CN106444631B - 基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法，其采用不同类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型来构建多种不同类型的智能机床及其部件以信息采集插件，为各类智能机床的运行状态信息采集配置信息提供了统一的信息模型，使得各不同类型的智能机床及其部件的信息采集插件分别独立进行其运行状态信息的采集并集成于统一的智能机床运行状态信息采集平台中，从语义上保证了一致性和准确性，从而实现了对不同类型的智能机床及其部件的可配置的运行状态信息采集，很好的解决了智能机床运行状态信息采集的通用性问题。

Description

基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法

技术领域

本发明属于机床运行状态信息采集技术领域，尤其涉及一种基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法。

背景技术

工业4.0、数字化车间的发展对不同类型设备运行状态信息的采集和获取提出了迫切的需求。当今的机床已越来越难满足市场的需求，具有更高加工质量、加工效率、更强自适应控制、更高可靠性、更强网络集成能力、更好的动态适应能力等智能化特征的数控机床正逐步成为高端数控机床发展的趋势。文章“智能机床发展现状与技术体系框架”中认为智能机床是“对其加工制造过程能够智能辅助决策、自动感知、智能监测、智能调节和智能维护的机床，从而支持加工制造过程的高效、优质和低耗的多目标优化运行”。因此，智能机床不仅仅包括传统的数控机床本身，还包括各类控制、检测、物流等附属设备设施。由于附属设备类型多种多样，无法单纯地通过现场总线、组态等方式挂接到NC***中，存在多种不同的通讯方式，需要进行有效的集成。

发明专利CN 104898525 A，名称为《一种运行状态信息采集装置、运行状态信息采集平台以及运行状态信息采集方法》，采用多端口运行状态信息采集装置提供了解决不同品牌和种类的设备与运行状态信息采集装置之间的通信兼容问题以及所采集数据的本地管理和远程监控的运行状态信息采集装置、运行状态信息采集平台以及运行状态信息采集方法。发明专利CN 102881139 A，名称为《基于物联网的数控机床运行状态信息采集通信***》，公开了基于物联网的数控机床运行状态信息采集通信***，包括运行状态信息采集装置、数据通信中继节点、网络通信装置和数据存储中心等，从而获取机床的数据信息，并通过GSM或是GPRS或是3G网络进行网络传输。发明专利CN 103941081 A，名称为《一种机床多能量源的可配置能耗在线监测方法及***》，采用一种软件方法对待监测机床多能量源和多个功率传感器进行匹配，然后对各功率传感器采集的电功率数据进行处理和分析，得到待监测机床及待监测机床多能量源的能耗信息，对待监测机床多能量源能耗状态进行实时在线监测和分析，满足生产人员对机床和能量源的能耗信息的需求。

综上所述，现有技术对于机床运行状态信息采集的研究已经考虑到多种设备的通信兼容问题，提出了多端口的硬件采集装置和多传感器的配置方法，但是对于多种类型的设备，其通用性难以保证。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，用以针对多种不同类型的智能机床及其部件以信息采集插件的方式分别独立进行其运行状态信息的采集并集成于统一的智能机床运行状态信息采集平台中，提供对运行状态信息的采集参数配置操作，实现对不同类型的智能机床及其部件的可配置的运行状态信息采集，从而能够为上层信息***提供格式一致的智能机床及其部件的运行状态信息，以解决智能机床运行状态信息采集的通用性问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于本体的智能机床运行状态信息采集平台所述智能机床运行状态信息采集平台包括具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，且智能机床运行状态信息采集平台用于对各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件提供加载、集成和支持，并根据所述运行状态信息采集本体知识库，通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，并对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的运行状态信息进行解析和存储处理；

每种类型的智能机床及其部件的信息采集插件，是基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据加以构建而得到，用于与相应类型的智能机床或其部件建立数据交换；

所述智能机床运行状态信息采集平台所生成的采集配置策略文件以及信息采集插件所采集的运行状态信息均按照预设定的数据交换要求进行数据封装和传输。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，具体而言，所述智能机床运行状态信息采集平台包括运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件库、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集配置模块、数据存储处理模块和集成框架模块；

所述运行状态信息采集本体知识库用于具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量；

所述数据交换格式转换模块用于提供对预设定的数据交换要求的生成和解析处理，从而对所生成的采集配置策略文件进行预设定数据交换要求的格式转换处理，或者对信息采集插件所采集的运行状态信息进行预设定数据交换要求的解析处理；

