本發(fā)明涉及工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，尤其涉及一種基于網(wǎng)算控協(xié)同的海量工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)化組織方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，海量工業(yè)設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的全連接。目前，已有多種技術(shù)方案和框架被提出，用于解決海量工業(yè)設(shè)備的組織和管理問題，尤其是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(iiot)、邊緣計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的推動(dòng)下，設(shè)備間的協(xié)同工作取得了一定進(jìn)展。但現(xiàn)有方法存在如下不足：

2、網(wǎng)絡(luò)資源與計(jì)算資源用于滿足生產(chǎn)控制的需求，已有方法通過協(xié)同網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算來應(yīng)對(duì)生產(chǎn)控制。但忽略了生產(chǎn)控制的可調(diào)整空間，導(dǎo)致已有方法沒有充分利用工業(yè)信息系統(tǒng)的組網(wǎng)能力。

3、現(xiàn)有方法對(duì)工業(yè)控制的動(dòng)態(tài)需求應(yīng)對(duì)能力較差。雖然已有相關(guān)研究考慮了工業(yè)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)性的考慮過于隨機(jī)，最典型的是車聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)組織與管理。但工業(yè)環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性并不像車聯(lián)網(wǎng)一樣具有大范圍、隨機(jī)性的特點(diǎn)。工業(yè)中的設(shè)備、產(chǎn)品有已知的移動(dòng)范圍，例如自動(dòng)引導(dǎo)車只在規(guī)定區(qū)域內(nèi)運(yùn)送配件，產(chǎn)品也必須經(jīng)過固定的制造、倉(cāng)儲(chǔ)等過程。因此，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性存在規(guī)律。現(xiàn)有方法對(duì)動(dòng)態(tài)性的考慮過于悲觀，消耗了大量資源應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)致所支持的設(shè)備數(shù)量受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于網(wǎng)算控協(xié)同的海量工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)化組織方法，解決大規(guī)模工業(yè)場(chǎng)景中海量設(shè)備難以進(jìn)行有效組織與管理的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種基于網(wǎng)算控協(xié)同的海量工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)化組織方法，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、控制的資源，規(guī)劃海量工業(yè)設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)，使有限資源能夠支撐海量工業(yè)設(shè)備的全互聯(lián)，包括以下步驟：

3、步驟1：不考慮網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的延時(shí)，依據(jù)訂單需求計(jì)算工業(yè)設(shè)備隨時(shí)間變化的空間位置；

4、步驟2：依據(jù)工業(yè)設(shè)備的空間位置、控制需求，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)劃分；

5、步驟3：分析工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸與計(jì)算的延時(shí)，將延時(shí)帶入訂單生產(chǎn)過程，重新計(jì)算工業(yè)設(shè)備隨時(shí)間變化的空間位置；

6、步驟4：若當(dāng)前工業(yè)設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)能夠支撐新位置工業(yè)設(shè)備的入網(wǎng)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)劃分即為最終工業(yè)設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)；否則，判斷在相同的工業(yè)設(shè)備的控制頻率下是否進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，若沒有，則調(diào)整結(jié)構(gòu)，然后重新執(zhí)行步驟3；若有，則減小控制頻率，然后重新執(zhí)行步驟2。

7、所述步驟1不考慮網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的延時(shí)，依據(jù)訂單需求計(jì)算工業(yè)設(shè)備隨時(shí)間變化的空間位置，包括以下步驟：

8、步驟1.1：設(shè)定工業(yè)設(shè)備包括不可移動(dòng)的機(jī)器，以及可移動(dòng)的物流車；第i個(gè)訂單對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品需ni道工序才能夠生產(chǎn)完成，每道工序?qū)?yīng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)器，第j道工序pij對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)機(jī)器用mij表示，在該生產(chǎn)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間用tij表示；生產(chǎn)機(jī)器不可移動(dòng)，產(chǎn)品被智能物流車從一個(gè)生產(chǎn)機(jī)器搬運(yùn)到另一個(gè)生產(chǎn)機(jī)器；

9、步驟1.2：根據(jù)所有訂單使用各生產(chǎn)機(jī)器的執(zhí)行時(shí)間總和以及各訂單所有工序的執(zhí)行時(shí)間之和，確定訂單的優(yōu)先級(jí)；

10、對(duì)于任意生產(chǎn)機(jī)器ma，計(jì)算所有訂單使用該生產(chǎn)機(jī)器的執(zhí)行時(shí)間總和，記為ta；

11、遍歷所有ta，找到ta最大的生產(chǎn)機(jī)器ma；使用生產(chǎn)機(jī)器ma的所有訂單加入到訂單集合ra中；

12、對(duì)于訂單集合ra中的每個(gè)訂單，計(jì)算該訂單所有工序的執(zhí)行時(shí)間之和，記為toi；

13、依據(jù)toi的大小為ra中的訂單設(shè)置優(yōu)先級(jí)，toi越大，則訂單優(yōu)先級(jí)越高；

14、除去機(jī)器ma，在剩余機(jī)器中查找執(zhí)行時(shí)間總和最大的機(jī)器m'a，并計(jì)算該機(jī)器對(duì)應(yīng)的訂單集合r'a，進(jìn)而計(jì)算該訂單集合中各訂單所有工序的執(zhí)行時(shí)間之和to'i，依據(jù)to'i為訂單分配優(yōu)先級(jí)；針對(duì)其他剩余機(jī)器，重復(fù)執(zhí)行該過程，直到所有訂單都被分配優(yōu)先級(jí)；

