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(guò)程中承口隨機鑄字進(jìn)行識別，以獲取準確的鑄管編碼字符，為鑄管生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品追蹤提供校驗。在項目實(shí)施前，鑄管行業(yè)尚無(wú)有效的字符識別方案，其難點(diǎn)在于鑄管的生產(chǎn)工藝無(wú)法使用傳統的標簽與RFID技術(shù)，而鑄管鑄字完成后的退火、精整、噴鋅、養生等工藝環(huán)節會(huì )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(guò)程溫度過(guò)高，也使字符識別難度大大增加。一直以來(lái)僅能通過(guò)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，字符識別系統除了包括邊緣側的機械電氣設備、控制系統與機器人系統外，其核心是在邊緣側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設備及系統的數據采集、存儲工作，而且在邊緣側直接對設備數據和圖像進(jìn)行基于深度學(xué)習的人工智能算法處理計算，通過(guò)對大量字符圖像數據的迭代訓練，代替人工實(shí)現在高溫環(huán)境作業(yè)下的殘缺字符結果識別，并將識別直接發(fā)送給云端MES系統，大大節省了云端對數據的處理時(shí)間和資源的占用。本項目依托新興鑄管有限公司陽(yáng)江分公司，首次完成了國內鑄管行業(yè)的穩定字符識別工作，并且達到99%以上的識別準確率。該項目解決方案的成功實(shí)施，標志著(zhù)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(gè)鑄管行業(yè)乃至冶金行業(yè)都具備高價(jià)值的可復制的快速孵化和示范推廣作用。

圖1 邊緣視覺(jué)識別流程

圖2 鑄造視覺(jué)識別系統

圖3 現場(chǎng)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(gè)解決方案的核心架構。它分為運行時(shí)和開(kāi)發(fā)時(shí)兩部分，如圖4所示。 

圖4 邊緣計算ThingOrigin物源平臺

其中，運行時(shí)包括了邊緣控制器、語(yǔ)義數據網(wǎng)絡(luò )、微服務(wù)中間件和控制臺。開(kāi)發(fā)時(shí)包括IDE一體化編程工具。

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

（1）數據語(yǔ)義化融合

ThingOrigin物源平臺支持異構數據庫統一索引，支持OPC UA、Restful API、WebSocket、MQTT等多種數據通訊接口，支持基于語(yǔ)義的數據關(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(wù)接口、支持Kubernate容器化管理、支持邊緣側視覺(jué)處理、邏輯控制和運動(dòng)控制。

（3）縱向分布式部署

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

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

基于語(yǔ)義的數據網(wǎng)絡(luò )Semantic Web，能夠實(shí)現工業(yè)物聯(lián)設備信息的橫向跨系統快速索引與查詢(xún)，為控制對象增加數字化外衣，從而形成對象管理模型?？蓪α悴考?、設備、產(chǎn)線(xiàn)、工作站等重要部件或機器組件形成互聯(lián)互通，構建工業(yè)4.0組 件。它是國內首個(gè)支持網(wǎng)頁(yè)信息與設備實(shí)時(shí)數據的混合呈現的物聯(lián)設備的搜索引擎，高于傳統數據庫的強大查詢(xún)能力，適用于物聯(lián)設備相關(guān)信息追溯與相關(guān)影響查詢(xún)。

微服務(wù)中間件Service Mesh是基于輕量化微服務(wù)架構進(jìn)行業(yè)務(wù)定義，可實(shí)現系統功能的高強性裁剪，以及新功能的即插即用?？刂婆_Console負責邊緣側配置云端資源，配置基礎計算和存儲資源，鏡像和虛擬實(shí)例的生成和監控運行。還可實(shí)現邊緣側一鍵部署邊云協(xié)同業(yè)務(wù)。除此之外，Console還負責邊緣節點(diǎn)的安全、網(wǎng)絡(luò )安全、數據安全和應用安全的監控。

一體化編程工具IDE是基于工業(yè)自動(dòng)化特征，使用復合微服務(wù)抽象任務(wù)級指令?？蓪C器人等工業(yè)自動(dòng)化設備功能組件進(jìn)行建模，實(shí)現控制代碼與物理工藝過(guò)程的映射，實(shí)現任務(wù)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)工藝模板，先預編譯，然后根據硬件平臺實(shí)現代碼生成，實(shí)現工藝級配置，代碼自動(dòng)生成。它是國內首個(gè)支持工業(yè)業(yè)務(wù)語(yǔ)義服務(wù)與語(yǔ)義關(guān)聯(lián)的組態(tài)IDE，兼容輕量級微服務(wù)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(guò)控制臺Console實(shí)現了對邊緣側所需資源的彈性分配，邊緣控制器Console實(shí)現了底層設備的數據采集，包括字符圖像的獲取。語(yǔ)義化數據網(wǎng)絡(luò )Semantic Web實(shí)現了設備間的互聯(lián)互通，通過(guò)一體化編程工具IDE開(kāi)發(fā)了鑄管字符識別監控系統，該系統調用Semantic Web定義好的數據通訊接口實(shí)現對設備的調度控制，通過(guò) ThingOrigin物源平臺提供的視覺(jué)微服務(wù)中間件ServiceMesh，實(shí)現對字符圖像的預處理、字符定位和字符識別工作。最后，通過(guò)邊云協(xié)同接口將識別出的字符發(fā)送給云端的MES系統，幫助企業(yè)實(shí)現產(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（3D激光輪廓儀+高清工業(yè)相機）

圖6 基于深度學(xué)習的視覺(jué)識別訓練模型

圖7 邊緣智能識別流程

3 代表性及推廣價(jià)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)生的數據量爆炸式增長(cháng)，緩解了企業(yè)私有云計算數據處理壓力，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為6字節的字符結果，更減少了網(wǎng)絡(luò )環(huán)境帶來(lái)的長(cháng)時(shí)延和數據隱私問(wèn)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)節同樣有所需求，擴大至整個(gè)冶金行業(yè)中的煉鋼、軋鋼、鑄管、鑄件等車(chē)間同樣有大量需要邊緣計算能力來(lái)處理和分析的應用場(chǎng)景存在。因此，本項目解決方案的成功實(shí)施，為后續冶金行業(yè)中應用邊緣計算技術(shù)來(lái)處理實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題提供了技術(shù)的示范效應。

從商業(yè)價(jià)值和社會(huì )價(jià)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(shí)現了生產(chǎn)過(guò)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(dòng)化博覽》2021年2月刊