基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺及方法與流程

2023-05-10 13:58:46 1

本發明屬於工具機運行狀態信息採集技術領域，尤其涉及一種基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺及方法。

背景技術：

工業4.0、數位化車間的發展對不同類型設備運行狀態信息的採集和獲取提出了迫切的需求。當今的工具機已越來越難滿足市場的需求，具有更高加工質量、加工效率、更強自適應控制、更高可靠性、更強網絡集成能力、更好的動態適應能力等智能化特徵的數控工具機正逐步成為高端數控工具機發展的趨勢。文章「智能工具機發展現狀與技術體系框架」中認為智能工具機是「對其加工製造過程能夠智能輔助決策、自動感知、智能監測、智能調節和智能維護的工具機，從而支持加工製造過程的高效、優質和低耗的多目標優化運行」。因此，智能工具機不僅僅包括傳統的數控工具機本身，還包括各類控制、檢測、物流等附屬設備設施。由於附屬設備類型多種多樣，無法單純地通過現場總線、組態等方式掛接到NC系統中，存在多種不同的通訊方式，需要進行有效的集成。

發明專利CN 104898525 A，名稱為《一種運行狀態信息採集裝置、運行狀態信息採集平臺以及運行狀態信息採集方法》，採用多埠運行狀態信息採集裝置提供了解決不同品牌和種類的設備與運行狀態信息採集裝置之間的通信兼容問題以及所採集數據的本地管理和遠程監控的運行狀態信息採集裝置、運行狀態信息採集平臺以及運行狀態信息採集方法。發明專利CN 102881139 A，名稱為《基於物聯網的數控工具機運行狀態信息採集通信系統》，公開了基於物聯網的數控工具機運行狀態信息採集通信系統，包括運行狀態信息採集裝置、數據通信中繼節點、網絡通信裝置和數據存儲中心等，從而獲取工具機的數據信息，並通過GSM或是GPRS或是3G網絡進行網絡傳輸。發明專利CN 103941081 A，名稱為《一種工具機多能量源的可配置能耗在線監測方法及系統》，採用一種軟體方法對待監測工具機多能量源和多個功率傳感器進行匹配，然後對各功率傳感器採集的電功率數據進行處理和分析，得到待監測工具機及待監測工具機多能量源的能耗信息，對待監測工具機多能量源能耗狀態進行實時在線監測和分析，滿足生產人員對工具機和能量源的能耗信息的需求。

綜上所述，現有技術對於工具機運行狀態信息採集的研究已經考慮到多種設備的通信兼容問題，提出了多埠的硬體採集裝置和多傳感器的配置方法，但是對於多種類型的設備，其通用性難以保證。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺，用以針對多種不同類型的智能工具機及其部件以信息採集插件的方式分別獨立進行其運行狀態信息的採集併集成於統一的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，提供對運行狀態信息的採集參數配置操作，實現對不同類型的智能工具機及其部件的可配置的運行狀態信息採集，從而能夠為上層信息系統提供格式一致的智能工具機及其部件的運行狀態信息，以解決智能工具機運行狀態信息採集的通用性問題。

為實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：

基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺所述智能工具機運行狀態信息採集平臺包括具有標準語義的不同類型的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫，且智能工具機運行狀態信息採集平臺用於對各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件提供加載、集成和支持，並根據所述運行狀態信息採集本體知識庫，通過統一的採集配置操作界面提供對不同類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，並對信息採集插件根據採集配置策略文件所採集的運行狀態信息進行解析和存儲處理；

每種類型的智能工具機及其部件的信息採集插件，是基於相應類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型，建立具有標準語義的相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫作為配置信息採集的基礎數據加以構建而得到，用於與相應類型的智能工具機或其部件建立數據交換；

所述智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的採集配置策略文件以及信息採集插件所採集的運行狀態信息均按照預設定的數據交換要求進行數據封裝和傳輸。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，具體而言，所述智能工具機運行狀態信息採集平臺包括運行狀態信息採集本體知識庫、數據交換轉換模塊、信息採集插件庫、信息採集插件管理模塊、本體知識庫加載模塊、信息採集配置模塊、數據存儲處理模塊和集成框架模塊；