所述信息采集插件库用于存储智能机床运行状态信息采集平台所集成的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件；

所述信息采集插件管理模块用于对信息采集插件库的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件进行插件构建、加载、集成和管理，以提供对信息采集插件的支持；

所述本体知识库加载模块用于加载和解析具有标准语义的各不同类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，并据其获取各不同类型智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数；

所述信息采集配置模块用于通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件；

所述数据存储处理模块用于对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的各不同类型的智能机床或其部件的运行状态信息进行存储处理；

所述集成框架模块用于对所述运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集插件库、信息采集配置模块和数据存储处理模块及其相互之间的数据交互进行管理和协调调度。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，作为改进方案，所述智能机床运行状态信息采集平台还包括数据发送处理模块；所述数据发送处理模块用于外部的数据请求，对数据存储处理模块所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，作为改进方案，所述智能机床运行状态信息采集平台还包括网络服务模块；所述网络服务模块为智能机床运行状态信息采集平台提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，具体而言，每个信息采集插件包括插件配置单元、采集配置单元、数据提取单元和数据传输单元；

所述插件配置单元用于分配和管理信息采集插件与其对应类型的智能机床及其部件的硬件连接配置信息，进而获取相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量数据；

所述采集配置单元用于获取智能机床运行状态信息采集平台所生成的相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件并加以解析，生成与所述采集配置策略文件所指示配置的采集变量及采集参数相对应的采集指令文件；

所述数据提取单元用于将采集配置单元所解析生成的采集指令文件并转换为相应的采集指令，从而根据采集指令执行对相应类型的智能机床或其部件的运行状态信息的提取操作；

所述数据传输单元用于将提取到的智能机床或其部件的运行状态信息按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

相应地，本发明还提供了基于上述智能机床运行状态信息采集平台的采集方法；为此，本发明采用了如下技术方案：

基于本体的智能机床运行状态信息采集方法，利用上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台进行智能机床或其部件的运行状态信息采集，具体包括如下步骤：

S1)预先分析确定待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量；

S2)根据待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量，基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库；

S3)根据具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据，构建得到相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件；

S4)将相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件加载至智能机床运行状态信息采集平台，使得智能机床运行状态信息采集平台对相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件提供集成和支持；

S5)在待采集的智能机床或其部件与相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件建立数据交换后，由智能机床运行状态信息采集平台通过统一的采集配置操作界面提供对相应类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数按照预设定的数据交换要求生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件；

S6)相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件根据相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，对待采集的智能机床或其部件进行运行状态信息的采集，并按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集方法中，作为改进方案，所述步骤S6)之后，还包括：

S7)智能机床运行状态信息采集平台还根据外部的数据请求，对所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

上述基于本体的智能机床运行状态信息采集方法中，作为改进方案，所述步骤S6)之后，还包括：

S8)智能机床运行状态信息采集平台还提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，采用不同类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型来构建多种不同类型的智能机床及其部件以信息采集插件，为各类智能机床的运行状态信息采集配置信息提供了统一的信息模型，使得各不同类型的智能机床及其部件的信息采集插件分别独立进行其运行状态信息的采集并加载、集成到统一的智能机床运行状态信息采集平台中，从语义上保证了一致性和准确性；而后利用多个信息采集插件对其相应类型的智能机床及其部件进行运行状态信息采集后存储至智能机床运行状态信息采集平台，从而实现了对不同类型的智能机床及其部件的可配置的运行状态信息采集，解决了智能机床运行状态信息采集的通用性问题。

2、在本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，各不同信息采集插件与智能机床运行状态信息采集平台之间通过预设定的数据交换要求进行数据通信，可以设计支持JSON、XML、自定义TXT等多种实现形式，支持多种通讯协议的转换，进而支持多种设备的运行状态信息采集，能够具备良好的兼容性和易用性。

3、在本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台中，由于智能机床运行状态信息采集平台提供了插件式的扩展方法，通过统一的接口，可以将不同数控***、检测设备、采集装置、外加通信扩展卡等多种智能机床部件原有的信息采集程序作为软件插件集成到该平台中，便于构建和集成管理，具备良好的可扩展性。

