衡特征值i＝1，2，…，11；j＝1，2，…，n。当t＝0时，UMATB(0)为静态物料平衡：

   

    类似地能量平衡动态物元表示如式(3)，式中URNGB为能量平衡的论域，NEj(t)为D单元系统；CEi为单元系统能量平衡特征；VEij(t)为单元系统能量特征值i＝1，2，…，9；j＝1，2，…，m。当t＝0时，RENGB(0)为静态能量平衡：

   

    流程工业管理的准则有很多，下面以系统(设备)的可靠性为例来说明如何用特征元、物元(R)来表示基于计算准则的信息。

   

    利用式(4)可以直接用于建立管理信息的维模型。流程工业根据工艺流程的不同应考虑增加相应的质量准则和安全准则以及工艺流程管理要求的其它有关准则，以便在信息集成时能够方便地生成有关的管理信息。

    4.2 测量控制系统类的信息

    流程工业的测量控制系统包括电气测量控制和过程测量控制。电气测量与控制一般是对于大型机械设备(功率≥22kW或30kW，设置电流测量，功率≥1000kW，设置电压测量)的电流、电压和功率因数(根据工艺的需求设置)设置测量和联锁保护，同时对于电气开关柜的进线一般设置进线的电流、电压、功率和功率因数的测量，对于大型流程工业这类的测量与控制往往采用SCADA系统来实现。过程测量控制主要是基于工艺流程参数的测量与控制，这类信息一般在工艺流程图上都已经准确表示出来，并且在DCS或PLC中实现。

    流程工业电气测量与控制信息的动态物元表示方法如式(5)，式中UE&C是电气测量与控制的论域，NECj(t)是流程中动设备电气测量与控制回路或电气开关柜，CECi是电气测量与控制的特征，VECij(t)是电气测量与控制的特征值，i＝1，2，3，4；j＝1，2，…，q。

   

    流程参数测量与控制信息动态物元表示方法如式(6)，式中UI&C是参数测量与控制的论域，NICj(t)是参数测量与控制回路，CICi是参数测量与控制的特征，VICij(t)是参数测量与控制的特征值，i＝1，2，…，10；j＝1，2，…，r。

   

    4.3 设备、管道类的信息

    流程设备信息动态物元表示方法如式(7)，式中UEQ是设备的论域，NEQi(t)是流程设备，CEQi是流程设备参数特征，VEQij(t)是流程设备参数的特征值，i＝1，2，…，6；j＝1，2，…，s。

   

    流程工艺管道信息动态物元表示方法如式(8)，式中UPP是管道的论域，NPPj(t)是流程管段，CPPi是流程管段参数特征，VEQij(t)是流程设备参数的特征值，i＝1，2，…，6；j＝1，2，…，s。VPPij(t)是流程管段参数的特征值，i＝1，2，…，5；；j＝1，2，…，u。

   

    4.4 经验及其它信息

    流程工业的经验和其它信息是混杂信息，很难概括全面，但是从表述方法上来讲，我们仍然可以采用具有代表性的动态物元和动态事元的信息表示方式，流程操作的经验信息表示方法如式(9)，式中USS是操作方案的论域，DSSj(t)是操作，HSSj是操作特征，USSij(t)是操作的特征值，i＝1，2，…，d；j＝1，2，…。

   

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5 信息管理维模型结构设计

    为了将信息进行集成，需要建立基于信息基本表示方法的信息集成模型。对于只用于管理的信息来讲，有效的信息集成模型是维模型。从管理的观点来看，维是正交的，因为各类管理都与时间和流程生产管理业务有关系，对应这些关系的维是强制的。

    维由维对象构成，按照Riebel白加理论，“维对象”可作为语言概念。另外维可以用于定义管理的外在一致性。“维对象”按照层次来组织(概念DO-层次)。概念DO-层次可以用于构建如维护层次和操作层次。每一个维对象与一个层次级相关联(概念“层次级”)。最低层次级的维对象称为“叶元”，所有其它的维对象称为“非叶元”。如果在确定的分支中没有层次级，应引入辅助的标记对象(模糊对象)(例如操作控制维中的对象“不报警”)，为进行提取和聚类，必须对同一层次级的维对象建立同类集合。

