0  引言

    為實現(xiàn)電能計量器具“整體式授權、自動化檢定,、智能化倉儲,、物流化配送”的目標，國家電網公司所屬省級計量中心利用各類自動化,、信息化技術,，在計量器具的自動化檢定、智能化倉儲等方面進行大量的研究和應用^[1-5],，建立起包含單相電能表檢定系統(tǒng),、三相電能表檢定系統(tǒng)、互感器檢定系統(tǒng),、采集終端檢測系統(tǒng),、智能倉儲系統(tǒng)等“四線一庫”系統(tǒng)，實現(xiàn)了大規(guī)模計量器具的自動化集中檢定檢測,，同時建設了統(tǒng)一的省級計量生產調度平臺,，實現(xiàn)對計量生產和業(yè)務的全方位管控，及計量資產全壽命周期范圍的集約管理和資源優(yōu)化配置^[6],。

    計量器具自動化檢定涉及自動化檢定系統(tǒng),、輸送系統(tǒng)（輸送線或自動導引車AGV）、智能倉儲系統(tǒng)等多個環(huán)節(jié)系統(tǒng),，綜合考慮各環(huán)節(jié)的特點,，實現(xiàn)不同環(huán)節(jié)之間的協(xié)調控制，優(yōu)化各環(huán)節(jié)的任務分配和調度是進一步提高計量生產效率和設備利用率的關鍵,。目前,，針對計量自動化生產系統(tǒng)優(yōu)化調度的問題，已有許多專家開展了相關研究,。文獻[7]利用逐級分層建模方法對自動化檢定過程進行建模和監(jiān)控,，實現(xiàn)虛擬巡檢和協(xié)同故障處理，從而提高生產效率,；文獻[8]提出了一種改進的人工魚群算法,，有效解決了智能立庫的出入庫作業(yè)調度優(yōu)化問題；文獻[9]針對三相電能表外觀,、接線方式等方面的差異,，研發(fā)了基于一體化載表托盤、多重定位技術,、柔性控制技術的柔性檢定系統(tǒng),；文獻[10]和文獻[11]研究了影響檢定流水線運行效率的因素和調度問題數(shù)學模型，并分別提出了基于可拓層次法的改進動態(tài)優(yōu)先級調度策略和改進的遺傳禁忌混合算法,；文獻[12]分析了各環(huán)節(jié)系統(tǒng)之間的相互關系,、影響因子和制約條件,，提出了一種分區(qū)分線體分單元分散調度的優(yōu)化調度策略；文獻[13]分析了電能表檢定項的耗時情況,，提出了提高檢測效率的檢定試驗時間優(yōu)化模型和方案,。

    各網省計量中心通過對“四線一庫”系統(tǒng)采取調整結構布局、優(yōu)化生產節(jié)拍,、全線分段,、增加緩存區(qū)等手段，并由省級計量生產調度平臺實現(xiàn)生產聯(lián)動控制,，在理想狀態(tài)下可達到最大的生產效率和設備利用率,。然而由于“四線一庫”系統(tǒng)的運轉均由各自獨立的作業(yè)系統(tǒng)進行實際控制，生產控制策略彼此獨立且缺乏統(tǒng)一監(jiān)管,，在實際生產過程中當遇到異?；蚬收蠒r因無法實現(xiàn)實時的協(xié)同調度和故障處理，易導致因局部異常而產生的整體產能大幅下降,。針對上述問題,，本文分析了計量自動化檢定生產現(xiàn)狀和問題，通過標準化接入實現(xiàn)業(yè)務交互和數(shù)據融合,，并在一體化生產狀態(tài)實時監(jiān)控基礎上,，基于在線的故障診斷和生產效能評估，動態(tài)地調整生產策略,，實現(xiàn)對自動化生產的柔性調度,。