4、本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及其采集方法中，提供了不同类型设备的可配置和采集变量及采集参数的可配置能力，对于不同类型的设备仅需按照智能机床运行状态信息采集平台的插件接口规范构建相应的信息采集插件，即可通过插件管理模块进行集成和管理，实现不同类型设备的运行状态信息采集，使用时，通过统一的数据采集配置界面进行采集变量和采集参数配置，从而按需获取运行状态信息，使得运行状态信息的采集具备了良好的可配置性。

附图说明

图1为本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台的构架框图。

图2为本发明智能机床运行状态信息采集平台中信息采集插件的构架示意图。

图3为本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集方法的流程框图。

图4为本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台的运行软件界面实施示例图。

具体实施方式

针对智能制造大背景下对数字化车间的数据需求、智能机床的发展需要和目前智能机床及其部件(如数控***、传感装置、扫描枪等)多样化的通讯方式，本发明提出了一种基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法。针对智能机床及其部件，能够提供统一的运行状态信息采集配置、信息采集插件管理和采集交互界面，实现多种类型的智能机床及其部件的运行状态信息的有效集成，旨在为制造车间上层管理和信息***提供同构、一致的智能机床及其部件运行状态信息。该方法提供了智能机床及其部件和可配置采集参数信息的配置管理，可以根据智能机床的组成情况和不同目的的运行状态变量情况进行可配置采集参数信息的动态配置，以针对性地获取智能机床及其部件的运行状态信息，适用于不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息采集。

基于上述思路，如图1所示，本发明提供的基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，该平台包括具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，且智能机床运行状态信息采集平台用于对各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件提供加载、集成和支持，并根据所述运行状态信息采集本体知识库，通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，并对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的运行状态信息进行解析和存储处理。在该智能机床运行状态信息采集平台中，每种类型的智能机床及其部件的信息采集插件，是基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据加以构建而得到，用于与相应类型的智能机床或其部件建立数据交换，从而使得信息采集插件根据智能机床运行状态信息采集平台所生成的相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，对相应类型的智能机床或其部件进行运行状态信息的采集，并存储至智能机床运行状态信息采集平台。智能机床运行状态信息采集平台所生成的采集配置策略文件以及信息采集插件所采集的运行状态信息均按照预设定的数据交换要求进行数据封装和传输。在具体实施中，本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集平台通过软件编程后加载到计算机上加以运行，即可实现对不同类型的智能机床及其部件进行运行状态信息的采集。

为使本发明的目的/技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

智能机床运行状态信息采集平台：

参见图1，本发明本体的智能机床运行状态信息采集平台中的智能机床运行状态信息采集平台包括运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件库、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集配置模块、数据存储处理模块和集成框架模块。

运行状态信息采集本体知识库具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量。

数据交换格式转换模块用于提供对预设定的数据交换要求的生成和解析处理，从而对所生成的采集配置策略文件进行预设定数据交换要求的格式转换处理，或者对信息采集插件所采集的运行状态信息进行预设定数据交换要求的解析处理。

所述信息采集插件库用于存储智能机床运行状态信息采集平台所集成的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件。

信息采集插件管理模块用于对信息采集插件库的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件进行插件构建、加载、集成和管理，包括插件新增、配置、更改、删除和构建指导等，以提供对信息采集插件的支持。针对该模块，可以设计动态地生成设备配置窗口，用于配置设备基本信息、地址、端口、运行状态变量地址、采集参数限制等信息，并更新运行状态信息采集平台的设备注册表。设备注册表用以存储运行状态信息采集平台中可用的设备信息和智能终端通信接口、IP地址、端口等资源使用信息，用于协调和同步运行状态信息采集平台各个模块的设备信息。智能机床及其部件信息采集插件管理模块还可以对已有设备进行更改和删除操作。此外，还可以提供对不同类型设备的信息采集插件的构建指导。

所述本体知识库加载模块用于加载和解析具有标准语义的各不同类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，并据其获取各不同类型智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数。具体而言，本体知识库加载模块对运行状态信息采集本体知识库进行解析的具体步骤如下：

1)读取目标智能机床及其部件的运行状态信息采集本体知识库文件，例如为OWL/XML格式的运行状态信息采集本体知识库文件；

2)通过运行状态信息采集平台提供的OWL/XML解析函数解析知识库文件，获取设备名称、编号、端口、通信方式等硬件接口信息和运行状态变量名称、采集参数、运行状态变量地址等运行状态变量数据；