15、步驟1.3：所有訂單同時(shí)開始執(zhí)行，每個(gè)訂單按照工序順序依次使用各個(gè)機(jī)器；當(dāng)多個(gè)訂單同時(shí)開始使用同一機(jī)器時(shí)，最高優(yōu)先級(jí)的訂單先使用該機(jī)器，其他訂單等待；

16、步驟1.4：依據(jù)訂單的執(zhí)行過程，可知訂單依次經(jīng)過各機(jī)器的順序，相鄰機(jī)器間的移動(dòng)路徑采用迪杰斯特拉算法計(jì)算；已知物流車移動(dòng)速度，計(jì)算時(shí)刻t第c輛物流車所在的位置locc,t。

17、所述步驟2依據(jù)工業(yè)設(shè)備的空間位置、控制需求，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)劃分，包括以下步驟：

18、步驟2.1：以所有訂單開始執(zhí)行時(shí)為時(shí)間起點(diǎn)t＝0，對(duì)于該時(shí)刻每個(gè)物流車的位置為locc,0，生產(chǎn)機(jī)器的位置固定locm；

19、步驟2.2：采用k平均的方法，基于位置對(duì)所有工業(yè)設(shè)備進(jìn)行聚類；同時(shí)以無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離d為約束，各類中工業(yè)設(shè)備與類的中心位置距離不能大于d；

20、步驟2.3：將每個(gè)類中的所有工業(yè)設(shè)備連接到一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)上，該邊緣節(jié)點(diǎn)放置在類的中心位置；再將所有邊緣節(jié)點(diǎn)通過有線網(wǎng)絡(luò)連接到云上，形成初始分層結(jié)構(gòu)s0；

21、步驟2.4：考慮設(shè)備移動(dòng)性，依次在不同時(shí)間t＝1,2,...t，驗(yàn)證初始分層結(jié)構(gòu)s0是否能在滿足距離d約束的前提下，仍然可以連接工業(yè)設(shè)備；如果在某一時(shí)刻t，分層結(jié)構(gòu)s0無法連接所有設(shè)備，則重新執(zhí)行步驟2.2和步驟2.3計(jì)算分層結(jié)構(gòu)st；依此步驟，直至t時(shí)間內(nèi)所有設(shè)備都有分層結(jié)構(gòu)可接入，計(jì)算得到多個(gè)分層結(jié)構(gòu)；至此，設(shè)備的分層結(jié)構(gòu)形成；

22、所述步驟3分析傳輸與計(jì)算的延時(shí)，將延時(shí)帶入訂單生產(chǎn)過程，重新計(jì)算工業(yè)設(shè)備隨時(shí)間變化的空間位置，具體包括：

23、基于工業(yè)設(shè)備的分層結(jié)構(gòu)劃分，模擬所有訂單的生產(chǎn)過程，該過程帶入網(wǎng)絡(luò)帶寬與邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力；根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量和計(jì)算量，采用傳輸量除以網(wǎng)絡(luò)帶寬，以及計(jì)算量除以計(jì)算能力，獲得傳輸延時(shí)與計(jì)算延時(shí)；該傳輸延時(shí)與計(jì)算延時(shí)帶入訂單生產(chǎn)過程，獲得更新后的工業(yè)設(shè)備隨時(shí)間變化的空間位置。

24、所述步驟4若當(dāng)前分層結(jié)構(gòu)能夠支撐新位置工業(yè)設(shè)備的入網(wǎng)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)劃分即為最終工業(yè)設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)，具體包括：在滿足距離d約束的前提下，如果工業(yè)設(shè)備在更新的位置仍然能夠連接到位置未更新時(shí)的邊緣節(jié)點(diǎn)上，則當(dāng)前結(jié)構(gòu)劃分即為最終工業(yè)設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)。

25、所述的結(jié)構(gòu)調(diào)整，包括以下步驟：

26、查找設(shè)備新位置距離d以內(nèi)的邊緣節(jié)點(diǎn)，選擇計(jì)算負(fù)載最小的邊緣節(jié)點(diǎn)連接；

27、若距離d以內(nèi)沒有邊緣節(jié)點(diǎn)，則對(duì)設(shè)備新位置所有臨近的類中的設(shè)備，重新采用k平均法進(jìn)行聚類；每個(gè)新的類連接到一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)。

28、所述的減小控制頻率，具體如下：為使網(wǎng)絡(luò)帶寬與邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力能夠滿足生產(chǎn)控制的需求，在控制穩(wěn)定的前提下，控制頻率減少到max{f,fc-max{1,(fc-f)2/f}}，其中fc表示工業(yè)設(shè)備的當(dāng)前控制頻率，f表示控制穩(wěn)定下的最小頻率。

29、采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種基于網(wǎng)算控協(xié)同的海量工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)化組織方法，不僅協(xié)同網(wǎng)算資源，還依據(jù)網(wǎng)算資源調(diào)整控制需求，能夠以有限的資源支撐海量設(shè)備的結(jié)構(gòu)化組織，實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)；本發(fā)明提出結(jié)構(gòu)調(diào)整和控制頻率調(diào)整兩層調(diào)控閉環(huán)，平衡了調(diào)控粒度和方法的復(fù)雜度，實(shí)用性強(qiáng)。