针对柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)故障诊断的特点,在对Web服务进行简要介绍的基础上,探讨了利用Web服务技术对柔性制造系统故障进行远程、协同诊断的可行性,提出了基于Web服务的FMS远程故障诊断系统的总体结构和系统功能。基于提出的系统总体结构,给出了基于Web服务技术构建的FMS远程故障诊断系统的体系结构和各个子系统的功能。之后,结合面向对象技术、Java技术和数据库技术,使用IBM公司的Ratioanl Application Developer v6.0开发工具,介绍了系统设计与实现。原型系统运行结果表明,该系统的总体结构设计合理,具有较好的故障远程协同诊断能力

洪欣

蹇崇军

Xiamen University Institutional Repository

基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统研究 *蹇崇军 1，2，3 洪 欣 4（1 厦门大学 管理学院，厦门 361005）（2 华侨大学 机电及自动化学院，厦门 361021）（3 福建南方路面机械有限公司，泉州 362021）（4 华侨大学 计算机科学与技术学院，厦门 361021）Research on web service based remote fault diagnosis system for FMSJIAN Chong-jun1，2，3，HONG Xin4（1School of Management，Xiamen University，Xiamen 361005，China）（2College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）（3Fujian South Highway Machinery Co.，Ltd，Quanzhou 362021，China）（4College of Computer Science and Technology，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）文章编号：1001-3997（2011）12-0258-03【摘 要】针对柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）故障诊断的特点，在对 Web 服务进行简要介绍的基础上，探讨了利用 Web 服务技术对柔性制造系统故障进行远程、协同诊断的可行性，提出了基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统的总体结构和系统功能。基于提出的系统总体结构，给出了基于 Web 服务技术构建的 FMS 远程故障诊断系统的体系结构和各个子系统的功能。之后，结合面向对象技术、Java 技术和数据库技术，使用 IBM 公司的 Ratioanl Application Developer v6.0 开发工具，介绍了系统设计与实现。原型系统运行结果表明，该系统的总体结构设计合理，具有较好的故障远程协同诊断能力。关键词：柔性制造系统；Web 服务；远程故障诊断系统【Abstract】Aiming at the characteristics of FMS fault diagnosis，it discussed the feasibility to utilizeWeb service technology to diagnose the faults of FMS remotely and cooperatively on the basis of introducingin brief Web Service technology，and brought forward the architectural structure and system function of WebService based remote fault diagnosis system for FMS.According to the architectural structure，the architectureand each subsystem function of remote fault diagnosis system for FMS based on Web service technology isgiven.Then，combining with object oriented technology，Java technology and database technology, by adoptingIBM Ratioanl Application Developer v6.0 as developing tool, the system design and realization was presented.And the running of prototype system shows that the system architectural structure is reasonable with ability todiagnose the faults remotely and cooperatively.Key words：FMS；Web service；Remote fault diagnosis system                                                                                                                                   中图分类号：TH16，TP399 文献标识码：A＊来稿日期：2011-02-23 ＊基金项目：福建省青年人才项目资助（2007F3062），华侨大学高层次人才科研启动费项目资助（07BS403），泉州市科技计划（2010G4）1 引言随着科学技术的发展和多品种、小批量生产的需求，柔性制造系统（FMS）在现代制造领域中的应用日益广泛。