3)如果用于构建智能机床及其部件信息采集插件，则所解析的信息用于指导构建过程；

4)如果用于运行状态信息采集平台对智能机床及其部件信息采集插件的管理，则所解析的信息用于生成插件管理模块中的设备信息配置管理界面和运行状态信息采集配置模块中的运行状态变量可配置管理界面。

信息采集配置模块用于通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，例如配置运行状态变量、采集速率、采集周期和采集方式(如连续采集、查询)等，并根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件。可以针对该模块提供一个动态的数据配置窗口，可以根据本体知识库加载模块所解析的状态变量信息生成采集配置界面，用户可以针对不同设备的各个采集参数进行配置，生成智能机床及其部件的设备运行状态信息采集策略，形成采集配置策略文件。此外，可以进行采集策略管理，包括创建、修改和删除等。

数据存储处理模块用于对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的各不同类型的智能机床或其部件的运行状态信息进行存储处理。该模块主要用于为设备运行状态信息采集策略提供包括文本、数据库等多种存储方式和实时、定时等多种传输方式的配置，满足上层***或外部应用的不同数据需要。此外，还可以进一步提供不同的数据分类支持，如按设备、运行状态变量类型、采集策略、采集速率、相关程度等，以便通过分类进行数据的查询和提取。

集成框架模块用于对所述运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集插件库、信息采集配置模块和数据存储处理模块及其相互之间的数据交互进行管理和协调调度。

除此之外，智能机床运行状态信息采集平台中还可以包括数据发送处理模块、网络服务模块、OPC UA格式转换模块等功能扩展模块。

数据发送处理模块用于外部的数据请求，对数据存储处理模块所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

网络服务模块为智能机床运行状态信息采集平台提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务，例如运行状态监测、能耗监控、故障诊断等。

OPC UA格式转换模块用于提供所述预设定的数据交换要求与OPC UA数据格式之间的转换处理，使得所述智能机床运行状态信息采集平台能够与外设设备进行信息集成和数据的互联互通。

信息采集本体模型：

在本发明中，多种不同类型的智能机床及其部件的信息采集插件，是基于不同类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型和知识库来加以构建的，所以需要首先定义信息采集本体模型。

由于智能机床及其部件多种多样，若要获取统一的底层数据，必须要提供具有一致性的信息模型和兼容不同通信方式的通信协议。针对上述情况，本发明提出了信息采集本体模型，建立了智能机床运行状态信息采集领域的公共本体，在保证运行状态信息采集配置信息语义一致性的前提下，还提供了扩展能力，从而对不同类型设备有较强的通用性和描述能力。信息采集本体模型对智能机床及其部件运行状态信息采集所涉及到的智能机床及其部件等各类设备、智能机床及其部件的运行状态变量等进行本体建模，定义了机床运行状态信息采集领域中的主要概念，为运行状态信息采集提供标准语义。在具体实施中，可以采用ZMTDAQ作为智能机床运行状态信息采集本体模型的顶层本体类，采用ZDAQDevice、ZDAQDeviceAttribute、ZDAQVariable和ZDAQVariableAttribute等核心本体类分别表示智能机床及其部件、智能机床及其部件属性、运行状态变量和运行状态变量属性。定义了类之间关系，包括“具有属性”、“具有变量”、“隶属于”等对象属性和“具有值”等数据属性等。应用OWL(Web Ontology Language，网络本体语言)公理定义了主要类之间的层次结构，形成核心本体模型。在核心本体模型的基础上，根据特定智能机床及其部件的特征，构建其运行状态信息采集本体知识库，进而结合具体智能机床及其部件硬件参数和运行状态变量的信息构建其信息采集本体知识库。

智能机床底层数据有多种类型，包括电量，如主轴功率、主轴电流、进给轴电流、跟踪误差、材料去除率等；机械变量，如切削力、加速度、振动等；几何量，如空间误差、热变形、零件表面粗糙度等；此外，还包括温度、噪声、湿度甚至图像等多种类型。从运行状态变量取值的角度看，可以分为模拟量、数字量、开关量、字符串和其他等五类。其中，有的数据可以直接从数控***中进行提取，如电流、进给率等；有的可以通过计算得出，如功率、加速度等；有的数据则必须通过外加传感器的方式测量，如温度、振动和切削力等。从智能机床及其部件的角度出发，可以将智能机床及其部件分为工业控制仪器、传感设备、传感装置、通信扩展设备和智能传感器等五类，具体如下：