所述運行狀態信息採集本體知識庫用於具有標準語義的不同類型的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量；

所述數據交換格式轉換模塊用於提供對預設定的數據交換要求的生成和解析處理，從而對所生成的採集配置策略文件進行預設定數據交換要求的格式轉換處理，或者對信息採 集插件所採集的運行狀態信息進行預設定數據交換要求的解析處理；

所述信息採集插件庫用於存儲智能工具機運行狀態信息採集平臺所集成的各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件；

所述信息採集插件管理模塊用於對信息採集插件庫的各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件進行插件構建、加載、集成和管理，以提供對信息採集插件的支持；

所述本體知識庫加載模塊用於加載和解析具有標準語義的各不同類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫，並據其獲取各不同類型智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數；

所述信息採集配置模塊用於通過統一的採集配置操作界面提供對不同類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件；

所述數據存儲處理模塊用於對信息採集插件根據採集配置策略文件所採集的各不同類型的智能工具機或其部件的運行狀態信息進行存儲處理；

所述集成框架模塊用於對所述運行狀態信息採集本體知識庫、數據交換轉換模塊、信息採集插件管理模塊、本體知識庫加載模塊、信息採集插件庫、信息採集配置模塊和數據存儲處理模塊及其相互之間的數據交互進行管理和協調調度。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，作為改進方案，所述智能工具機運行狀態信息採集平臺還包括數據發送處理模塊；所述數據發送處理模塊用於外部的數據請求，對數據存儲處理模塊所存儲的智能工具機及其部件的運行狀態信息進行對外發送處理。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，作為改進方案，所述智能工具機運行狀態信息採集平臺還包括網絡服務模塊；所述網絡服務模塊為智能工具機運行狀態信息採集平臺提供網絡服務，從而用以對外設設備提供基於網際網路的數據交互服務。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，具體而言，每個信息採集插件包括插件配置單元、採集配置單元、數據提取單元和數據傳輸單元；

所述插件配置單元用於分配和管理信息採集插件與其對應類型的智能工具機及其部件的硬體連接配置信息，進而獲取相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量數據；

所述採集配置單元用於獲取智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件並加以解析，生成與所述採集配置策略文件所指示配置的採集變量及採集參數相對應的採集指令文件；

所述數據提取單元用於將採集配置單元所解析生成的採集指令文件並轉換為相應的 採集指令，從而根據採集指令執行對相應類型的智能工具機或其部件的運行狀態信息的提取操作；

所述數據傳輸單元用於將提取到的智能工具機或其部件的運行狀態信息按照預設定的數據交換要求存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。

相應地，本發明還提供了基於上述智能工具機運行狀態信息採集平臺的採集方法；為此，本發明採用了如下技術方案：

基於本體的智能工具機運行狀態信息採集方法，利用上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺進行智能工具機或其部件的運行狀態信息採集，具體包括如下步驟：

S1)預先分析確定待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量；

S2)根據待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量，基於相應類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型，建立具有標準語義的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫；

S3)根據具有標準語義的相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫作為配置信息採集的基礎數據，構建得到相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件；

S4)將相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件加載至智能工具機運行狀態信息採集平臺，使得智能工具機運行狀態信息採集平臺對相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件提供集成和支持；

S5)在待採集的智能工具機或其部件與相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件建立數據交換後，由智能工具機運行狀態信息採集平臺通過統一的採集配置操作界面提供對相應類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數按照預設定的數據交換要求生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件；

S6)相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件根據相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，對待採集的智能工具機或其部件進行運行狀態信息的採集，並按照預設定的數據交換要求存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集方法中，作為改進方案，所述步驟S6)之後，還包括：

S7)智能工具機運行狀態信息採集平臺還根據外部的數據請求，對所存儲的智能工具機及其部件的運行狀態信息進行對外發送處理。

上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集方法中，作為改進方案，所述步驟S6)之後，還包括：

S8)智能工具機運行狀態信息採集平臺還提供網絡服務，從而用以對外設設備提供基於網際網路的數據交互服務。

相比於現有技術，本發明具有如下有益效果：

1、本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺，採用不同類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型來構建多種不同類型的智能工具機及其部件以信息採集插件，為各類智能工具機的運行狀態信息採集配置信息提供了統一的信息模型，使得各不同類型的智能工具機及其部件的信息採集插件分別獨立進行其運行狀態信息的採集並加載、集成到統一的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，從語義上保證了一致性和準確性；而後利用多個信息採集插件對其相應類型的智能工具機及其部件進行運行狀態信息採集後存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺，從而實現了對不同類型的智能工具機及其部件的可配置的運行狀態信息採集，解決了智能工具機運行狀態信息採集的通用性問題。