1  計量自動化生產現(xiàn)狀及問題

    計量自動化生產“四線一庫”系統(tǒng)包括單相電能表檢定系統(tǒng)、三相電能表檢定系統(tǒng),、互感器檢定系統(tǒng),、采集終端檢測系統(tǒng)和智能倉儲系統(tǒng)。按照工藝和應用設備的不同,，目前主要存在自動化流水線和檢定臺+AGV兩種應用模式,。自動化流水線模式主要以自動化檢定流水線為核心，輔以輸送線與智能立庫接駁,。各檢定檢測支線采用并聯(lián)設計,，獨立運轉，互不影響,。計量器具通過輸送線從庫房接駁處輸送到檢定區(qū),，由各類檢定檢測裝置完成身份識別、耐壓測試,、外觀檢查,、功能及誤差檢測、分揀、貼標,、封印等步驟，最后完成組箱組垛并回庫,，全程通過自動化輸送線實現(xiàn)計量器具的流轉,。檢定臺+AGV模式以檢定臺為核心，輔以掛表機器人和AGV搬運車等設備,。計量器具通過AGV從智能立庫接駁處輸送到檢定區(qū),，由掛表機器人掛接到檢定臺的檢定表位上，同時進行身份識別,，檢定臺完成耐壓測試,、功能及誤差檢測后再由AGV輸送到流水線單元，完成外觀檢查,、分揀,、封印、貼標等工序,，最后組箱組垛并回庫,。

    目前，各“四線一庫”計量自動化生產系統(tǒng)實質上都由各自獨立的作業(yè)管理系統(tǒng)進行實際控制和管理,，各系統(tǒng)的生產運行控制策略彼此獨立,，未形成一體化的數(shù)據融合和實時的生產協(xié)同調度。計量自動化生產在應用過程中主要存在以下問題：

    （1）缺乏統(tǒng)一的運行監(jiān)控,，管理人員缺乏對計量檢定資源的實時掌控,，生產異常不易發(fā)現(xiàn)，無法發(fā)揮出最大產能,。

    （2）缺乏實時的生產協(xié)調調度,，在發(fā)生故障時無法對檢定策略根據實際情況進行調整，重新分配生產資源,，導致生產效率下降,。

    （3）缺少對檢定生產各環(huán)節(jié)和總體的生產效能評估，無法定位生產薄弱環(huán)節(jié),，檢定策略優(yōu)化調整缺少決策依據,。

2  柔性調度技術架構

2.1  總體思路

    計量自動化檢定系統(tǒng)是典型的剛性生產系統(tǒng)，可采用更換柔性自動化生產設備,、聯(lián)線技術,、應用自動化控制和管理技術等方式實現(xiàn)柔性生產，由于各網省生產線已經成型,，設備改造難度大,，且生產設施來自多個廠商，設備聯(lián)線的可操作性也不強，因此本文采用的柔性生產調度方法從自動化控制和管理技術入手,，根據自動化生產全過程的實時監(jiān)控結果,，通過動態(tài)地調整生產策略實現(xiàn)柔性的生產調度。

    計量自動化檢定各系統(tǒng)均是按照設定的生產節(jié)拍運作,，生產節(jié)拍反映了檢定設施每完成一只計量器具檢定檢測所花費的時間,，合理設計各生產環(huán)節(jié)的生產節(jié)拍，可保證整個自動化檢定的生產效率,。在實際生產中由于設備異常,、檢定任務切換等原因，各系統(tǒng)很難達到既定的生產節(jié)拍,，因此通過監(jiān)控自動化檢定各系統(tǒng)的實際節(jié)拍并實時地定位生產中的低效薄弱環(huán)節(jié),，是實現(xiàn)柔性生產調度的基礎。以生產節(jié)拍為切入點,，梳理各生產環(huán)節(jié)的影響因素,，基于實時監(jiān)控實現(xiàn)生產資源異常告警和故障診斷；針對實際生產情況動態(tài)地調整生產策略,，并通過監(jiān)測數(shù)據實時驗證和分析比對調整結果,，最終形成柔性生產調度策略庫和聯(lián)動控制方案。