·工业控制设备：

一般具有独立的操作***和相对完善的工业控制能力，包括各类数控***、PLC、工控机(IPC)和工业信息交互终端等。该类设备一般可以通过专用的运行状态信息采集服务、标准的工业通讯总线或制造商提供的API进行运行状态信息采集。

·传感仪器：

具有特定采集目标的成套传感仪器。包括功率分析仪、光纤光栅传感解调仪等。一般可通过对外通信接口提取传感数据。

·传感装置：

通过标准口如RS232、USB等具有特定功能的传感装置。包括二维码扫描枪、IC卡读卡器等。

·通信扩展设备：

通过通信扩展模块、RFID、红外传感器、二维码等通信扩展单元或技术对传统设备进行通信扩展，实现对其的运行状态信息采集、识别、跟踪等监控和管理。其中通信扩展方法包括外加通信模块、微处理器扩展板卡和运行状态信息采集卡等方式。

·智能传感器：

自带数据传输功能的传感器，可以直接获取数据。

由此，所构建的机床运行状态信息采集本体模型的主要类如下(部分)：

所构建的运行状态信息采集本体模型的主要对象属性如下(部分)：

所构建的运行状态信息采集本体模型的主要数据属性如下(部分)：

智能机床及其部件信息采集插件的构建方法：

信息采集插件的构建方法为，针对不同类型的智能机床或部件分别构建相应的信息采集插件。每个信息采集插件的架构如图2所示，包括插件配置单元、采集配置单元、数据提取单元和数据传输单元等。

插件配置单元用于分配和管理信息采集插件与其对应类型的智能机床及其部件的硬件连接配置信息(如通信接口类型、IP地址、通信接口参数等)，进而获取相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量数据。

采集配置单元用于获取智能机床运行状态信息采集平台所生成的相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件并加以解析，生成与所述采集配置策略文件所指示配置的采集变量及采集参数相对应的采集指令文件。

数据提取单元用于将采集配置单元所解析生成的采集指令文件并转换为相应的采集指令，从而根据采集指令执行对相应类型的智能机床或其部件的运行状态信息的提取操作。

数据传输单元用于将提取到的智能机床或其部件的运行状态信息按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

具体实施时，数据提取单元需要针对部件的具体设备类型进行构建。对于数控***、工控机等工业控制设备、传感设备以及通过扩展板或扩展模块改装的物联网设备等，需对其生产厂家所提供的数据通信服务或数据接口开发专用的数据服务器，数据提取单元主要用于与专用的数据服务器进行通信获取设备运行状态数据；具体的通信方式，可以根据数据交换要求与方法进行通信，例如基于JSON的数据交换格式等。对于传感装置、物联网设备和智能传感器等设备，通过智能机床运行状态信息采集平台的信息采集插件管理模块对通信接口类型、通信接口地址、通信参数等进行配置，结合信息采集插件的架构构建其数据采集插件。以串口通信为例，通过信息采集插件管理模块进行串口分配和波特率、校验位、数据位、停止位等串口参数的配置，实现对串口类设备信息采集插件的可配置。同理，对于其他类型的通信接口也提供了可配置的插件构建方式，无需进行程序开发，提高了实用性。

预设定的数据交换要求：

智能机床运行状态信息采集平台所生成的采集配置策略文件以及信息采集插件所采集的运行状态信息均按照预设定的数据交换要求进行数据封装和传输。该预设定的数据交换要求，应为本发明中的智能机床运行状态信息采集平台与信息采集插件之间、信息采集插件与数据服务端之间提供数据通信规范，可以支持JSON、XML、自定义TXT等多种实现形式，支持多种通讯协议的转换，进而支持多种设备的运行状态信息采集，以使其具备很好的兼容性和易用性。