2、在本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，各不同信息採集插件與智能工具機運行狀態信息採集平臺之間通過預設定的數據交換要求進行數據通信，可以設計支持JSON、XML、自定義TXT等多種實現形式，支持多種通訊協議的轉換，進而支持多種設備的運行狀態信息採集，能夠具備良好的兼容性和易用性。

3、在本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中，由於智能工具機運行狀態信息採集平臺提供了插件式的擴展方法，通過統一的接口，可以將不同數控系統、檢測設備、採集裝置、外加通信擴展卡等多種智能工具機部件原有的信息採集程序作為軟體插件集成到該平臺中，便於構建和集成管理，具備良好的可擴展性。

4、本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺及其採集方法中，提供了不同類型設備的可配置和採集變量及採集參數的可配置能力，對於不同類型的設備僅需按照智能工具機運行狀態信息採集平臺的插件接口規範構建相應的信息採集插件，即可通過插件管理模塊進行集成和管理，實現不同類型設備的運行狀態信息採集，使用時，通過統一的數據採集配置界面進行採集變量和採集參數配置，從而按需獲取運行狀態信息，使得運行狀態信息的採集具備了良好的可配置性。

附圖說明

圖1為本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺的構架框圖。

圖2為本發明智能工具機運行狀態信息採集平臺中信息採集插件的構架示意圖。

圖3為本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集方法的流程框圖。

圖4為本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺的運行軟體界面實施示例圖。

具體實施方式

針對智能製造大背景下對數位化車間的數據需求、智能工具機的發展需要和目前智能工具機及其部件(如數控系統、傳感裝置、掃描槍等)多樣化的通訊方式，本發明提出了一種基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺及方法。針對智能工具機及其部件，能夠提供統一的運行狀態信息採集配置、信息採集插件管理和採集交互界面，實現多種類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的有效集成，旨在為製造車間上層管理和信息系統提供同構、一致的智能工具機及其部件運行狀態信息。該方法提供了智能工具機及其部件和可配置採集參數信息的配置管理，可以根據智能工具機的組成情況和不同目的的運行狀態變量情況進行可配置採集參數信息的動態配置，以針對性地獲取智能工具機及其部件的運行狀態信息，適用於不同類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息採集。

基於上述思路，如圖1所示，本發明提供的基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺，該平臺包括具有標準語義的不同類型的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫，且智能工具機運行狀態信息採集平臺用於對各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件提供加載、集成和支持，並根據所述運行狀態信息採集本體知識庫，通過統一的採集配置操作界面提供對不同類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，並對信息採集插件根據採集配置策略文件所採集的運行狀態信息進行解析和存儲處理。在該智能工具機運行狀態信息採集平臺中，每種類型的智能工具機及其部件的信息採集插件，是基於相應類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型，建立具有標準語義的相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫作為配置信息採集的基礎數據加以構建而得到，用於與相應類型的智能工具機或其部件建立數據交換，從而使得信息採集插件根據智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，對相應類型的智能工具機或其部件進行運行狀態信息的採集，並存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的採集配置策略文件以及信息採集插件所採集的運行狀態信息均按照預設定的數據交換要求進行數據封裝和傳輸。在具體實施中，本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺通過軟體編程後加載到計算機上加以運行，即可實現對不同類型的智能工具機及其部件進行運行狀態信息的採集。

為使本發明的目的/技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

智能工具機運行狀態信息採集平臺：

參見圖1，本發明本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺中的智能工具機運行狀態信息採集平臺包括運行狀態信息採集本體知識庫、數據交換轉換模塊、信息採集插件庫、信息採集插件管理模塊、本體知識庫加載模塊、信息採集配置模塊、數據存儲處理模塊和集成框架模塊。

