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1 目標和概述

本解決方案的目的是對鑄管行業(yè)生產(chǎn)過程中承口隨機鑄字進行識別，以獲取準確的鑄管編碼字符，為鑄管生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品追蹤提供校驗。在項目實施前，鑄管行業(yè)尚無有效的字符識別方案，其難點在于鑄管的生產(chǎn)工藝無法使用傳統(tǒng)的標簽與RFID技術(shù)，而鑄管鑄字完成后的退火、精整、噴鋅、養(yǎng)生等工藝環(huán)節(jié)會對原有字符造成不可逆的破壞，字符殘缺不全，加之鑄管生產(chǎn)過程溫度過高，也使字符識別難度大大增加。一直以來僅能通過人工在高溫環(huán)境下艱難識別并手工記錄，嚴重影響了鑄管行業(yè)的智能制造升級改造和產(chǎn)品質(zhì)量管理。

在本項目中，字符識別系統(tǒng)除了包括邊緣側(cè)的機械電氣設(shè)備、控制系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)外，其核心是在邊緣側(cè)部署了中科院沈自所自主研發(fā)的ThingOrigin邊緣計算平臺，該平臺不僅完成邊緣側(cè)設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲工作，而且在邊緣側(cè)直接對設(shè)備數(shù)據(jù)和圖像進行基于深度學習的人工智能算法處理計算，通過對大量字符圖像數(shù)據(jù)的迭代訓練，代替人工實現(xiàn)在高溫環(huán)境作業(yè)下的殘缺字符結(jié)果識別，并將識別直接發(fā)送給云端MES系統(tǒng)，大大節(jié)省了云端對數(shù)據(jù)的處理時間和資源的占用。本項目依托新興鑄管有限公司陽江分公司，首次完成了國內(nèi)鑄管行業(yè)的穩(wěn)定字符識別工作，并且達到99%以上的識別準確率。該項目解決方案的成功實施，標志著邊緣計算技術(shù)在鑄管領(lǐng)域的成功創(chuàng)新應用，并在整個鑄管行業(yè)乃至冶金行業(yè)都具備高價值的可復制的快速孵化和示范推廣作用。

圖1 邊緣視覺識別流程

圖2 鑄造視覺識別系統(tǒng)

圖3 現(xiàn)場部署圖

2 解決方案介紹

沈自所自主研發(fā)的邊緣計算ThingOrigin物源平臺是整個解決方案的核心架構(gòu)。它分為運行時和開發(fā)時兩部分，如圖4所示。 

圖4 邊緣計算ThingOrigin物源平臺

其中，運行時包括了邊緣控制器、語義數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、微服務中間件和控制臺。開發(fā)時包括IDE一體化編程工具。

作為解決方案的核心系統(tǒng)架構(gòu)，ThingOrigin物源平臺具備三大優(yōu)勢。

（1）數(shù)據(jù)語義化融合

ThingOrigin物源平臺支持異構(gòu)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一索引，支持OPC UA、Restful API、WebSocket、MQTT等多種數(shù)據(jù)通訊接口，支持基于語義的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)可視化建模。

（2）邊緣計算能力

ThingOrigin物源平臺支持20余種主流工業(yè)協(xié)議的解析能力，支持SpringBoot、ServiceMesh微服務接口、支持Kubernate容器化管理、支持邊緣側(cè)視覺處理、邏輯控制和運動控制。

（3）縱向分布式部署

ThingOrigin物源平臺支持輕量級微服務部署、系統(tǒng)功能即插即用，提供工業(yè)模型標準庫，支持一體化編程開發(fā)。

邊緣控制器Edge Controller作為新一代硬件平臺，構(gòu)建了智能化協(xié)同制造技術(shù)及應用創(chuàng)新平臺。實現(xiàn)邊緣側(cè)的互聯(lián)互通、全流程信息交互、大數(shù)據(jù)端到端集成。為制造物聯(lián)和智能感知、核心工業(yè)軟件研發(fā)，以及大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)技術(shù)的工程化提供了基礎(chǔ)。