2.2  技術框架

    在省級計量生產調度平臺中通過標準化集成與接入技術,，與各業(yè)務應用系統(tǒng)及生產控制系統(tǒng)的實現(xiàn)業(yè)務對接和數(shù)據融合,，對生產全過程實時監(jiān)控。建立故障診斷模型,，提取和識別異常信息,，并通過建立異常處理機制對異常問題快速定位處理。梳理各生產環(huán)節(jié)影響因素,，建立生產效能評估模型和全過程效能評估方法,，結合監(jiān)控數(shù)據和故障診斷結果以量化手段實時在線評估生產效能。評估結果用于指導生產節(jié)拍和生產策略的調整,，通過比對分析調整前后的實際生產效率,，逐步固化形成優(yōu)化調度策略和協(xié)調控制方案。技術框架如圖1所示,。

    通過抽取“四線一庫”各系統(tǒng)關鍵信息,，形成生產信息集成數(shù)據模型，通過標準化集成和接入接口實現(xiàn)各生產系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據的采集,，業(yè)務數(shù)據則從計量生產調度平臺中獲取,，經信息和數(shù)據融合后實現(xiàn)對生產全過程的實時監(jiān)控。

    為每個生產環(huán)節(jié)制定調度策略,，使各生產系統(tǒng),、各環(huán)節(jié)能夠協(xié)調生產，同時對生產異常和設備異常進行告警。通過建立基于人工神經網絡的故障在線診斷模型,，實現(xiàn)生產設施異常及故障的在線診斷和預警,。

    根據系統(tǒng)的生產流程和各環(huán)節(jié)生產設施的功能的不同，從日常監(jiān)控數(shù)據中找出影響生產效能的關鍵性因素,，建立評價指標,，利用多層次模糊綜合評價方法實現(xiàn)對檢定生產效能的量化評估，避免評價因素的模糊性和不確定性影響最后的評估結果,。

    以生產效能評估結果為基礎，結合實際生產運維經驗,，構建生產策略庫,，將設備層、任務層,、業(yè)務層的控制手段進行統(tǒng)一和整合,，利用省級計量生產調度平臺的自動化控制和管理技術實現(xiàn)“四線一庫”檢定生產的柔性調度，達到優(yōu)化生產的目的,。

3  關鍵技術及難點

3.1  標準化集成與接入

    標準化集成與接入實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據與生產運行數(shù)據的融合,，業(yè)務數(shù)據來自計量生產調度平臺，包括資產檔案,、生產任務信息,、業(yè)務匯總與統(tǒng)計、業(yè)務異常信息等,；生產運行數(shù)據來自各“四線一庫”系統(tǒng),，包括設備運行狀態(tài)、異常告警等,。兩類數(shù)據的數(shù)據頻度和采集方式不同,，通過獨立的前置系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據集成和融合，實現(xiàn)生產全過程監(jiān)控功能,。架構如圖2所示,。

    業(yè)務數(shù)據從計量生產調度平臺中抽取，生產運行數(shù)據通過Web Service方式從“四線一庫”系統(tǒng)中獲取,，在前置系統(tǒng)中根據生產設施監(jiān)控模型進行一體化的數(shù)據轉碼,、匹配和集成后，作為全過程監(jiān)控和生產效能分析的數(shù)據源,。

