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以人为中心的工业物联网互操作关键技术研究

杨林  
【摘要】:人与周边制造环境的信息集成问题已有多种工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)解决方案,但工业物联网人机互操作(Human-IIoT Interoperation)中邻近服务发现与连接还存在很多亟需解决的问题。如在人机服务请求发起阶段,人机互操作中服务建模与需求捕捉的时空动态性问题;在人机服务发现阶段,本地分布式工业物联网服务发现过程中拥塞问题;在人机服务连接阶段,邻近群集设备探测过程中无线连接过载与扫描盲目性问题。论文围绕智能工厂中人机互操作问题,在人机互操作的服务集成、服务发现、服务连接等三个方面展开深入研究,主要工作及创新性成果如下:(1)提出了一种社会化设备对设备(Device-to-device,D2D)的人机互操作架构。针对智能工厂中人机互操作的“扁平化”直接交互需求及时空异构性问题,引入设备社会化网络,构建社会化D2D工业物联网架构;引入智能物件(Smart Objects)中间件技术,开发了一种以人为中心中间件的人机服务与属性封装技术;引入EPCglobal扩展协议,设计了一种服务互操作记录的分布式存储技术,为人机移动性接触与隐式社会关系构建提供数据基础。(2)提出了一种位置触发的按需服务发现方法。针对人邻近区域服务流动性及拥塞问题,构建了一种人机互操作的请求与服务映射系统;引入多代理系统(Multi-agent System)与人工势场理论,构建了一种多代理系统的人机需求势场模型;考虑人机需求中的位置与社会化距离因素,提出了一种分布式工业物联网服务按需发现算法,为目标服务发现提供了选择策略。仿真实验结果表明,所提方法能较好的提升人机互操作的服务均衡性。(3)设计了一种隐式社会关系辅助的服务连接优化策略。针对人邻近区域服务群集导致的目标设备无线连接盲目性问题,考虑人机互操作历史记录中隐含设备链接关系,引入图论与马尔科链路预测模型,提出了一种局部动态社会化D2D图探测方法;引入接触概率模型与社会网络评价指标,设计了一种隐式社会关系随机接触构建算法;借助人机设备隐式社会关系的稳定性,从人机D2D网络能量优化的角度,提出了一种隐式社会关系辅助的服务连接方法,为目标服务的无线扫描与连接提供了优化策略。合成数据集与真实数据集的仿真实验结果表明,所提方法能显著提升人机网络无线通信能效。(4)开发了人机互操作仿真原型系统。针对人与工业物联网服务互操作仿真平台匮乏现状,结合人机服务的位置移动性与互操作历史记录,引入theONE开源框架与Mason多代理仿真工具包,构建了人与工业物联网服务互操作仿真实验平台。选取隐式人机互操作的典型工业应用场景-车间装配线Andon系统,以Chaku-Chaku精益生产中工人与自动导引运输车(Automated Guided Vehicle,AGV)协作搬运为例,分析了隐式人机消息传播对生产线平衡性的潜在价值。仿真实验表明,所提理论方法能够有效提升工业物联网人机互操作系统能效。


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