本发明结合智能机床运行状态信息采集平台的需要，对所规定的数据通信规范提出以下要求：

a.应满足数据采集的需要，包括采集命令、配置信息和采集数据；

b.应简洁轻便，易于解析和生成，具有较少的传输量；

c.支持可扩展，可以对多种设备、多种采集变量和多种采集参数进行传输；

d.支持版本管理，如果升级仍然可以兼容以前的版本。

针对于上述的要求，信息采集插件与智能机床运行状态信息采集平台之间预设定的数据交换要求，可以采用如下定义方式的数据交换格式：

a.定义“标签名/标签值”作为数据交换的基本元素；

b.定义标识号、指令名称、操作、类型、变量、数据值、时间戳、采集状态、采集参数、采集结果等标签，提供了对采集变量、采集参数、采集精度要求等的定义和可扩展能力；

c.定义版本号标签用于版本控制。该方法支持JSON、XML、自定义TXT等多种实现形式，支持TCP、UDP、串行通信等多种通信协议。

本发明给出了一种基于JSON的数据交换格式作为信息采集插件与智能机床运行状态信息采集平台之间预设定数据交换要求的一种实现形式，定义了11个标签作为数据包的基本元素，即“标签名/标签值”，每个数据包由这11个的“标签名/标签值”的子集组成，即数据包中的每个的“标签名/标签值”必定是上述11个中之一，但不一定全部包含。每个数据包都是以“{”开始，以“}”终止，标签名通过“＝”与标签值相连；标签值列表使用“，”分隔；“标签名/标签值”之间使用“；”分隔。其示例数据交换格式的基本元素如下表所示：

该基于JSON的数据交换格式以数据报的形式进行数据传输，例如如下示例：

基于本体的智能机床运行状态信息采集平台及方法：

如图3所示，本发明基于本体的智能机床运行状态信息采集方法，是利用上述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台进行智能机床或其部件的运行状态信息采集，具体包括如下步骤：

S1)预先分析确定待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量，例如智能机床及其部件类型、接口、运行状态变量、采集参数等。

S2)根据待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量，基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库。

S3)根据具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据，构建得到相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件。

S4)将相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件加载至智能机床运行状态信息采集平台，使得智能机床运行状态信息采集平台对相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件提供集成和支持。对于需要开发独立数据服务端的设备，还需要将数据服务端安装在该设备的操作***中。在进行初始化和配置之后，进行硬件连接和软件集成与支持测试，在运行状态信息采集模块进行采集参数配置和支持测试，以确保插件和设备的有效集成。

S5)在待采集的智能机床或其部件与相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件建立数据交换后，由智能机床运行状态信息采集平台通过统一的采集配置操作界面提供对相应类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数按照预设定的数据交换要求生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件。所配置的采集参数可以设计通过基于JSON的数据交换格式下发，信息采集插件进行解析、执行和返回数据。若更新了所配置的采集参数，形成了新的采集配置策略文件，则按照新的采集配置策略文件进行采集。

S6)相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件根据相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，对待采集的智能机床或其部件进行运行状态信息的采集，并按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

此外，如果智能机床运行状态信息采集平台还包括有数据发送处理模块、网络服务模块和OPC UA格式转换模块，则在上述步骤S6)之后，还可以包括如下步骤：

S7)智能机床运行状态信息采集平台还根据外部的数据请求，对所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

S8)智能机床运行状态信息采集平台还提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务(例如运行状态监测、能耗监控、故障诊断等)。

S9)智能机床运行状态信息采集平台还提供所述预设定的数据交换要求与OPC UA数据格式之间的转换处理，能够与外设设备进行信息集成和数据的互联互通。

其中，数据发送处理模块、网络服务模块和OPC UA格式转换模块分别对应提供上述步骤S7)、S8)和S9)的功能，且在智能机床运行状态信息采集平台上可以任意选择数据发送处理模块、网络服务模块和OPC UA格式转换模块之中的任意一种或几种进行配置，用以提供相应的功能服务。

实施案例：

对重庆某机床厂生产的智能滚齿机YS3120CNC5及其附属设备(包括光纤光栅温度及应变传感器、二维码扫描枪等)为实施对象，对本发明方法作进一步详细说明。本发明实施案例的硬件***采用重庆海特克公司生产的iTouch-150-TA智能终端(带串口、网口、USB等多种通信端口及触摸屏等)；软件***的开发工具采用Qt 5.4，数据库采用Sqlite 3。

S1)预先分析确定待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量。

智能滚齿机采用SIEMENS 840D SL的数控***，提供了二次开发包，可通过提供的API进行数据提取。该智能滚齿机配备了光纤光栅传感器用于温度和应变的监测，所采用的光纤光栅传感分析仪基于Linux***开发，支持TCP/IP协议的数据传输，其生产厂家提供了数据实时传输的服务。该智能滚齿机配备了二维码扫描枪作为滚刀、夹具、齿坯的读码装置，采用串口进行通信，构建其串口通信插件进行读取。部件主要配置信息如下表：