運行狀態信息採集本體知識庫具有標準語義的不同類型的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量。

數據交換格式轉換模塊用於提供對預設定的數據交換要求的生成和解析處理，從而對所生成的採集配置策略文件進行預設定數據交換要求的格式轉換處理，或者對信息採集插件所採集的運行狀態信息進行預設定數據交換要求的解析處理。

所述信息採集插件庫用於存儲智能工具機運行狀態信息採集平臺所集成的各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件。

信息採集插件管理模塊用於對信息採集插件庫的各不同類型的智能工具機及其部件對應的信息採集插件進行插件構建、加載、集成和管理，包括插件新增、配置、更改、刪除和構建指導等，以提供對信息採集插件的支持。針對該模塊，可以設計動態地生成設備配置窗口，用於配置設備基本信息、地址、埠、運行狀態變量地址、採集參數限制等信息，並更新運行狀態信息採集平臺的設備註冊表。設備註冊表用以存儲運行狀態信息採集平臺中可用的設備信息和智能終端通信接口、IP位址、埠等資源使用信息，用於協調和同步運行狀態信息採集平臺各個模塊的設備信息。智能工具機及其部件信息採集插件管理模塊還可以對已有設備進行更改和刪除操作。此外，還可以提供對不同類型設備的信息採集插件的構建指導。

所述本體知識庫加載模塊用於加載和解析具有標準語義的各不同類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫，並據其獲取各不同類型智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數。具體而言，本體知識庫加載模塊對運行狀態信息採集本體知識庫進行解析的具體步驟如下：

1)讀取目標智能工具機及其部件的運行狀態信息採集本體知識庫文件，例如為OWL/XML格式的運行狀態信息採集本體知識庫文件；

2)通過運行狀態信息採集平臺提供的OWL/XML解析函數解析知識庫文件，獲取設備名稱、編號、埠、通信方式等硬體接口信息和運行狀態變量名稱、採集參數、運行狀 態變量地址等運行狀態變量數據；

3)如果用於構建智能工具機及其部件信息採集插件，則所解析的信息用於指導構建過程；

4)如果用於運行狀態信息採集平臺對智能工具機及其部件信息採集插件的管理，則所解析的信息用於生成插件管理模塊中的設備信息配置管理界面和運行狀態信息採集配置模塊中的運行狀態變量可配置管理界面。

信息採集配置模塊用於通過統一的採集配置操作界面提供對不同類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，例如配置運行狀態變量、採集速率、採集周期和採集方式(如連續採集、查詢)等，並根據配置的採集變量及採集參數生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件。可以針對該模塊提供一個動態的數據配置窗口，可以根據本體知識庫加載模塊所解析的狀態變量信息生成採集配置界面，用戶可以針對不同設備的各個採集參數進行配置，生成智能工具機及其部件的設備運行狀態信息採集策略，形成採集配置策略文件。此外，可以進行採集策略管理，包括創建、修改和刪除等。

數據存儲處理模塊用於對信息採集插件根據採集配置策略文件所採集的各不同類型的智能工具機或其部件的運行狀態信息進行存儲處理。該模塊主要用於為設備運行狀態信息採集策略提供包括文本、資料庫等多種存儲方式和實時、定時等多種傳輸方式的配置，滿足上層系統或外部應用的不同數據需要。此外，還可以進一步提供不同的數據分類支持，如按設備、運行狀態變量類型、採集策略、採集速率、相關程度等，以便通過分類進行數據的查詢和提取。

集成框架模塊用於對所述運行狀態信息採集本體知識庫、數據交換轉換模塊、信息採集插件管理模塊、本體知識庫加載模塊、信息採集插件庫、信息採集配置模塊和數據存儲處理模塊及其相互之間的數據交互進行管理和協調調度。

除此之外，智能工具機運行狀態信息採集平臺中還可以包括數據發送處理模塊、網絡服務模塊、OPC UA格式轉換模塊等功能擴展模塊。

數據發送處理模塊用於外部的數據請求，對數據存儲處理模塊所存儲的智能工具機及其部件的運行狀態信息進行對外發送處理。

網絡服務模塊為智能工具機運行狀態信息採集平臺提供網絡服務，從而用以對外設設備提供基於網際網路的數據交互服務，例如運行狀態監測、能耗監控、故障診斷等。

OPC UA格式轉換模塊用於提供所述預設定的數據交換要求與OPC UA數據格式之間的轉換處理，使得所述智能工具機運行狀態信息採集平臺能夠與外設設備進行信息集成和數 據的互聯互通。