柔性制造系统是CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统）的一个重要组成部分，它将计算机技术、微电子技术、数控技术、机器人技术、机械加工技术、自动化技术、传感器技术、网络通讯技术等先进技术有机地融为一体，形成了具有高柔性、高精度、高效率的自动化制造系统。FMS 的蓬勃发展为制造业带来了勃勃生机和巨大的经济效益，但随之而来的问题是，柔性制造系统结构复杂、价格昂贵、集成度高，系统各部分之间相互关联。随着柔性制造系统功能的不断提高，系统越来越复杂，一旦发生故障，诊断和维修的难度也就大大提高。为保证柔性制造系统的可靠运行，在柔性制造系统出现故障时进行快速诊断和维修就尤为重要。FMS 功能上的先进性和智能化、结构上的大型化和复杂化、运行过程的不确定性（柔性）以及各功能设备之间的相关性、并联性导致了其故障的多发性、复杂性、并发性、传播性和故障现象的模糊性等特点，为 FMS 的故障诊断和快速维修带来了巨大的困难。由于柔性制造系统的高度复杂性，故障种类涉及的范围非常广泛。其故障诊断和维修涉及多个学科的知识，是一个复杂的智能活动。在简要介绍 Web 服务和 FMS 远程故障诊断特点的基础上，探讨了利用Web 服务技术对 FMS 故障进行远程、协同诊断的可行性，提出了基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统的体系结构和功能，并介绍了基于 Web 服务技术构建的 FMS 远程故障诊断系统的实现。2 Web 服务简介2.1 Web 服务定义Web 服务是一种基于 XML（eXtensible Markup Language，可Machinery Design ＆ Manufacture机械设计与制造 第 12 期2011 年 12 月258扩展标记语言）的革新技术，能够通过网络标准协议调用的自描述的、自包含的模块应用。它拥有基于组件开发模型和 Web 的优点，软件开发人员只需调用像黑盒一样可重用的应用功能而无需考虑这些功能是如何实现的。在调用组件应用功能时，现有的组件模型全部使用对象模型专用的协议，如 DCOM（DistributedComponent Object Model，分布式组件对象模型）、RMI（RemoteMethod Invocation，远程方法调用）等。但是，Web 服务却使用普及、开放的标准协议，如 HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）和 XML。此外，Web 服务的接口完全只是定义能够被收发的信息，没有系统平台或者编程语言专用的格式要求。Web 服务利用开放标准和共同的基础设施作对象描述、发现和访问。2.2 Web 服务框架Web 服务通过定义一组可以通过 Internet 调用的相关的商业逻辑，从而可以使企业将其电子商务应用程序的功能以公开的、统一的方式提供给企业的商业合作伙伴。Web 服务通过 WSDL（WebService Description Language，Web 服务描述语言） 来描述，通过SOAP（SimpleObjectAccessProtocol，简单对象访问协议） 进行访问，在 UDDI（Universal Description Discovery and Integration，通用描述发现和集成）商业注册中心发布，从而使开发人员和电子商务应用程序可以搜索并定位该服务。Web 服务框架中包括 3 个清晰的角色定义，显示了它们之间的关系，如图 1 所示。请求/响应发布 发现服务请求者服务提供者服务代理图 1 SOA 模型Web 服 务 的 这 种 设 计 模 式 称 为 SOA （Service-OrientedArchitecture，面向服务的体系结构），它包括发布、查找和绑定 3项基本操作。其中服务提供者向服务代理发布 Web 服务，而服务请求者通过服务代理查找所申请的服务，并与之进行绑定。SOA的关键在于服务描述（Service Description）。因为服务提供者用服务定义来描述所提供的服务功能，并将其发布到服务代理的注册中心；服务请求者在服务代理处寻找到该服务定义，根据它的内容来绑定、调用 Web 服务并处理其响应结果。3 基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统FMS 远程故障诊断是指当用户系统出现故障时，系统经由通信网络（如局域网或者广域网）与远程故障诊断系统连接，诊断系统启动安装在系统中的诊断程序或向系统发送诊断程序，然后将获得的测试数据回送到远程故障诊断系统，经分析、比较、判断得出诊断结论，再将诊断结论和处理意见发送给用户的过程。能够实现远程故障诊断的计算机软硬件系统称为远程故障诊断系统。