S2)根据待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量，基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库。

本实施案例采用Protégé4.3工具软件，根据本发明提出的信息采集本体模型和智能滚齿机、光纤光栅传感设备以及二维码扫描枪的硬件参数信息构建各自的智能机床及其部件的信息采集本体知识库。

S3)根据具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据，构建得到相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件。

根据智能滚齿机、光纤光栅传感设备以及二维码扫描枪的特征信息(对于不同部门的人员可以通过本发明中运行状态信息采集平台的本体知识库加载模块解析S2中建立的知识库获取智能机床及其部件的信息)，结合不同设备的特点，构建其数据提取单元并进一步封装为特定设备的信息采集插件。

对于SIEMENS 840D SL的数控***，根据所提供的二次开发包，采用Qt开发其数据服务端并运行于PCU中。然后，开发相应的运行状态信息采集客户端作为数据提取单元，将IP地址、NC/PLC地址、采集参数等作为可配置信息形成配置模块，进而实现信息采集插件。

对于光纤光栅传感设备，根据其生产厂家提供的数据实时传输的服务，开发数据提取单元，并将提供的直接与光纤光栅传感分析仪进行数据交互的控制指令作为采集配置单元的可配置内容，从而实现信息采集插件。

对于二维码扫描枪，直接配置串口信息，构建其信息采集插件，其串口资源可通过插件配置单元进行配置。

S4)将相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件加载至智能机床运行状态信息采集平台，使得智能机床运行状态信息采集平台对相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件提供集成和支持。

经智能机床运行状态信息采集平台加载步骤S3)中所构建的信息采集插件后，即可获取各个信息采集插件的可配置硬件信息、运行状态变量信息和采集参数信息。此时要进行信息采集插件的集成测试和插件支持测试，前者保证信息采集插件已经成功地集成到平台中，后者测试对实际运行过程中的智能机床、光纤光栅传感设备以及二维码扫描枪等部件设备的通信支持情况。

S5)在待采集的智能机床或其部件与相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件建立数据交换后，由智能机床运行状态信息采集平台通过统一的采集配置操作界面提供对相应类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数按照预设定的数据交换要求生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件。

在智能机床运行状态信息采集平台的设备运行状态信息采集配置窗口中，可以按设备对运行状态变量和采集参数进行配置，形成本实施案例的采集配置策略文件。

本实施例分别对智能机床的机床状态、主轴转速、坐标轴位置、主要电机的启停及运行情况，光纤光栅传感设备的基本信息、温度及应变传感器的运行状态信息和二维码扫描枪的读取值等参数进行运行状态信息采集测试。运行状态变量的主要信息见下表，其中运行状态变量名称中“_”后的第一位数字表示设备，“1”表示NC-840D SL，“2”表示光纤光栅传感设备，“3”表示二维码扫描枪。

S6)相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件根据相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，对待采集的智能机床或其部件进行运行状态信息的采集，并按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

上述的步骤S5)中所采集的数据可以在智能机床运行状态信息采集平台的主窗口中进行显示，反映关键变量的变化情况。图4给出了智能机床运行状态信息采集平台的软件运行界面实施示例图，840D SL数控***所采集的数据的详细数据，包括机床输入功率、X轴电机和辅助电机实时运行状态情况。对于步骤S5)中采集策略的全部变量情况，可在数据存储与传输模块中进行配置，设置存储和传输的格式、时间、方式和变量项目等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，其特征在于，所述智能机床运行状态信息采集平台包括具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，且智能机床运行状态信息采集平台用于对各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件提供加载、集成和支持，并根据所述运行状态信息采集本体知识库，通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，并对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的运行状态信息进行解析和存储处理；

每种类型的智能机床及其部件的信息采集插件，是基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据加以构建而得到，用于与相应类型的智能机床或其部件建立数据交换；所述信息采集本体模型对智能机床及其部件运行状态信息采集所涉及到的智能机床及其部件的各类设备、智能机床及其部件的运行状态变量进行本体建模，定义了机床运行状态信息采集领域中的概念，为运行状态信息采集提供标准语义；

所述智能机床运行状态信息采集平台所生成的采集配置策略文件以及信息采集插件所采集的运行状态信息均按照预设定的数据交换要求进行数据封装和传输。

2.根据权利要求1所述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，其特征在于，所述智能机床运行状态信息采集平台包括运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件库、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集配置模块、数据存储处理模块和集成框架模块；