信息採集本體模型：

在本發明中，多種不同類型的智能工具機及其部件的信息採集插件，是基於不同類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型和知識庫來加以構建的，所以需要首先定義信息採集本體模型。

由於智能工具機及其部件多種多樣，若要獲取統一的底層數據，必須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協議。針對上述情況，本發明提出了信息採集本體模型，建立了智能工具機運行狀態信息採集領域的公共本體，在保證運行狀態信息採集配置信息語義一致性的前提下，還提供了擴展能力，從而對不同類型設備有較強的通用性和描述能力。信息採集本體模型對智能工具機及其部件運行狀態信息採集所涉及到的智能工具機及其部件等各類設備、智能工具機及其部件的運行狀態變量等進行本體建模，定義了工具機運行狀態信息採集領域中的主要概念，為運行狀態信息採集提供標準語義。在具體實施中，可以採用ZMTDAQ作為智能工具機運行狀態信息採集本體模型的頂層本體類，採用ZDAQDevice、ZDAQDeviceAttribute、ZDAQVariable和ZDAQVariableAttribute等核心本體類分別表示智能工具機及其部件、智能工具機及其部件屬性、運行狀態變量和運行狀態變量屬性。定義了類之間關係，包括「具有屬性」、「具有變量」、「隸屬於」等對象屬性和「具有值」等數據屬性等。應用OWL(Web Ontology Language，網絡本體語言)公理定義了主要類之間的層次結構，形成核心本體模型。在核心本體模型的基礎上，根據特定智能工具機及其部件的特徵，構建其運行狀態信息採集本體知識庫，進而結合具體智能工具機及其部件硬體參數和運行狀態變量的信息構建其信息採集本體知識庫。

智能工具機底層數據有多種類型，包括電量，如主軸功率、主軸電流、進給軸電流、跟蹤誤差、材料去除率等；機械變量，如切削力、加速度、振動等；幾何量，如空間誤差、熱變形、零件表面粗糙度等；此外，還包括溫度、噪聲、溼度甚至圖像等多種類型。從運行狀態變量取值的角度看，可以分為模擬量、數字量、開關量、字符串和其他等五類。其中，有的數據可以直接從數控系統中進行提取，如電流、進給率等；有的可以通過計算得出，如功率、加速度等；有的數據則必須通過外加傳感器的方式測量，如溫度、振動和切削力等。從智能工具機及其部件的角度出發，可以將智能工具機及其部件分為工業控制儀器、傳感設備、傳感裝置、通信擴展設備和智能傳感器等五類，具體如下：

·工業控制設備：

一般具有獨立的作業系統和相對完善的工業控制能力，包括各類數控系統、PLC、工控機(IPC)和工業信息交互終端等。該類設備一般可以通過專用的運行狀態信息採集服 務、標準的工業通訊總線或製造商提供的API進行運行狀態信息採集。

·傳感儀器：

具有特定採集目標的成套傳感儀器。包括功率分析儀、光纖光柵傳感解調儀等。一般可通過對外通信接口提取傳感數據。

·傳感裝置：

通過標準口如RS232、USB等具有特定功能的傳感裝置。包括二維碼掃描槍、IC卡讀卡器等。

·通信擴展設備：

通過通信擴展模塊、RFID、紅外傳感器、二維碼等通信擴展單元或技術對傳統設備進行通信擴展，實現對其的運行狀態信息採集、識別、跟蹤等監控和管理。其中通信擴展方法包括外加通信模塊、微處理器擴展板卡和運行狀態信息採集卡等方式。