基于 Web服务的 FMS 远程故障诊断系统的总体结构，如图 2 所示。由于柔性制造系统内在的复杂性和关联性，传统的单因素监测和信息处理已经无法胜任。由图 2 可见，采用的多传感器信息融合技术通过充分合理地选取各种传感器，进而提取对象的有效性信息，充分利用多个传感器资料，通过对它们合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余信息或互补信息依据某种准则来进行组合，从而可以获得被测对象的一致性解释或描述，并可以使该信息系统获得比它的各组成部分的子集所构成的系统更为优越的性能。采用多传感器信息融合技术可以对加工状态进行监视并提供故障情况下的状态信息，通过信息处理技术对状态信息分析提取特征以供监视或故障诊断子系统使用。该技术先对同一层次的信息进行融合，从而可以获得更高层次的信息，再汇入相应的信息融合层次，这样从低层至顶层对多元信息进行整理合并，逐层抽象，最终取得比单一传感器更准确更具体的诊断结果。故障现象诊断知识控制信号功能设备控制器柔性制造系统多传感器信息融合处理多传感器信号采集检测监控单元人机接口基于Web服务的FMS远程故障诊断系统解释模块诊断结果综合知识库公共数据库图 2 系统总体结构系统是集本地诊断和远程诊断为一体的集成诊断系统。首先，由系统的多传感器信号采集单元对数控加工设备、物料储运系统等柔性制造系统的底层功能设备的主要状态信息、可观察的信息、系统出现故障时的故障信息和数据进行采集，然后由多传感器信息融合处理单元对采集到的信号进行融合处理，再由检测监控单元将处理过的信息和 FMS 控制器发出的控制信号写入公共数据库。系统报警和发生故障时，检测监控单元发送控制信号给 FMS 控制器以控制发生故障的功能设备进行停机检查等动作，同时将 FMS 出现故障时人为检测的特征数据和故障现象通过人机接口写入公共数据库。而综合知识库包含有关系统故障的物理知识、经验知识、设备运行过程状态知识、状态监测信息所反映的异常状态的知识以及它们彼此之间联系的知识等。基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统根据公共数据库中的信息和综合知识库中的知识，通过发送SOAP 请求调用地理上分布的各诊断子系统并行地、协调一致地进行多种推理，并将诊断结果和诊断策略返回给用户。对于无法诊断的故障，本系统将启动视频会议子系统召集人类专家进行实时在线交流，人类专家在各种诊断工具的支持下，协同地对 FMS 的故障进行诊断。对于人类专家诊断成功的故障，本系统可以通过例子学习算法实现知识的自动获取，从而扩充现有的综合知识库。由于 FMS 的主要功能设备的控制计算机均具有健全的自诊断功能，能对被控设备的主要硬件故障、软件故障及异常工况进行报警显示和自动诊断，同时上报上一级控制计算机。系统基于各主要功能设备上报的故障自诊断信息以及来自各故障监测装置的报警信息，运用综合知识库中的知识，通过发送 SOAP 消息调用地理上分布的各诊断子系统进行故障分析和诊断，并将最终诊断结果和故障诊断策略显示给用户。4 系统设计与实现4.1 系统软件体系结构柔性制造系统中的诊断对象间通常具有内在的关联性，通常表现为一个诊断对象的征兆并不是由其内部故障所引起的，而是由某一关联对象的故障引发产生的。这种关联性增加了诊断的难度，所以系统采用基于 Web 服务的结构，按照地理位置及功能和结构分解的原则，将问题分布在多个问题求解节点上，每个求解节点构第 12 期 蹇崇军等：基于 Web 服务的 FMS 远程故障诊断系统研究 259成一个服务提供者，多个服务提供者可以并行地、协调一致地求解问题。在具体求解中就表现为多个诊断 Web 服务诊断过程的耦合和关联，从而可以有效地实现并发性、关联性故障的诊断。基于Web 服务技术构建 FMS 远程故障诊断系统中地理上分布的各个诊断子系统，各诊断子系统之间能够实现良好的互操作性和安全性。由于子系统之间既可以通过 WAN 实现网络的物理连接，也可以基于 LAN 运作，因此利用防火墙技术实现安全性控制，这样能有效实现各个子系统的协作并确保系统的安全。采用 Web 服务技术构建的 FMS 远程故障诊断系统软件体系结构如图 3 所示。SOAP over Internet综合知识库公共数据库防火墙 …Internet加工系统诊断子系统物料储运系统诊断子系统控制系统诊断子系统决策子系统视频会议子系统协调管理子系统图 3 系统体系结构在图 3 中的加工系统诊断子系统包括数控车床诊断子系统、数控铣床诊断子系统、数控加工中心机床诊断子系统等；物料储运系统诊断子系统包括机器人诊断子系统、自动小车诊断子系统、自动仓库诊断子系统等。各诊断子系统对外提供 Web 服务。系统中的各诊断子系统首先向协调管理子系统进行注册，由协调管理子系统对系统中的所有子系统进行统一协调管理。在FMS 故障诊断过程中，协调管理子系统首先调用驻留在 FMS 中的自诊断系统进行故障诊断，并将诊断结果保存在公共数据库中。根据公共数据库中的自诊断结果，协调管理子系统调用相应的诊断子系统并行地、协调地进行故障诊断，同时将推理过程中产生的中间结果数据保存在公共数据库中以供其它诊断子系统使用，直至最终得到一套切实可行的诊断策略，并将诊断策略发送给用户。该诊断策略不仅包括诊断顺序、诊断方法，而且包括测量仪器、检测标准、维修措施等。由于本模型采用 Web 服务技术实现，在诊断过程中，因各诊断子系统对相关系统知识的缺乏，可以发送 SOAP 消息请求相应诊断子系统协同诊断。