    多源數(shù)據融合基于全局統(tǒng)一的生產設施身份識別標識編碼,，包括自動化檢定生產單元編碼、智能倉儲生產單元編碼和異常告警編碼等,。自動化檢定生產單元編碼格式為：設備廠商_檢定方式_設備類別_線體編號_單元編號_單元序號,，智能倉儲生產單元編碼格式為：設備廠商_設備類別_區(qū)域編號_單元編號_單元序號，異常告警編碼由設備廠商、設備類別,、單元編號,、序列等組成。根據數(shù)據類型和實時性要求不同,，分別采用定時接口,、狀態(tài)變化接口、異常告警接口上送數(shù)據,。定時接口應用于檢定系統(tǒng)中生產節(jié)拍較短,、切換頻度較高的單元，如外觀檢查,、封印貼標等,，一般數(shù)據上送頻度為分鐘級；狀態(tài)變化接口應用于檢定系統(tǒng)中生產節(jié)拍較長,、切換頻度較低的單元,，如耐壓、誤差檢測等,，只在狀態(tài)或運行數(shù)據發(fā)生變化時一次性打包上送,；異常告警信息實時性要求最高，在檢定系統(tǒng)探測到異?；虍惓,；謴蜁r實時主動上送。數(shù)據交互主要采用Web Service方式,，在數(shù)據量較大時輔以中間數(shù)據庫,，例如在批量上報檢定結論及過程數(shù)據時。根據數(shù)據實時性要求,，數(shù)據處理主要包括批量處理和即時處理兩種方式,，前置系統(tǒng)接收到數(shù)據包后解析并提取設備標識，然后將數(shù)據轉換為統(tǒng)一的處理對象并進行校驗,，如果不通過則返回錯誤信息,；對于周期性上送的數(shù)據，當?shù)竭_既定的時間窗口或緩存的數(shù)據包大小達到閾值時啟動數(shù)據處理,，對于異常告警等數(shù)據則在接收后立即處理,。

3.2  故障在線診斷

    基于計量自動化生產全過程監(jiān)控，建立故障診斷模型,，提取和識別異常信息,，建立異常處理機制，可提高故障檢測定位和處理的及時性,。采用基于人工神經網絡的分析方法,，將初始故障信息訓練學習樣本,，通過故障信號的提取、自動識別和推理實現(xiàn)在線的分析和診斷,。故障在線診斷流程如圖3所示,。

    針對計量自動化生產系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的功能分工，提取和篩選各環(huán)節(jié)監(jiān)測數(shù)據項,，構建計量生產影響因素指標體系,。梳理分析計量生產集中監(jiān)測數(shù)據，選取合適的故障影響因素作為自變量,，故障類別作為因變量,，構建診斷專家?guī)欤收嫌绊懸蛩剡x取故障發(fā)生前和發(fā)生時的所有異常數(shù)據,。

    通常一個故障現(xiàn)象包含多個故障影響因素,，各因素間可能存在高度相關性，通過對故障影響因素進行主成分分析,，消除因素之間的相對共線性，并對高維度變量空間進行降維處理,。計量自動化檢定系統(tǒng)故障在線診斷技術基于主成分分析和BP神經網絡實現(xiàn),，包括建模和診斷兩個階段。在建模階段,，選取故障發(fā)生之前或發(fā)生時存在突變或異常的生產設施狀態(tài)信息,、生產節(jié)拍、故障告警等數(shù)據作為故障影響因素,，應用合并,、剔除、歸類等方法對數(shù)據進行預處理,，例如將故障時間,、運行時長計算合并為故障時間占比，剔除位置坐標等對故障判斷無影響的數(shù)據等,；預處理完成后利用主成分分析法影響因素進行線性組合,，降低向量維度，提高輸入數(shù)據對故障的敏感度,，應用BP神經網絡訓練計算后形成故障診斷模型,。在診斷階段，將實時監(jiān)測數(shù)據作為輸入,，分析提取故障影響因素,，并應用在線診斷模型定位故障原因。

    將故障在線診斷應用于故障預警,，可根據實際需要人工定義診斷周期,，并可隨時進行故障在線診斷與停止診斷,。當診斷出存在故障時，系統(tǒng)給出相應的警示以及診斷出的故障信息,，提示故障處理,；當故障消除，故障診斷狀態(tài)會自動化變更為恢復正常,。診斷出的故障樣本可自動記錄在樣本篩選庫中,，同時將故障樣本的關鍵指標記錄在樣本篩選庫中；對樣本庫進行篩選,，將典型的故障樣本升級至專家?guī)?，并對新增故障樣本重新建模，診斷模型進行修復學習,，進一步完善模型,。