·智能傳感器：

自帶數據傳輸功能的傳感器，可以直接獲取數據。

由此，所構建的工具機運行狀態信息採集本體模型的主要類如下(部分)：

所構建的運行狀態信息採集本體模型的主要對象屬性如下(部分)：

所構建的運行狀態信息採集本體模型的主要數據屬性如下(部分)：

智能工具機及其部件信息採集插件的構建方法：

信息採集插件的構建方法為，針對不同類型的智能工具機或部件分別構建相應的信息採集插件。每個信息採集插件的架構如圖2所示，包括插件配置單元、採集配置單元、數據提取單元和數據傳輸單元等。

插件配置單元用於分配和管理信息採集插件與其對應類型的智能工具機及其部件的硬體連接配置信息(如通信接口類型、IP位址、通信接口參數等)，進而獲取相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量數據。

採集配置單元用於獲取智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件並加以解析，生成與所述採集配置策略文件所指示配置的採集變量及採集參數相對應的採集指令文件。

數據提取單元用於將採集配置單元所解析生成的採集指令文件並轉換為相應的採集指令，從而根據採集指令執行對相應類型的智能工具機或其部件的運行狀態信息的提取操作。

數據傳輸單元用於將提取到的智能工具機或其部件的運行狀態信息按照預設定的數據 交換要求存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。

具體實施時，數據提取單元需要針對部件的具體設備類型進行構建。對於數控系統、工控機等工業控制設備、傳感設備以及通過擴展板或擴展模塊改裝的物聯網設備等，需對其生產廠家所提供的數據通信服務或數據接口開發專用的數據伺服器，數據提取單元主要用於與專用的數據伺服器進行通信獲取設備運行狀態數據；具體的通信方式，可以根據數據交換要求與方法進行通信，例如基於JSON的數據交換格式等。對於傳感裝置、物聯網設備和智能傳感器等設備，通過智能工具機運行狀態信息採集平臺的信息採集插件管理模塊對通信接口類型、通信接口地址、通信參數等進行配置，結合信息採集插件的架構構建其數據採集插件。以串口通信為例，通過信息採集插件管理模塊進行串口分配和波特率、校驗位、數據位、停止位等串口參數的配置，實現對串口類設備信息採集插件的可配置。同理，對於其他類型的通信接口也提供了可配置的插件構建方式，無需進行程序開發，提高了實用性。

預設定的數據交換要求：

智能工具機運行狀態信息採集平臺所生成的採集配置策略文件以及信息採集插件所採集的運行狀態信息均按照預設定的數據交換要求進行數據封裝和傳輸。該預設定的數據交換要求，應為本發明中的智能工具機運行狀態信息採集平臺與信息採集插件之間、信息採集插件與數據服務端之間提供數據通信規範，可以支持JSON、XML、自定義TXT等多種實現形式，支持多種通訊協議的轉換，進而支持多種設備的運行狀態信息採集，以使其具備很好的兼容性和易用性。

本發明結合智能工具機運行狀態信息採集平臺的需要，對所規定的數據通信規範提出以下要求：

a.應滿足數據採集的需要，包括採集命令、配置信息和採集數據；

b.應簡潔輕便，易於解析和生成，具有較少的傳輸量；

c.支持可擴展，可以對多種設備、多種採集變量和多種採集參數進行傳輸；

d.支持版本管理，如果升級仍然可以兼容以前的版本。

針對於上述的要求，信息採集插件與智能工具機運行狀態信息採集平臺之間預設定的數據交換要求，可以採用如下定義方式的數據交換格式：

a.定義「標籤名/標籤值」作為數據交換的基本元素；

b.定義標識號、指令名稱、操作、類型、變量、數據值、時間戳、採集狀態、採集參數、採集結果等標籤，提供了對採集變量、採集參數、採集精度要求等的定義和可擴展能力；

c.定義版本號標籤用於版本控制。該方法支持JSON、XML、自定義TXT等多種實現形式，支持TCP、UDP、串行通信等多種通信協議。

本發明給出了一種基於JSON的數據交換格式作為信息採集插件與智能工具機運行狀態信息採集平臺之間預設定數據交換要求的一種實現形式，定義了11個標籤作為數據包的基本元素，即「標籤名/標籤值」，每個數據包由這11個的「標籤名/標籤值」的子集組成，即數據包中的每個的「標籤名/標籤值」必定是上述11個中之一，但不一定全部包含。每個數據包都是以「{」開始，以「}」終止，標籤名通過「＝」與標籤值相連；標籤值列表使用「，」分隔；「標籤名/標籤值」之間使用「；」分隔。其示例數據交換格式的基本元素如下表所示：

