面向于工业设备智能维护的实时嵌入式软件平台的研究

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1、面向于工业制造业设备智能维护的实时嵌面向于工业制造业设备智能维护的实时嵌 入式软件平台的研究入式软件平台的研究 一、项目的立项依据和国内外研究现状一、项目的立项依据和国内外研究现状 1.1 立项依据（项目产生的背景）立项依据（项目产生的背景） 制造业是反映一个国家生产能力、国民经济水平和综合国力的基础性、支柱性产业，是 工业化、现代化建设的发动机和动力源，是国际竞争中取胜的法宝。Internet 和 Web 技术 的飞速发展，大大加快了产品的设计、制造和服务速度，而其中，性能、速度和服务已成 为影响制造企业核心竞争力的三大重要因素。目前在我国，整个制造业在整个国民经济中 占着非常重要的地位，尤

2、其是装备制造业。但是从目前来看，我国制造业也存在着一些迫 切需要解决的问题，主要表现在： 1） 制造业设备陈旧老化，生产出来的产品质量和数量并不匹配。不能满足市场经济对产 品质量的严要求，也不能适应同类的国外产品的公平竞争，尤其是加入 WTO 后。因此 这就需要对目前的制造业设备进行大规模的更新换代。其中对当前的制造业设备进行 信息化改造是目前公认的最佳的方案。从当前国外尤其是日本对工业化设备进行信息 化改造的过程和结果来看，应用嵌入式技术提升制造业的水平是不争的事实。日本制 造业以世界数一数二的品质和效率而自豪，它所凭借的就是嵌入式技术。嵌入式系统 应用于工业领域已有较长历史，近年来，嵌入式

3、软件在提升制造业水平方面发挥着重 要作用，一些提供智能仪器仪表、自动化生产线的厂商，近年来取得了良好收益，并 已成为利用信息技术改造传统制造业的典型范例。 2） 工业设备尤其是制造业设备对嵌入式系统的实时性的严格要求对制造业设备的信息化、 智能化和自动管理化提出了挑战。从这几年我国嵌入式技术应用到工业设备的情况来 看， 由于工业设备对工作环境、操作条件、速度、工作稳定性等方面都存在着自己独 特的要求，因此面向于工业设备的软件平台除了一般的 OS 要具有的特点如任务调度、 同步机制、中断处理、文件功能等之外，还需要具备以下要求： 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 占有更少的硬件资源。 高可

4、靠性，高稳定性。 高度实时性（可预测性） 。 强大的网络支持功能，以便进行远程监控，数据传输和维护。 而从目前国内应用于工业设备尤其是制造业设备的软件平台来看，都存在着要么尽管 实时性能够满足要求，但是价格过高，维护费用昂贵。要么尽管免费的维修费用，但 是实时性不能满足要求，设备在运行过程中很容易出现“Breakdown”(运行故障)现象1。 因此提出一种面向于当前和未来工业制造业设备、具备高通用性、高可移植性和高度 实时性的软件平台是目前需要解决的迫切问题。 3） 随着信息化技术在工业生产过程中的不断深入应用，制造业中的设备一旦发生故障和 失效问题，将严重影响企业的市场竞争力。其主要表现在以

5、下几点： 制造企业设备故障的突然发生，不仅会增加企业的维护成本，而且会严重影响企 业的生产效率，使企业蒙受巨大损失。据调查，设备的 60的维护费用是由突然 的故障停机引起的，即使在技术极为发达的美国，每年也要支付 2000 亿美金来对 设备进行维护，而设备停机所带来的间接生产损失则更为巨大。 进口设备的维护问题则更为复杂和困难，而目前所采用的远距离跨国维修 FAF（Fly and Fix）的方式既费时又费用昂贵，在大大增加企业运作成本的同时， 也严重影响了企业的生产效率。 在“顾客至上”理念普及的今天，制造企业必须为客户提供产品的完整服务解决方 案。由于产品出现问题的不可预知性，企业无法预先制