基于語義的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Semantic Web，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)物聯(lián)設(shè)備信息的橫向跨系統(tǒng)快速索引與查詢，為控制對象增加數(shù)字化外衣，從而形成對象管理模型?？蓪α悴考⒃O(shè)備、產(chǎn)線、工作站等重要部件或機器組件形成互聯(lián)互通，構(gòu)建工業(yè)4.0組 件。它是國內(nèi)首個支持網(wǎng)頁信息與設(shè)備實時數(shù)據(jù)的混合呈現(xiàn)的物聯(lián)設(shè)備的搜索引擎，高于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的強大查詢能力，適用于物聯(lián)設(shè)備相關(guān)信息追溯與相關(guān)影響查詢。

微服務中間件Service Mesh是基于輕量化微服務架構(gòu)進行業(yè)務定義，可實現(xiàn)系統(tǒng)功能的高強性裁剪，以及新功能的即插即用?？刂婆_Console負責邊緣側(cè)配置云端資源，配置基礎(chǔ)計算和存儲資源，鏡像和虛擬實例的生成和監(jiān)控運行。還可實現(xiàn)邊緣側(cè)一鍵部署邊云協(xié)同業(yè)務。除此之外，Console還負責邊緣節(jié)點的安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全和應用安全的監(jiān)控。

一體化編程工具IDE是基于工業(yè)自動化特征，使用復合微服務抽象任務級指令?？蓪C器人等工業(yè)自動化設(shè)備功能組件進行建模，實現(xiàn)控制代碼與物理工藝過程的映射，實現(xiàn)任務的多層抽象與工藝級編程。IDE的核心優(yōu)勢是針對工序工步建立標準工步/工序庫，進一步開發(fā)工藝模板，先預編譯，然后根據(jù)硬件平臺實現(xiàn)代碼生成，實現(xiàn)工藝級配置，代碼自動生成。它是國內(nèi)首個支持工業(yè)業(yè)務語義服務與語義關(guān)聯(lián)的組態(tài)IDE，兼容輕量級微服務與標準工作流的工業(yè)領(lǐng)域組態(tài)IDE。

在鑄管字符識別解決方案中，首先通過控制臺Console實現(xiàn)了對邊緣側(cè)所需資源的彈性分配，邊緣控制器Console實現(xiàn)了底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，包括字符圖像的獲取。語義化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Semantic Web實現(xiàn)了設(shè)備間的互聯(lián)互通，通過一體化編程工具IDE開發(fā)了鑄管字符識別監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)用Semantic Web定義好的數(shù)據(jù)通訊接口實現(xiàn)對設(shè)備的調(diào)度控制，通過 ThingOrigin物源平臺提供的視覺微服務中間件ServiceMesh，實現(xiàn)對字符圖像的預處理、字符定位和字符識別工作。最后，通過邊云協(xié)同接口將識別出的字符發(fā)送給云端的MES系統(tǒng)，幫助企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯和管控。 

圖5 基于工業(yè)機器人的智能識別機構(gòu)（3D激光輪廓儀+高清工業(yè)相機）

圖6 基于深度學習的視覺識別訓練模型

圖7 邊緣智能識別流程

3 代表性及推廣價值

從應用情況及效果方面看，邊緣計算技術(shù)不僅解決了鑄管行業(yè)應用物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量爆炸式增長，緩解了企業(yè)私有云計算數(shù)據(jù)處理壓力，而且不占用云端網(wǎng)絡(luò)帶寬，將每次識別生成的幾十兆字符圖像僅轉(zhuǎn)為6字節(jié)的字符結(jié)果，更減少了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境帶來的長時延和數(shù)據(jù)隱私問題。

從示范效應方面看，基于邊緣計算能力的鑄管字符識別應用，在其產(chǎn)品質(zhì)量的表面檢測等工藝環(huán)節(jié)同樣有所需求，擴大至整個冶金行業(yè)中的煉鋼、軋鋼、鑄管、鑄件等車間同樣有大量需要邊緣計算能力來處理和分析的應用場景存在。因此，本項目解決方案的成功實施，為后續(xù)冶金行業(yè)中應用邊緣計算技術(shù)來處理實際生產(chǎn)問題提供了技術(shù)的示范效應。

從商業(yè)價值和社會價值看，基于邊緣計算能力的鑄管&冶金行業(yè)字符識別應用、產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測等應用，幫助企業(yè)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中產(chǎn)品有效管控，增強了企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的追溯能力，提高了企業(yè)對售后產(chǎn)品的維保能力。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