該基於JSON的數據交換格式以數據報的形式進行數據傳輸，例如如下示例：

基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺及方法：

如圖3所示，本發明基於本體的智能工具機運行狀態信息採集方法，是利用上述基於本體的智能工具機運行狀態信息採集平臺進行智能工具機或其部件的運行狀態信息採集，具體包 括如下步驟：

S1)預先分析確定待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量，例如智能工具機及其部件類型、接口、運行狀態變量、採集參數等。

S2)根據待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量，基於相應類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型，建立具有標準語義的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫。

S3)根據具有標準語義的相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫作為配置信息採集的基礎數據，構建得到相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件。

S4)將相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件加載至智能工具機運行狀態信息採集平臺，使得智能工具機運行狀態信息採集平臺對相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件提供集成和支持。對於需要開發獨立數據服務端的設備，還需要將數據服務端安裝在該設備的作業系統中。在進行初始化和配置之後，進行硬體連接和軟體集成與支持測試，在運行狀態信息採集模塊進行採集參數配置和支持測試，以確保插件和設備的有效集成。

S5)在待採集的智能工具機或其部件與相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件建立數據交換後，由智能工具機運行狀態信息採集平臺通過統一的採集配置操作界面提供對相應類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數按照預設定的數據交換要求生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件。所配置的採集參數可以設計通過基於JSON的數據交換格式下發，信息採集插件進行解析、執行和返回數據。若更新了所配置的採集參數，形成了新的採集配置策略文件，則按照新的採集配置策略文件進行採集。

S6)相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件根據相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，對待採集的智能工具機或其部件進行運行狀態信息的採集，並按照預設定的數據交換要求存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。

此外，如果智能工具機運行狀態信息採集平臺還包括有數據發送處理模塊、網絡服務模塊和OPC UA格式轉換模塊，則在上述步驟S6)之後，還可以包括如下步驟：

S7)智能工具機運行狀態信息採集平臺還根據外部的數據請求，對所存儲的智能工具機及其部件的運行狀態信息進行對外發送處理。

S8)智能工具機運行狀態信息採集平臺還提供網絡服務，從而用以對外設設備提供基於網際網路的數據交互服務(例如運行狀態監測、能耗監控、故障診斷等)。

S9)智能工具機運行狀態信息採集平臺還提供所述預設定的數據交換要求與OPC UA數據格式之間的轉換處理，能夠與外設設備進行信息集成和數據的互聯互通。

其中，數據發送處理模塊、網絡服務模塊和OPC UA格式轉換模塊分別對應提供上述步驟S7)、S8)和S9)的功能，且在智能工具機運行狀態信息採集平臺上可以任意選擇數據發送處理模塊、網絡服務模塊和OPC UA格式轉換模塊之中的任意一種或幾種進行配置，用以提供相應的功能服務。

實施案例：

對重慶某工具機廠生產的智能滾齒機YS3120CNC5及其附屬設備(包括光纖光柵溫度及應變傳感器、二維碼掃描槍等)為實施對象，對本發明方法作進一步詳細說明。本發明實施案例的硬體系統採用重慶海特克公司生產的iTouch-150-TA智能終端(帶串口、網口、USB等多種通信埠及觸控螢幕等)；軟體系統的開發工具採用Qt 5.4，資料庫採用Sqlite 3。

S1)預先分析確定待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量。

智能滾齒機採用SIEMENS 840D SL的數控系統，提供了二次開發包，可通過提供的API進行數據提取。該智能滾齒機配備了光纖光柵傳感器用於溫度和應變的監測，所採用的光纖光柵傳感分析儀基於Linux系統開發，支持TCP/IP協議的數據傳輸，其生產廠家提供了數據實時傳輸的服務。該智能滾齒機配備了二維碼掃描槍作為滾刀、夾具、齒坯的讀碼裝置，採用串口進行通信，構建其串口通信插件進行讀取。部件主要配置信息如下表：

S2)根據待採集的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量，基於相應類型的智能工具機及其部件的硬體參數和運行狀態變量的信息採集本體模型，建立具有標準語義的智能工具機及其部件信息採集相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫。

