0 引 言 

隨著信息技術的廣泛發展，生產技術發生了革命性的變化，柔性制造系統(FMS)已逐漸開始在離散制造業中嶄露頭腳。傳統的生產系統由于缺乏信息監測手段，無法隨生產條件及生產目標的改變而動態均衡調整生產，故障事件得不到及時處理，物流缺乏指導，工位連接不暢導致阻塞和缺料事件。條形碼技術以其較低成本，較高的準確性、可靠性及輸入速度快等優點得到了行業的廣泛認可。但隨著高度柔性化系統對數據采集精確度日益提高，同時生產也要求物品實現真正的自動化管理，RFID(射頻識別)技術應運而生。 

與傳統的條形碼識別相比，射頻識別技術有更大的讀寫距離和范圍，可以直接識別生產流水線上移動中的智能吊架標簽，并且避免了條形碼可能受到外部灰塵、油污等環境污染而對識別造成的影響。此外更重要的是射頻識別技術不但可以將射頻標簽的數據讀出，還可以通過終端來進行數據重復寫入。 

文中的應用背景正是基于離散制造業的生產過程實時監控執行系統，采用RF1D的智能識別替代原有的條碼識別技術，使車間管理由繁化簡，更加體現數據采集的實時性及準確性，使生產自動化理念得到了徹底體現。 

1 基于RFID實時監控系統的構成 

圖1描述的生產過程實時監控執行系統的RFID解決方案參考架構分六層實現：數據采集層、RFID邊緣服務器層、數據持久層、企業服務器層、集成層和應用層。 

圖1 生產過程實時監控執行系統的RFID解決方案參考架構圖 

*數據采集層，位于架構的最底層，其閱讀器由觸發器控制，實時采集車間生產線上的產品標簽。 
*RFID邊緣服務器層，邊緣服務器定期輪詢閱讀器(例如，每秒兩次)，以消除重復操作，并執行過濾和設備管理。邊緣服務器還產生AI 事件并將事件發送到上層應用。 
*持久層，負責底層通信數據與上層EP,P數據的持久化操作，并存儲電子標簽事件。 
*企業服務器層，處理及控制企業應用層的業務邏輯，同時提供對持久層的集中管理。 
*企業應用層，提供人機交互界面，實現對業務的操作和管理。 
*集成層，集成現有ERP，通過使用組件服務，最大化已有的業務處理資源。通過抽取、處理、分析不同業務數據，進行數據和業務的整合。 

RFID控制信息通過操作門戶流入集成層，然后流入企業服務器層、持久層、邊緣層，最后通過工位控制器流入閱讀器；而閱讀器獲取的RFID數據則在過濾后順著這個鏈向上傳送。 

2 通信中間件技術模型選擇 

中間件是處于操作系統和應用程序之間的軟件，它是一種獨立的服務程序，分布式應用軟件借助中間件在不同的技術之間共享資源[引。網絡通信中間件應能在不同平臺之間通信，實現分布式系統中可靠的、高效的、實時的跨平臺數據傳輸。通信中間件最常見的三種形式包括：會話編程(如TCP／IP的Socket)、遠程過程調用(RPC)以及消息隊列中間件(MOM，message～oriented middleware)。 

2．1 遠程過程調用(RPC) 
遠程過程調用(RPC)是一種同步對話方式模型 。RPC為客戶機提供向后端服務器申請服務的通信機制，如果你把客戶機／月艮務器應用程序想作是一個分割的程序，則服務器運行數據訪問部分，因為它離數據最近，客戶機則運行數據表示和與用戶交互的前端部分。這樣，遠程過程調用可看作是把分割的程序通過網絡重組的部件。使用RPC通信實質上就是把程序分為主調程序和被調程序兩類，兩者之間以典型的C／S模式進行信息交流。而且主傲調程序一般是同步、基于連接的。 

2．2 會話編程 
會話編程也是一種同步的對話模式。會話通信是在對等的通信雙方之間存在一種基于應用程序的私有邏輯通信，在整個會話過程中一直保持該邏輯連接被通信雙方的應用程序獨占。一個程序也可以同時參加多個對話，當邏輯連接與程序連接關系緊密時，一般采用會話編程。會話編程要求程序間的耦合度很高，因此編程時需過多關注底層通信的細節問題。 

2．3 消息隊列中間件 
消息隊列中間件采用的是異步通信模式，它利用高效可靠的消息傳遞機制進行平臺無關的數據交換，并基于數據通信來進行分布式系統的集成。其實現原理是：消息的發送者把自己想要發送的信息放入一個容器中(Message)，然后把它保存至一個系統公用空間的消息隊列(Message Queue)中；本地或者是異地的消息接收程序再從該隊列中取出發給它的消息進行處理。消息傳遞機制中傳遞的消息由通信雙方商議協定，這樣做的好處是：一方面對數據進行了加密，另一方面采用自己定義的通信格式可以節省傳遞量。此外消息也可以含有時間戳，以便于接收方對某些與時間相關的應用進行處理。消息還可以含有到期時間，它表明如果在指定時間內消息還未到達則作廢。 

2．4 確定模型 
RFID讀寫器每秒能捕捉120 400個信號，產生大量需要處理的數據，為了處理龐大的數據流，必須采用多線程多路技術?？紤]到線程處理的異步及程序的完整、可移植性，以及通信應用程序的松耦合度，系統中通信機制采用了消息隊列服務模型。采用消息隊列的好處有：由于是異步通信，無論是發送方還是接收方都不用等待對方返回成功消息，就可以執行余下的代碼，因而大大地提高了事物處理的能力；在信息傳送過程中，信息發送機制具有一定功能的故障恢復能力；消息傳遞機制使得消息通信的雙方具有不同的物理平臺成為可能。具體解決方案是采用阻塞I／O技術，為每個客戶端打開一個套接字，并為每一客戶創建一個唯一的線程，通過批量信息傳送，將許多請求打包到一個數據包以減輕網絡擁塞，縮短多個請求通過安全層和其他代碼層所需的時間。 