    为防止信息爆炸，基于维模型信息管理的用户需要对维层次进行摘录，为此需要引入维范围和维范围组合的概念。维范围是指管理存在的空间，是维的子树，它们的组合与管理用户的多维对象空间对应。为防止语义冲突，特别是维范围、维范围组合和准则系统必须有唯一的含义。为了定义流程工业生产管理的信息空间，需要将参照对象(用于测量、处理和检查事物自身状态的对象，表示维空间中的矢量类型)与准则(由准则系统确定)集成到一起，为此引入信息对象的概念。信息对象是一组参考对象和一组准则之间的关系。对采用物元与事元表述的流程工业信息，维范围对应于业务关系中的物元组，维范围组合对应于多个参照对象或准则中物元组的组合，信息对象的元类型用物元事实或事元方案表述。因此事实信息是参照对象(物元)和准则(物元)的关系，有关操作则是参照对象(事元)和参照对象(物元)之间的关系。为了更好地理解基于维模型的信息集成的方法，我们以环管聚丙烯反应器为例建立几个操作维如图1所示和时间维如图2所示。该例子中包括生产管理的三个维：操作管理(测量)、操作管理(控制)、时间管理。其中操作管理(测量)、操作管理(控制)二个维的叶元集合是相同的，但是每个维应按照结构进行存储设计。

图1 聚丙烯反应器系统的操作(测量、控制)维及维组


图2 时间维及维组

    在建立信息维时，应充分考虑维之间信息的正交性和兼容性，如果考虑的业务对象是独立的，可以形成不同的正交维，但将这些维组合在一起时，可能会产生不兼容的组合。例如，对于时间维，当某一周跨月或跨年时，按照周和月对日期进行分类，虽然这些分类是正交的，可以产生不同的维，但是会产生没有意义的不兼容的组合。采用准确考虑正交和兼容构建维的方法，可以避免出现维的并行分支。解决维的正交和兼容问题的有效办法是引入辅助的标记对象(模糊对象)。下例介绍两个正交维“测量”和“时间”，这两个维的组合是有意义的，它们是兼容的。如果不能精确地开发维，维的不兼容可能会产生有用信息的丢失问题。如将流程按照控制(维“控制”)和报警(维“报警”)的特征进行划分，对于管理来讲，如果不将这两个维组合在一起，独立地看两个分类都是有意义的，因此，对第一个维引进“不按报警分类的控制”构成所有不按报警分类的控制集合作为子类；对第二个维引进“不按控制分类”构成没有控制分类的全部报警的集合作为子类。用这些分类查询每个维产生有意义的结果，可以避免有意义信息的丢失。

    在建立起维以后，流程工业生产信息管理实际上就转换成处理建维业务对象层次的叶元，这意味着两个重要的事情：(1)业务对象的属性是基于维的层次结构化的。业务对象的管理是由这些属性构成的，同一对象可能有不同的属性(如报警、控制和测量)，叶元可以在许多维中出现(如上例中的测量、控制维)。(2)为了对相同业务对象的叶元形成一致的集成层次，可以采用维组的概念。维组是指具有相同叶对象的多个维。例如，在流程的操作中，流程的不同操作是相对的。操作可以按照测量、控制来分类，可以引入不同的维。因为构成这些维的叶相同(如图2所示)，所以这些维可以集成在一个维组(操作)中，将维与维组分开可以避免维内的并行分支。不管如何，在维组中的维可以按照严格的层次来组织。集成在维组中的维列在下一个层次级上。维组“操作”可以由三个维构成，“测量”显示检测参数结构，“报替”将工厂按照报警状态进行分类，“控制”将工厂按照控制参数与非控制参数来划分。维组日历时间将维“日期”(按照月季年划分时间)、“日/班”(按照每天的班划分日)，由于流程工业生产执行系统是实时的，所以其信息管理中的维“日”是强制的。

    建立流程工业生产信息集成要求的另外一个概念是准则，在管理流程中，管理准则对于确定信息是非常重要的，它们是衡量流程生产状况的核心手段。基本准则的含义由复合物元确定(语义作用)，计算准则要求除了复合物元以外还要提供计算表达式。用于计算表达式中的操作数必须先定义，计算准则可以按照定义建成可拓数据库，以防止语义冲突。图3给出了基于准则可靠性的信息管理维。

图3 流程信息管理(可靠性)维

6 结 论

    本文针对流程工业复杂的数据、信息特点，为统一描述MES承上启下的信息，利用物元、事元的概念提出了流程工业准则与事实信息的表示方式，由此建立了信息集成与管理的信息维模型。所提出的方法可以有机地把流程工业过程PCS、MES和ERP各层次间的信息集成，通过MES信息集成平台实现生产与管理数据/信息的上传下达，为生产计划与调度、优化操作、先进控制、故障预测与诊断、全厂信息集成和经营决策构建统一的信息环境，为企业的工艺工程师、控制系统工程师、企业管理人员提供各自所需的一致化的信息，真正实现信息共享，提高信息使用与管理的效率，为信息转化为生产力搭建良好的平台。