3.3  生產效能評估

    在生產全過程監(jiān)控的基礎上，基于集中監(jiān)測數(shù)據構建生產效能評估模型,，實現(xiàn)對計量檢定生產的量化評估,，為日常生產和運維提供有力支撐。針對計量自動化檢定生產影響因素多,、關系復雜的特點,，采用一種多層次模糊綜合評估方法對生產效能進行評估。計量檢定生產效能體現(xiàn)在生產節(jié)拍,、效率和質量等方面,，因此從生產和管理兩個方面構建生產效能評估指標體系，運行屬性反映生產設施單元的效率,、穩(wěn)定性和生產質量,，管理因素反映了生產安排的計劃性和合理性。以單相電能表自動化檢定為例,，其主要的評估指標如表1所示,。

    評估完成后，將結果反饋到生產環(huán)節(jié)中,，基于生產策略庫和日常運維經驗對生產策略進行調整,。由于策略調整后的生產效能是一種穩(wěn)態(tài)響應，需要一段時間才能體現(xiàn),，因此在達到穩(wěn)態(tài)后,，需要應用新的實時監(jiān)測數(shù)據對檢定生產進行再次評估，判斷策略調整的效果,，之后可重復上述步驟,，以要達到生產效能優(yōu)化的目的。

3.4  柔性調度方法

    面對“四線一庫”系統(tǒng)剛性自動化生產的現(xiàn)狀,，從自動化控制和管理技術入手,，以效能評估結果為基礎,，結合實際生產運維經驗，構建生產策略庫,，將設備層,、任務層、業(yè)務層的控制手段進行統(tǒng)一和整合,，利用現(xiàn)有條件實現(xiàn)“四線一庫”系統(tǒng)的柔性調度,。構建生產策略庫以日常檢定生產經驗為基礎，結合實時監(jiān)測數(shù)據,，旨在當生產數(shù)據發(fā)生變化時,，能夠參照生產策略庫找出對策或觸發(fā)控制手段，也可直接進行干預,，驗證有效后可補充完善柔性調度策略庫,。

    常用的柔性調度協(xié)調控制方法主要有指定任務作業(yè)區(qū)、調節(jié)任務優(yōu)先級,、取消待執(zhí)行任務,、更改計劃數(shù)量或增加臨時計劃等，通過觸發(fā)基本控制手段,，可使某一生產單元的節(jié)拍或整體節(jié)拍發(fā)生改變,，使計量檢定生產重新達到平衡，從而達到優(yōu)化生產的目的,。日常生產中幾種典型場景的柔性調度和協(xié)調控制方案如下。

    （1）生產單元發(fā)生故障,。某一生產單元發(fā)生故障,，對此單元進行“隔離”，即此后生產流程中不在使用此生產單元,，通知檢定系統(tǒng)將生產節(jié)拍降低,，通過控制緩沖區(qū)容量，使倉儲出入庫節(jié)拍緩慢下降,。

    （2）緩沖區(qū)溢出,。緩沖區(qū)內周轉箱過多，導致緩沖區(qū)有充滿的風險,，若緩沖區(qū)還未充滿,，則通知倉儲系統(tǒng)降低出庫節(jié)拍，觀察緩沖區(qū)情況和檢定節(jié)拍,；若緩沖區(qū)接近或已經充滿,，則通知現(xiàn)場人員人工將周轉箱搬下，觀察緩沖區(qū)情況和檢定節(jié)拍,，視情況決定是否降低生產節(jié)拍,。

    （3）檢定任務即將結束,。檢定任務將要結束時，通知現(xiàn)場人員制定檢定任務,，系統(tǒng)控制任務下發(fā)時機,，保證檢定線能夠連續(xù)生產。