所述运行状态信息采集本体知识库具有标准语义的不同类型的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量；

所述数据交换格式转换模块用于提供对预设定的数据交换要求的生成和解析处理，从而对所生成的采集配置策略文件进行预设定数据交换要求的格式转换处理，或者对信息采集插件所采集的运行状态信息进行预设定数据交换要求的解析处理；

所述信息采集插件库用于存储智能机床运行状态信息采集平台所集成的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件；

所述信息采集插件管理模块用于对信息采集插件库的各不同类型的智能机床及其部件对应的信息采集插件进行插件构建、加载、集成和管理，以提供对信息采集插件的支持；

所述本体知识库加载模块用于加载和解析具有标准语义的各不同类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库，并据其获取各不同类型智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数；

所述信息采集配置模块用于通过统一的采集配置操作界面提供对不同类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件；

所述数据存储处理模块用于对信息采集插件根据采集配置策略文件所采集的各不同类型的智能机床或其部件的运行状态信息进行存储处理；

所述集成框架模块用于对所述运行状态信息采集本体知识库、数据交换转换模块、信息采集插件管理模块、本体知识库加载模块、信息采集插件库、信息采集配置模块和数据存储处理模块及其相互之间的数据交互进行管理和协调调度。

3.根据权利要求2所述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，其特征在于，所述智能机床运行状态信息采集平台还包括数据发送处理模块；

所述数据发送处理模块用于外部的数据请求，对数据存储处理模块所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

4.根据权利要求2所述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，其特征在于，所述智能机床运行状态信息采集平台还包括网络服务模块；

所述网络服务模块为智能机床运行状态信息采集平台提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务。

5.根据权利要求1所述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台，其特征在于，每个信息采集插件包括插件配置单元、采集配置单元、数据提取单元和数据传输单元；

所述插件配置单元用于分配和管理信息采集插件与其对应类型的智能机床及其部件的硬件连接配置信息，进而获取相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量数据；

所述采集配置单元用于获取智能机床运行状态信息采集平台所生成的相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件并加以解析，生成与所述采集配置策略文件所指示配置的采集变量及采集参数相对应的采集指令文件；

所述数据提取单元用于将采集配置单元所解析生成的采集指令文件并转换为相应的采集指令，从而根据采集指令执行对相应类型的智能机床或其部件的运行状态信息的提取操作；

所述数据传输单元用于将提取到的智能机床或其部件的运行状态信息按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

6.基于本体的智能机床运行状态信息采集方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于本体的智能机床运行状态信息采集平台进行智能机床或其部件的运行状态信息采集，具体包括如下步骤：

S1）预先分析确定待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量；

S2）根据待采集的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量，基于相应类型的智能机床及其部件的硬件参数和运行状态变量的信息采集本体模型，建立具有标准语义的智能机床及其部件信息采集相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库；

S3）根据具有标准语义的相应类型的智能机床及其部件运行状态相关的硬件接口信息和运行状态变量的运行状态信息采集本体知识库作为配置信息采集的基础数据，构建得到相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件；

S4）将相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件加载至智能机床运行状态信息采集平台，使得智能机床运行状态信息采集平台对相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件提供集成和支持；

S5）在待采集的智能机床或其部件与相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件建立数据交换后，由智能机床运行状态信息采集平台通过统一的采集配置操作界面提供对相应类型的智能机床及其部件的运行状态信息的采集变量及采集参数的配置操作，根据配置的采集变量及采集参数按照预设定的数据交换要求生成相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件；

S6）相应类型的智能机床及其部件的信息采集插件根据相应类型的智能机床及其部件的采集配置策略文件，对待采集的智能机床或其部件进行运行状态信息的采集，并按照预设定的数据交换要求存储至智能机床运行状态信息采集平台。

7.根据权利要求6所述基于本体的智能机床运行状态信息采集方法，其特征在于，所述步骤S6）之后，还包括：

S7）智能机床运行状态信息采集平台还根据外部的数据请求，对所存储的智能机床及其部件的运行状态信息进行对外发送处理。

8.根据权利要求6所述基于本体的智能机床运行状态信息采集方法，其特征在于，所述步骤S6）之后，还包括：

S8）智能机床运行状态信息采集平台还提供网络服务，从而用以对外设设备提供基于互联网络的数据交互服务。