一种基于大数据分析方法的计量数据采集、分析控制系统
技术领域
本发明属于测控技术领域，尤其涉及一种基于大数据分析方法的计量数据采集、分析控制系统。
背景技术
高精密度产品的生产线需要严格的参数控制，其生产线流程通常需要连续的且不可间断的参数监测与控制。虽然产品的生产可以通过流水式大规模工业化实现，但是对于每一个产品而言，为了保证其质量，依然要保证每一次生产过程涉及的多个节点添加的参数处于标准范围。例如，对于参数成分控制的化工产品来说，其化工生产过程极其复杂，伴随着很多尚未探明的物理和化学反应。对连续流程工业而言，维持一个稳定的工况，不仅可以减少事故和次生灾害，也对稳定产品质量、在优化的工况下进行最优成本操作以获得最大经济效益；对于添加组分控制的半导体行业产品生产过程来说，在不同的节点添加不同的其他合金成分，得到的产品截然不同，例如通过不同的添加控制，分别可得到导体、半导体以及超导体；对于食品行业来说，例如，通过该食品处理流程的温度和湿度以及其他参数控制，可以分别得到酒、醋或者酱油等不同产品。
为了保证最终产品的质量，在上述产品的生产线涉及的不同节点中，每一个节点均需要配置多个传感器、测量仪器或者参数控制设备，用于测量该节点处的相关参数，避免单一的节点或者节点计量数据出现问题。然而，如前所述，对于连续流程工业来说，一条生产线通常涉及成千上万个控制节点，而不同的节点即使配置上十个传感器，其获得的计量数据也已经是几十万个。如果产品出现故障，研发人员需要分析这几十万个数据，从中找出故障节点或者故障的传感器，工作量巨大，并且效率很低。这里所指的故障，不仅包括影响装置安全的异常情况(统称为安全故障)，也包括产品质量及最优操作工况的偏离(统称为性能故障)。
申请号为CN201610263402.X的中国发明专利提出基于物理-大数据混合模型的化工生产在线故障检测与诊断技术，在选取目标操作单元后，将对该单元的所有历史数据进行扫描，经过校验参数后，建立事故知识库和参数模型；在后续的在线检测过程中，将在线数据直接导入到参数模型中，经扫描后得出在线数据中的故障数据，发出警报，将故障数据与事故知识库中数据进行对比，得出故障原因。然而，该技术方案并不能解决传感器数据故障的问题。
大数据(big data)是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。大数据分析是指对规模巨大的数据进行分析。大数据可以概括数据量大(Volume)、速度快(Velocity)、类型多(Variety)、价值(Value)、真实性(Veracity)。
综合以上，本发明提出基于大数据分析方法的计量数据采集、分析控制系统。
发明内容
本发明正是为了解决上述多个技术问题而提出的对应有效技术方案。
为了解决高精密度产品的生产线系统的传感器故障问题，本发明提出一种基于大数据分析方法的计量数据采集、分析控制系统。
所述控制系统包括分布于所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点以及一个计量数据采集终点和一个计量数据过滤器节点；至少一个计量数据汇总节点分别连接所述计量数据采集终点与所述计量数据过滤器节点；其中，针对每一个计量数据采集节点设置有Kn个计量仪与对应的计量数据选通器；所述计量数据选通器根据计量数据选通调节信号，选择所述计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线。
所述计量数据分析系统对所述数据传输总线保存的数据以及一个计量数据采集终点和一个计量数据过滤器节点进行大数据分析，从而给出计量数据选通调节信号，最大程度的保证N个计量数据采集节点的计量数据测量准确；在所有计量仪均故障时，则可以准确定位出该故障计量仪对应的计量数据采集节点。
具体来说，在本发明的第一个方面，提出基于大数据分析方法的计量数据采集控制系统，所述控制系统包括分布于所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点以及一个计量数据采集终点和一个计量数据过滤器节点；至少一个计量数据汇总节点分别连接所述计量数据采集终点与所述计量数据过滤器节点。
作为本发明的第一个优点，针对第K个计量数据采集节点，设置有Kn个计量仪，所述Kn个计量仪在第K个计量数据采集节点处采集至少Kn个计量数据；
针对第K个计量数据采集节点，设置有计量数据选通器K，所述计量数据选通器K连接所述Kn个计量仪；
所述计量数据选通器K连接至数据传输总线，所述数据传输总线包括N个数据寄存器；
所述计量数据选通器K根据计量数据选通调节信号选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线，并将其存储到所述N个数据寄存器之一；
作为本发明的第二个优点，在所述计量数据采集终点，获取所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据，并将其发送到与其连接的第一计量数据汇总节点；
所述计量数据过滤器节点接收与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器输出的计量数据，并将其发送到与其连接的第二计量数据汇总节点；
值得指出的是，作为本发明大数据技术的体现，所述控制系统还包括数据集合分析引擎，所述数据集合分析引擎接收所述第一计量数据汇总节点和第二计量数据汇总节点输出，并基于所述所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据，输出所述计量数据选通调节信号。