    （4）檢定計劃制定不合理,。根據歷史檢定能力進行整個計劃工作時間檢定量的預測,，若與檢定計劃差距較大，則通知檢定人員更正檢定計劃或發(fā)起臨時檢定計劃,。

4  結語

    本文提出了一種基于自動化控制和管理技術實現(xiàn)電能計量器具自動化檢定柔性生產調度的方法,。通過標準化集成及接入技術實現(xiàn)不同系統(tǒng)的融合對接和計量生產全過程實時監(jiān)控，建立了故障在線診斷模型和異常處理機制,，對異常問題快速定位處理,，在生產效能評估的基礎上實現(xiàn)了生產調度策略庫的構建與在線優(yōu)化?；陂L時間的運行數(shù)據可優(yōu)化故障在線診斷和生產效能評估模型,，后續(xù)研究將利用大數(shù)據技術手段提高分析的準確性和及時性，進一步完善協(xié)調控制和柔性生產調度策略庫,。

參考文獻

[1] 張燕, 黃金娟. 電能表智能化檢定流水線系統(tǒng)的研究與應用[J]. 電測與儀表, 2009(12): 74-77. 

[2] 李野, 曹國瑞, 石衛(wèi)平. 單,、三相電能表自動化檢定系統(tǒng)的研究與應用[J]. 科技視界, 2013(23): 149-151. 

[3] 章鹿華, 易忠林, 王思彤, 等. 低壓電流互感器自動化檢定系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 自動化儀表, 2013(12): 48-50. 

[4] 黃奇峰, 蔡奇新, 劉建. 一種超大規(guī)模智能電能表全自動檢定系統(tǒng)設計[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(8): 2149-2151. 

[5] 龍貴山, 劉磊, 劉穎, 等. 電能表自動化檢定及智能倉儲系統(tǒng)研究[J]. 電測與儀表, 2013(5): 95-100. 

[6] 曹志剛, 水樂. 省級計量生產調度平臺面向業(yè)務監(jiān)控設計與實現(xiàn)[J]. 電氣應用, 2015(S2): 850-853, 858. 

[7] 蔡奇新, 邵雪松, 劉建, 等. 電力計量檢定數(shù)字化車間3D動態(tài)感知監(jiān)控技術研究[J]. 電測與儀表, 2015(S1): 147-152. 

[8] 孫衛(wèi)明, 方彥軍, 肖勇, 等. 電能計量設備檢定中心智能立庫調度優(yōu)化研究[J]. 自動化儀表, 2014(9): 1-4. 

[9] 何志強, 王雍, 劉忠, 等. 柔性控制技術在三相智能電能表自動化檢定系統(tǒng)中的應用[J]. 電力測與儀表, 2013(6): 78-82. 

[10] 黃友朋, 方彥軍, 唐猛, 等. 電能計量設備自動檢定流水線調度優(yōu)化研究[J]. 電測與儀表, 2015(18): 41-45. 

[11] 方彥軍, 唐猛. 電能計量設備自動檢定流水線調度優(yōu)化研究[J]. 自動化與儀表, 2014(7): 5-9. 

[12] 蘇慧玲, 劉建, 龔丹, 等. 大規(guī)模電能計量器具智能檢定的優(yōu)化調度策略探討[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015(11): 75-79. 

[13] 周峰, 程瑛穎, 肖冀, 等. 大規(guī)模電能表自動檢定時間優(yōu)化模型設計[J]. 重慶電力高等專科學校學報, 2016(2): 25-27, 48. 

作者信息:

山憲武1,，李新泉1,，于  靜1，劉夢爽1,，冉  懿1,，李魁雨2

（1． 國網新疆電力有限公司電力科學研究院計量中心，新疆 烏魯木齊830000,；

2. 深圳市國電科技通信有限公司,，廣東 深圳518031）