6、定服务和维护计划。为了 提高企业的服务效率和服务质量，制造企业必须维持一支规模更为庞大的服务队 伍，其日常支出是非常巨大的。 因此，通过网络方式对正在运行中的设备进行全天候、不间断的监测和控制，以实现 设备近乎“零故障”的高质量运行，这就是“工业制造业设备的智能化维护”2,3。 因此，设计一种面向于工业制造业应用的，除了具备当前一般的嵌入式软件平台具有的 特点之外，还要内嵌“智能维护”的实时嵌入式软件平台是本项目的主要目标。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 纵观目前国内外对实时嵌入式系统 RTOS（Real-time OS）的研究来看，主要分为以下 几类： 1） 传统实时嵌入式操作系统。

7、主要包括：VxWorks、pSOS、Nucleus、WinCE 等。 VxWorks 和 pSOS 的用户主要集中在军工、工业控制及电信领域，Nucleus 和 WinCE 在消费类产品中应用较为广泛。 2） 开放源码的嵌入式操作系统。典型代表有 Linux/uClinux、eCos。因为传统实时嵌入 式操作系统价格比较昂贵，所以许多用户开始使用免授权费的 Linux/uClinux 等操作 系统开发自己的嵌入式产品。Linux 操作系统从本质上属于通用操作系统，缺少强实 时支持，因此嵌入式 Linux 在某些不需要强实时性的嵌入式产品中得到了较多应用， 典型的产品有智能手机(这类产品中的实时

8、性主要通过专用硬件芯片保证)、查询终端 等。uClinux 是 Linux 的一个变种，主要运行在没有内存管理单元(MMU)的 CPU 架构 上。因为没有内存管理单元，uClinux 无法实现现代操作系统能够提供的进程地址空 间保护等高级特性，但它最大程度地保留了 Linux 的系统调用功能，而且资源消耗低， 因此在一些中低端的 32 位嵌入式产品中得到了应用。eCos 也是一种开源、免授权费 的 RTOS 产品。和 Linux/uClinux 相比，它更类似传统的实时嵌入式操作系统，而且 提供了丰富的外围模块，如文件系统、TCP/IP 接口模块、POSIX 兼容接口模块等。 根据使用情况来看

9、，eCos 操作系统在一定程度上可以用来替代传统实时嵌入式操作 系统。 3） 新型实时嵌入式操作系统。主要包括 uC/OS-II、ThreadX 等操作系统，它们的出现， 填补了 RTOS 操作系统市场的中低端市场，给广大嵌入式产品开发者提供了性价比 较高的选择。 4） 本地实时嵌入式操作系统。近几年，国内也有厂商开始提供自主研发的实时嵌入式 操作系统，典型的有 Hopen 和 Delta 操作系统。这些产品已经在消费类电子产品和军 工领域中得到了一些应用。 上面的目前研究的 RTOS，都没有涉及到“工业设备智能化维护”的概念。因此并不适合未 来几年工业制造业对“免现场维护”FFAF（Free

10、 Fly and Fix）的根本要求。从国内外制造业 设备智能维护的研究来看，工业设备的智能维护也是一个全新的概念，它的主要框架如图 1 所示： 图 1 显示，智能维护系统可通过 Web 驱动的电子信息（infotronics）平台对设备和产 品进行不间断的监测诊断和性能的退化评估，并作出维护决策。同时，智能维护系统还能 通过 Web 驱动的智能代理与电子商务工具（如客户关系管理 CRM，供应链管理 SCM，企 业资源管理 ERP）进行整合，从而获得高质量的全套服务解决方案。另外，智能维护系统 所得到的信息知识还可用于产品的再设计和优化设计，从而使未来的设备和产品达到自我 维护的境界。图中也显

11、示，智能维护系统的核心技术是对设备和产品的性能衰退过程的预 测和评估，围绕这一核心，当前的智能维护的应用基础研究主要包括以下几个方面： 设备和产品的性能衰退过程的预测评估算法、方法研究。要对设备或产品进行预测维 护，必须提前预测其性能衰退状态。与现有的故障早期诊断不同的是，智能维护侧重 于对设备或产品未来性能衰退状态的全过程走向预测，而不在于某个时间点的性能状 态诊断，因此，其不论在理念上，还是在方法上，都是有很大不同的。其次，进行预 测和决策时，在分析历史数据的同时，智能维护引入了与同类设备进行“比较”的策略 （P2P: peer-to-peer） ，因而大大提高了预测和决策的准确度。P2P