不同于现有技术每个节点均采用同样数量的冗余传感器配置，在本发明中，K＝1，......，N；Kn与所述K的大小呈反相关，Kn＞2。
这种配置是充分考虑了生产流程线较远的节点传送的数据要经过较长时间，其故障可能性大的情形，因此，需要配置更多数量的测量仪表或者传感器。
其中，所述计量数据选通调节信号为N路独立信号，所述N路独立信号分别作为与所述N个计量数据采集节点连接的计量数据选通器的反馈调节信号。
作为优选，在初始状态下，所述计量数据选通器K随机选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线。
为了方便后续分析系统进行大数据分析，所述计量数据选通器K根据计量数据选通调节信号，选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线，并将其存储到所述N个数据寄存器之一，包括：将所述计量数据进行标准化处理，存储到所述数据寄存器。
在本发明第二个方面，提供一种基于大数据分析方法的计量数据分析系统，所述分析系统基于前述的控制系统采集过程实现。
具体来说，在所述计量数据采集终点保存有所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点对应的计量数据的标准属性值序列；
所述数据集合分析引擎计算所述标准属性值序列与所述计量数据采集终点获取的所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据的差异指标值；
如果所述差异指标值小于第一预定阈值，则所述数据集合分析引擎计算所述标准属性值与所述计量数据过滤器节点接收的与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器输出的计量数据的相似性度量序列；
如果所述相似性度量序列中不存在相似性大于第二预定阈值的值，则所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给对应通路的选通器。
其中，N个计量数据采集节点对应的计量数据的标准属性值序列为S＝{S1，S2，......，SN}；所述计量数据采集终点获取的所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据为J＝{J1，J2，......，JN}；
所述差异指标值Cjs定义如下：
值得指出的是，不同与现有技术在计算差异值时通常采用KL散度值的做法，本发明所述的差异指标值进行了进一步改进，并结合JSD(Jensen-Shannon)散度表达值，从而得到适用于本发明场景的上述差异指标值，这是本发明的贡献之一。
与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器，随机选择所述所述计量数据采集终点保存的所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点之一对应的计量数据，若随机选择的计量数据采集节点为第m个计量数据采集节点，则所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器。
具体的，其中，所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器，所述与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器切换选通信号，使得本次选择的计量仪禁用。
若第m个计量数据采集节点连接的计量仪全部被禁用，则发出警报信号。
作为本发明更重要的改进，如果第m个计量数据采集节点连接的计量仪未被禁用的计量仪仅剩一个，则发出警报信号。
相对应的，其中，针对其他计量数据采集节点连接的计量数据选通器，所述数据集合分析引擎发出随机选通调节信号或者不变信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请计量数据采集控制系统总线示意图；
图2是本申请计量数据分析系统示意图；
图3是本申请计量数据选通调节信号获取示意图；
图4是本申请数据集合分析引擎控制方法示意图。
具体实施例
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1，是本发明一个实施例的计量数据采集控制系统总线示意图。在图1中，为了显示方便，采用虚线的形式省略了多余的部分，例如，计量数据流程线部分采用虚线省略，除第1和2个选通器外，其他第3-n个选通器与对应数据采集节点的分别一一连接也采用省略号表示。
参见图1，计量数据采集控制系统包括一条完整的计量数据流程线。所述计量数据流程线包括1-n个计量数据采集节点。
针对不同的产品生产过程，所述计量数据采集节点可以执行不同的功能。例如，对于精密电子产品，所述计量数据采集节点用于检测到达该节点处的电子产品的特定属性参数，例如电导率、反射率以及电阻值；对于化工产品，所述计量数据采集节点用于监测该节点添加到产品中的组分的属性值，例如成分比例、温度值以及湿度值等；
针对所述计量数据采集节点的每一个，均配置有至少一个计量仪。所述至少一个计量仪用于测量同一个数据采集节点的相关计量参数，例如前述的电子产品的特定属性参数或者化工产品的组分的属性值。
针对所述计量数据采集节点的每一个，配置有计量数据选通器，所述计量数据选通器连接所述计量仪；