3 邊緣服務器層數據流過濾技術 

邊緣服務器層(簡稱邊緣層)位于企業應用層與通信中間件之間。以保障信息傳送，以及執行任何所需的數據格式轉換。由于通信中間件只保證數據流無差錯實時傳送并不負責對傳輸數據包的解析、分組等復雜工作。因此實時采集的原始數據流經過通信中間件到達邊緣層或由企業應用層下發的指令、數據等信息將交給邊緣層作統一處理。 

3．1 生成ALE事件 
邊緣層處理的數據來源有兩個方向：一種數據導向來于RFID讀寫器采集的數據流，另一種來于企業應用層下發的指令及數據。在分布式事務處理系統中要處理大量事務，常常在系統中要同時做大量的事務。例如在聯機事務處理系統(OLTP )中，每筆事務常常要多臺服務器上的程序順序地協調完成，一旦中間發生某種故障時，不但要完成恢復工作，而且要自動切換系統，達到系統永不停機，實現高可靠性運行；同時要使大量事務在應用服務器能實時并發運行，并進行負載平衡地調度，實現昂貴的可靠性機和大型計算機系統同等的功能，為了實現這個目標，要求系統具有監視和調度整個系統的功能 。因此作為一個事務處理平臺，根據X/OPEN的參數模型規定，應由事務處理中間件、通信處理中間件以及數據存取管理中間件三部分組成。 

本應用中邊緣層將事務處理與數據存取管理做統一調度，通信處理則交由通信中間件執行。事務的生成與執行采用ALE(應用級事件)標準(ALE由EPC—global軟件行動小組中超過100多家的領先企業研究開發，并建立了支持EPC的軟件產品在收集、管理和安排EPC技術在供應鏈中生成的數據時所應采用的方法)。ALE能有助RFID使用者選擇希望接收的RFID數據，避免因接收過量不需要的數據而造成系統超負荷。 

3．2 消息傳遞機制 
由于網絡、異常、人為誤操作等原因，數據可能會出現丟失、差錯、重復等狀況，因此不能保證消息傳遞的“一次發送正確性”。另一方面事務的執行過程：消息在事務化人隊和出隊中，若操作存在不一致性，即一個操作尚未完成，如消息人隊，就不能保證它已經人隊，同樣也不能保證真的處理了出隊。因而在消息傳遞中除了采用異步傳輸模式外，在邊緣層還需設置處理時序，設定保障機制，即與實時更新數據庫建立一種匹配，對數據進行輕量級偵聽檢測。若傳輸數據與數據庫中更新之間存在完美匹配，則將丟棄重復數據，若兩者之間存在完全匹配，則修改丟失或差錯數據項。若兩者不存在匹配，則作為一次新的事務進行提交處理。 

3．3 單點故障的解決 
為了減緩數據流寫人中央數據庫給系統帶來的瓶頸，需要消除集成層的單點故障，可行的辦法是將數據暫時存放在內存，事件完成后將之丟棄或將數據暫時保存在系統文件中，等待一個完整的Au 事件完成后，由應用服務器自動從內存或系統文件中提取數據寫入中央存儲數據庫中。這樣就可大大減少系統對數據庫的依賴性。因此需要合理設置緩存堆棧大小，避免存儲大量數據而導致堆棧溢出，同時應避免過度使用內存空間導致系統出現瓶頸，一般推薦緩存大小應設置為磁盤數據塊的整數倍，本系統中設置為16kB，當緩存數據容量達到16kB時，若一個ALE事件尚未完成，則先將緩存數據寫入數據庫，同時在中央數據庫的臨時表中記錄當前完成操作的日志，以便于下一次提交時事務的確認。若一個AI止事件已經完成而緩存容量尚未達到16kB，則也將數據提交寫入數據庫。 

4 數據流的持久化 

實時監控系統需要收集生產過程中大量的實時數據，并且需對實時事件能及時進行處理，車間實時監控系統同時需要與企業計劃層和數據采集層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令，因此底層與上層頻繁的數據流交互成為系統伸縮和擴展的一個瓶徑，此外計劃層或采集層業務需求的靈活變更也會給系統的維護帶來一定的困難。 

在業務層和關系數據庫之間增加一個健壯的持久層，負責實現對象和關系數據庫之間的映射。利用這個持久層框架的機制，對象與關系數據庫之間的轉換就可以透明地進行，而不用去關心數據庫連接、并發性和事務等問題，即業務層就可以直接獲取或存儲對象，中間的轉換過程就交給框架處理了。這樣就可以避免由于數據庫結構或類中任何一方變化時系統的大幅修改，極大減少了系統層次之間的耦合性，同時高效的緩存數據處理和對象持久化策略可以極大消除系統的瓶徑。 

5 結論 

通過剖析現有離散制造業采用“RFID電子標簽”信息采集模式的優點，進一步通過分析RF1D在生產過程實時監控執行系統中的應用，給出了一種通信數據流處理的解決方案。采用以上技術的解決方案已成功地應用于基于RFID的汽油發動機生產線監控執行系統中，并在應用中取得了較好的效果。但本方案還不完善，未能很好地解決安全性問題，如何在套接字接口實現安全認證、身份驗證、授權和審計等還有待進一步研究。 

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