本實施案例採用Protégé4.3工具軟體，根據本發明提出的信息採集本體模型和智能滾齒機、光纖光柵傳感設備以及二維碼掃描槍的硬體參數信息構建各自的智能工具機及其部件的信息採集本體知識庫。

S3)根據具有標準語義的相應類型的智能工具機及其部件運行狀態相關的硬體接口信息和運行狀態變量的運行狀態信息採集本體知識庫作為配置信息採集的基礎數據，構建得到 相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件。

根據智能滾齒機、光纖光柵傳感設備以及二維碼掃描槍的特徵信息(對於不同部門的人員可以通過本發明中運行狀態信息採集平臺的本體知識庫加載模塊解析S2中建立的知識庫獲取智能工具機及其部件的信息)，結合不同設備的特點，構建其數據提取單元並進一步封裝為特定設備的信息採集插件。

對於SIEMENS 840D SL的數控系統，根據所提供的二次開發包，採用Qt開發其數據服務端並運行於PCU中。然後，開發相應的運行狀態信息採集客戶端作為數據提取單元，將IP位址、NC/PLC地址、採集參數等作為可配置信息形成配置模塊，進而實現信息採集插件。

對於光纖光柵傳感設備，根據其生產廠家提供的數據實時傳輸的服務，開發數據提取單元，並將提供的直接與光纖光柵傳感分析儀進行數據交互的控制指令作為採集配置單元的可配置內容，從而實現信息採集插件。

對於二維碼掃描槍，直接配置串口信息，構建其信息採集插件，其串口資源可通過插件配置單元進行配置。

S4)將相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件加載至智能工具機運行狀態信息採集平臺，使得智能工具機運行狀態信息採集平臺對相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件提供集成和支持。

經智能工具機運行狀態信息採集平臺加載步驟S3)中所構建的信息採集插件後，即可獲取各個信息採集插件的可配置硬體信息、運行狀態變量信息和採集參數信息。此時要進行信息採集插件的集成測試和插件支持測試，前者保證信息採集插件已經成功地集成到平臺中，後者測試對實際運行過程中的智能工具機、光纖光柵傳感設備以及二維碼掃描槍等部件設備的通信支持情況。

S5)在待採集的智能工具機或其部件與相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件建立數據交換後，由智能工具機運行狀態信息採集平臺通過統一的採集配置操作界面提供對相應類型的智能工具機及其部件的運行狀態信息的採集變量及採集參數的配置操作，根據配置的採集變量及採集參數按照預設定的數據交換要求生成相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件。

在智能工具機運行狀態信息採集平臺的設備運行狀態信息採集配置窗口中，可以按設備對運行狀態變量和採集參數進行配置，形成本實施案例的採集配置策略文件。

本實施例分別對智能工具機的工具機狀態、主軸轉速、坐標軸位置、主要電機的啟停及運行情況，光纖光柵傳感設備的基本信息、溫度及應變傳感器的運行狀態信息和二維碼掃描 槍的讀取值等參數進行運行狀態信息採集測試。運行狀態變量的主要信息見下表，其中運行狀態變量名稱中「_」後的第一位數字表示設備，「1」表示NC-840D SL，「2」表示光纖光柵傳感設備，「3」表示二維碼掃描槍。

S6)相應類型的智能工具機及其部件的信息採集插件根據相應類型的智能工具機及其部件的採集配置策略文件，對待採集的智能工具機或其部件進行運行狀態信息的採集，並按照預設定的數據交換要求存儲至智能工具機運行狀態信息採集平臺。

上述的步驟S5)中所採集的數據可以在智能工具機運行狀態信息採集平臺的主窗口中進行顯示，反映關鍵變量的變化情況。圖4給出了智能工具機運行狀態信息採集平臺的軟體運行界面實施示例圖，840D SL數控系統所採集的數據的詳細數據，包括工具機輸入功率、X軸電機和輔助電機實時運行狀態情況。對於步驟S5)中採集策略的全部變量情況，可在數據存儲與傳輸模塊中進行配置，設置存儲和傳輸的格式、時間、方式和變量項目等。

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。