在本实施例中，虽然图1中未示出，但是所述计量数据流程线是有向流程线，从起点(第一个计量数据采集节点)、中间节点(第2-n个计量数据采集节点)到终点(计算数据采集终点)；
其中，起点配置的计量仪数量最多，第n个节点配置的计量仪数量最少；终点配置的计量仪为N个。
因此，参见图1，所述控制系统包括分布于所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点以及一个计量数据采集终点和一个计量数据过滤器节点；至少一个计量数据汇总节点分别连接所述计量数据采集终点与所述计量数据过滤器节点。
针对第K个计量数据采集节点，设置有Kn个计量仪，所述Kn个计量仪在第K个计量数据采集节点处采集至少Kn个计量数据；针对第K个计量数据采集节点，设置有计量数据选通器K，所述计量数据选通器K连接所述Kn个计量仪；
所述计量数据选通器K连接至数据传输总线，所述数据传输总线包括N个数据寄存器；
所述计量数据选通器K根据计量数据选通调节信号，选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线，并将其存储到所述N个数据寄存器之一；
在所述计量数据采集终点，获取所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据，并将其发送到与其连接的第一计量数据汇总节点；
所述计量数据过滤器节点接收与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器输出的计量数据，并将其发送到与其连接的第二计量数据汇总节点；
所述控制系统还包括数据集合分析引擎，所述数据集合分析引擎接收所述第一计量数据汇总节点和第二计量数据汇总节点输出，并基于所述所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据，输出所述计量数据选通调节信号；
其中，K＝1，......，N；Kn与所述K的大小呈反相关，Kn＞2。
其中，所述计量数据选通调节信号为N路独立信号，所述N路独立信号分别作为与所述N个计量数据采集节点连接的计量数据选通器的反馈调节信号。
所述计量数据选通器K根据计量数据选通调节信号选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线，并将其存储到所述N个数据寄存器之一，包括：将所述计量数据进行标准化处理，存储到所述数据寄存器。
在初始状态下，所述计量数据选通器K随机选择所述Kn个计量仪之一采集的计量数据输出到所述数据传输总线。
参见图2，是本申请计量数据分析系统示意图。
所述分析系统包括前述控制系统，并且在所述计量数据采集终点保存有所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点对应的计量数据的标准属性值序列；
所述数据集合分析引擎计算所述标准属性值序列与所述计量数据采集终点获取的所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据的差异指标值；
如果所述差异指标值小于第一预定阈值，则所述数据集合分析引擎计算所述标准属性值与所述计量数据过滤器节点接收的与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器输出的计量数据的相似性度量序列；
如果所述相似性度量序列中不存在相似性大于第二预定阈值的值，则所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给对应通路的选通器。
具体而言，在图2基础上，参见图3-4。图3是本申请计量数据选通调节信号获取示意图，图4是本申请数据集合分析引擎控制方法示意图。
N个计量数据采集节点对应的计量数据的标准属性值序列为S＝{S1，S2，......，SN}；所述计量数据采集终点获取的所述数据传输总线的N个数据寄存器存储的计量数据为J＝{J1，J2，......，JN}；
所述差异指标值Cjs定义如下：
与所述计量数据采集终点连接的计量数据选通器，随机选择所述所述计量数据采集终点保存的所述计量数据流程线上的N个计量数据采集节点之一对应的计量数据，若随机选择的计量数据采集节点为第m个计量数据采集节点，则所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器。
所述数据集合分析引擎发出计量数据选通调节信号给与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器，所述与第m个计量数据采集节点连接的计量数据选通器切换选通信号，使得本次选择的计量仪禁用，并且下次选择其他计量仪的数据；针对其他计量数据采集节点连接的计量数据选通器，所述数据集合分析引擎发出随机选通调节信号或者不变信号。
若第m个计量数据采集节点连接的计量仪全部被禁用，则发出警报信号。
值得指出的是，如果计量数据采集节点连接的某个计量仪被禁用，意味着该计量仪不再用于监测数据，当然也不会被该节点连接的计量数据选通器选择。
在本实施例中，虽然未示出，更优选的方案还包括；如果第m个计量数据采集节点连接的计量仪未被禁用的计量仪仅剩一个，则发出警报信号。
本发明的上述技术方案，在某个节点的计量仪采集数据出现异常时，可以迅速禁用当前计量仪，从而保证生产不受影响；如果所有计量仪均被禁用或者数量不足，则发出警报信号，可以直接定位到故障点。
通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。