请求子系统在服务器上使用查找服务在名字空间中查找相关诊断子系统，如果要查找的子系统未激活，则请求子系统可以在服务器上动态地加载并激活该子系统，然后调用该子系统的诊断方法。应答子系统基于综合知识库中的知识采用多种推理方法对请求子系统的推理结果进行求解，之后将结果返回给请求子系统。诊断结束后，请求子系统将最终结果传递给决策子系统进行决策。对于无法诊断的故障，协调管理子系统将调用视频会议子系统向人类专家发送诊断请求，从而召集相关人类专家对 FMS 的故障进行协同诊断。由此可见，在 FMS 故障协同诊断过程中，各诊断子系统同时担当了两个角色：既是服务提供者，又是服务请求者。对于请求进行故障协同诊断的子系统而言，该子系统担任服务提供者的角色；当该子系统也无法独自完成故障诊断任务而需其它诊断子系统进行协同诊断时，它又处于服务请求者的角色了。各子系统间通过 SOAP 消息进行协同。4.2 系统实现采用面向对象技术，使用 IBM 公司的 Ratioanl ApplicationDeveloper v6.0 进行软件编程。该开发工具内嵌了 WebSphereApplication Server v6.0 应用服务器，从而可以很方便的将所开发的基于 Web 服务的应用部署在内嵌的应用服务器上，并对其进行测试。其中各子系统通过 JDBC 接口访问后端的公共数据库和综合知识库。在原型系统开发过程中，借助该开发工具可以方便地浏览UDDI 商业注册中心，发现可用于集成的已有 Web 服务，或者将所开发的 Web 服务发布到 UDDI 商业注册中心，以便其它企业可以访问该服务。为了重用已有的 Java beans、EJBs（Enterprise JavaBean）、文档访问定义扩展（Document Access Definition Extension，DADX）文件、DB2 存储过程和 SQL 查询等前期开发成果，将它们转变成 Web 服务，或将其包装成可通过 SOAP 和 HTTPGET/POST进行访问的、以 WSDL 进行描述的服务。此外，借助该开发工具生成的 Web 服务示例应用程序，可以快速地创建 Web 服务客户应用程序，从而大大加快系统开发进程。系统同时还具有良好的扩展性：用户只需要将新增功能模块包装成可通过 SOAP 和 HTTP GET/POST 进行访问的、以 WSDL 进行描述的服务，就可以和系统中的现有其它子系统进行交互。系统向用户提供了可视化的图形用户界面，能较好地进行 FMS 故障的远程协同诊断。5 结束语Web 服务使用普及、开放的标准创建可互操作的分布式应用程序，这使得它非常适合开发 FMS 远程故障诊断系统。采用基于 Web 服务技术的软件设计方法，可以缩短开发周期，降低开发费用，增强软件的重用能力。利用 Web 服务技术构建起来的软件框架具有很好的柔性、可扩展性和开放性，且与其它软件系统有良好的互操作性。依据 Web 服务规范设计并开发的 FMS 远程故障诊断系统，能较好地适应远程故障诊断所需的分布式、异构的计算机网络环境，为确保各诊断子系统的高效协作奠定了良好的基础。系统利用 Intranet/Internet 技术，可以很好地实现资源信息共享并提高故障诊断效率。原型系统运行结果表明，该系统的总体结构设计合理，具有较好的故障远程协同诊断能力。参考文献［1］王润孝，高利辉，等.柔性制造系统（FMS）故障诊断技术研究综述［M］.机械科学与技术，2006，25（2）：19-21.［2］袁洪芳.FMS 设备远程故障诊断技术研究［J］.兵工自动化，2002，21（2）：1-4.［3］蹇崇军，王润孝，等.基于多智能体的 FMS 远程故障诊断系统［J］.计算机工程，2003，29（12）：19-21.［4］史天运，王信义，等.FMS 故障诊断专家系统的研究与开发［J］.北京理工大学学报，1998，18（3）：290-295.［5］顾宁，刘家茂，等.Web Services 原理与研发实践［M］.北京：机械工业出版社，2006.［6］倪晚成，刘连臣，等.Web服务组合方法综述［J］.计算机工程，2008，34（4）：79-81.［7］陈希，楼佩煌.基于 Internet 的远程 FMS 故障诊断系统研究［J］.南京航空航天大学学报，2000，32（1）：57-62.［8］Toguyeni A K et al Models and algorithms for failure diagnosis andrecovery in FMSs［J］.The International Journal of Flexible ManufacturingSystems，2003（15）：57-85.机械设计与制造No.12Dec.2011260

基于Web服务的FMS远程故障诊断系统研究

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/17409/%e5%9f%ba%e4%ba%8eWeb%e6%9c%8d%e5%8a%a1%e7%9a%84FMS%e8%bf%9c%e7%a8%8b%e6%95%85%e9%9a%9c%e8%af%8a%e6%96%ad%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e7%a0%94%e7%a9%b6.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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