12、 是对传统故障诊断方 法的一种超越。另外，在采集设备和产品的信息时，智能维护强调“相关信息”（包括 人的反馈信息）的采集和有效“融合”（包括低层次和高层次的融合） ，并根据人脑的信 息处理方式从中综合提取性能预测所需的信息。 应需式远程监测维护领域。随着 Internet 和 Web 技术的发展，利用 Internet 和 Web 来 进行实时监测数据的传输也已逐渐成为研究热点。应需式远程维护是指利用现代信息 电子（infotronics）技术实现异地间设备和产品性能衰退的监测、预测，并提出维护方 案等的一系列行为，其强调的是根据实际的需要传输所需的“信息”，即根据设备和产 品在不同环境下的各

13、种性能衰退过程的实际快慢程度，及时地调整相应信息的传输频 度和数量，而不是传统意义上的简单的“数据”（采样信号等）传输。 决策的支持、数据的转换和信息的优化同步技术领域。为了实现真正意义上的电子商 务、电子化制造和电子化服务，智能维护系统必须与现有的企业商务系统 （CRM、SCM、ERP、MES 等）进行信息交互，因此，智能维护强调的是“信息一次 处理（O.H.I.O. Only Handle Information Once） ”。为此，国外首先有人提出 D2B（Device to Business）的理念。D2B 平台的建立不仅为维护决策提供了平台工具， 而且第一次实现了设备层到商务层的直

14、接对话，并为产品的再优化设计提供了原始数 据。当然，在维护决策时，D2B 平台系统同样采用 P2P 技术，以加强决策的准确性。 经过几年的努力，智能维护技术在国外得到了飞速发展。 从预测领域来说，传统的预测模型主要有三种：线形预测模型、非线形预测模型和人工神 经网络预测模型。典型的线形预测模型有 1926 年 Yule 提出的 AR（Auto Regressive）模型 和 1976 年 Box、Jenkins 提出的 ARMA/ARIMA（Autoregressive Integrated Moving Average）模型，其局限条件是信号必须是线形的；典型的非线形模型有 Tong、Lim

15、 提出 的 TAR（Threshold Auto Regressive）模型【5】，其是一个全局的非线形模型，当时间序列在 不同的情况下具有非平稳性时，这一模型非常有用，但是，虽然它消除了线形模型的条件 限制，它在模型构建时的复杂性也成倍增加；神经网络预测模型与前两种预测模型相比， 其无论在短时预测，还是长时预测，都有着无比的优越性【6-8】。神经网络预测模型已成为 了预测领域的研究热点。1992，Lee 率先把神经网络预测技术用于对设备性能衰退的预测 分析上【2, 23】，由此，拉开了预测技术在智能维护领域的应用。自智能维护系统中心成立以 来，在性能预测方法上已有不少成果。Tong 及 Le

16、e 从控制理论出发，结合神经网络，在 不改变原有控制系统的条件下，提出了基于控制系统规则的性能评估方法【9】，并在 ABS 刹车系统上得到了应用；Yan 及 Lee 利用逻辑回归算法对电梯的性能衰退状态作出了评估， 并对残余寿命进行了预测，为电梯的维护决策提供了有力支持【10】；Wang 及 Lee 提出了 小波神经网络性能评估预测算法，并对机床主轴和刀具的磨损情况进行了评估和预测【11】。 不过，智能维护作为一种新型的维护技术，由于其还处于发展的起步阶段，许多的性能预 测算法还处于理论研究阶段，特别是对设备或产品的残余寿命预测技术，以及如何利用 P2P 技术，尚处于空白阶段。 在远程维护领域，远程监测诊断最早是从远程医学开始的，随着 Internet/Intranet 技术 的发展，利用计算机网络远程对设备和产品进行监测诊断已成为一个研究热点。在目前的 远程监测诊断系统中，对数据的分析处理一般都在远程的诊断中心完成。Jay Lee 在文献 【12】中，提出了远程服务系统框架及面临的关键技术和挑战机遇。其指出，由于设备和产 品的数据监测量