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关键词： 机器人集群   模糊PID   人工势场   编队避障   激光SLAM   分布式系统  

摘要： 单机器人系统功能单一无法满足大型复杂场景任务需求,多机器人系统的协同特性赋予机器人产业更大的发展空间和市场。机器人编队避障技术是多机器人系统应用的核心技术之一,针对大型商场、仓库等室内环境的协同任务需求,设计实现了基于人工势场(Artificial Potential Field,APF)的分布式机器人集群编队避障系统。主要研究内容如下:针对众多室内机器人采用的2D激光雷达扫描速率较低导致激光点云在高速条件下产生运动畸变的问题,融合更高帧率的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、轮式里程计数据补全机器人在雷达扫描周期内的运动信息,进而通过坐标变换对点云畸变进行校正。针对机器人集群编队系统鲁棒性、动态性能差以及集群参数整定困难的问题,融合模糊控制算法与位置型PID(Proportional Integral Derivative)控制算法,并且将单输入单输出的PID算法拓展到三维,通过模糊PID自适应调整PID参数的同时达到更好的编队控制性能,实现x、y、z三轴编队控制。基于自主设计的三轴模糊PID编队控制器,设计了领航-跟随编队模式下编队和避障的融合方案,通过点云分割建立2D激光雷达的APF障碍物模型,改进传统势场函数解决APF固有缺陷,摒弃直接采用APF算法进行队形控制的方案,实时计算机器人环境中受到的势场力再根据合力为原编队目标点附加避障偏移量,从而消除编队模块对避障行为的影响。针对以上算法和机制的验证,自主设计室内麦克纳姆全向机器人驱动器软硬件,驱动器集成有IMU、轮式里程计,软件基于Free RTOS适配机器人操作系统(Robot Operating System,ROS),结合激光雷达、树莓派4B等部件搭建机器人集群实验平台。平台实现激光定位、建图等模块,对分布式机器人集群编队避障算法进行了实验。实验结果表明,该系统能够实现厘米级的编队协同,并且在保持整体队形的前提下各机器人具备良好的独立避障能力。

关键词： 农业物联网   区块链   共识机制   有向无环图   分布式系统  

摘要： 区块链具有去中心化、数据防篡改、可溯源等特性,可为物联网提供数据分布式存储和安全管理应用,逐渐成为研究热点。鉴于农业物联网中往往设备资源受限,并且对交易实时性要求较高,现有共识机制难以适应区块链与农业物联网融合场景,因此,设计一种面向农业物联网的绿色区块链共识机制具有重要意义。针对区块链共识机制存在的可扩展性差、共识效率低等问题,无法满足农业物联网应用的高效率和低延迟需求,综合利用节点对系统贡献程度的信誉度和节点通信能力的信噪比作为参加共识的证据,提出了一种基于多因素能力值的区块链共识机制(Proof-ofMultifactor-Capacity,Po MC)。设计了基于信誉度机制的网内参议员节点选择算法,使得方案能有效抵御Sybil攻击。为避免出现类似Po S中的股权累积问题,构建了一种分布式激励机制,在激励节点积极维护系统的同时,能够限制错误节点恶意行为。为进一步提高系统事务吞吐量,针对基于有向无环图的区块链方案IOTA中双花交易处理速度慢,提出了一种分层多因素共识机制(Layered Multifactor-capacity Consensus Mechanism,LMCC)。LMCC将区块作为分布式账本的基本单元,根据DAG账本中节点的相互引用关系达成共识,账本中发现冲突区块时立即上报协调层。在协调层中,参议员节点针对双花决议信息以及选举信息,基于实用拜占庭容错机制达成高效共识,利用基于DAG区块链的多因素能力复合模型对冲突区块进行投票,将得票较低的区块在DAG账本中卸载。此外,设计了一种区块全序算法,参议员节点将DAG账本中的区块进行轮次划分,以达成区块全序,满足智能合约的部署条件。基于OMNe T++仿真实现了提出的共识机制,分别针对Po MC和LMCC的关键指标进行了实验和分析。根据实验结果,Po MC和LMCC相较于现有共识机制在事务确认延迟、系统吞吐量、共识成功率等关键指标中均有优势。基于共识机制实现了面向农业物联网的区块链系统原型B-AIo T,具有用户管理、信息管理、区块链层交互和数据中心等功能。

关键词： 车载存储系统   文件系统   分区命名空间固态硬盘   数据隔离  

摘要： 随着车载应用不断丰富,车载多应用场景不仅需要更高的存储容量和性能支持,还需要根据多应用的数据类型、访存行为等特征进一步优化车载存储系统。在多应用的访存行为中,写入模式可分为顺序写和随机写。对于这两种不同访存行为所产生的数据,混合存放容易导致多应用之间的访问干扰。因此,一种优化方法是基于多应用的访存行为实现数据隔离。但是传统的存储架构存在一些限制,难以实现多应用场景的数据隔离。新兴的分区命名空间固态硬盘(Zoned Namespace Solid State Drive,ZNS SSD)提出了一种存储架构,能以更低的开销实现存储扩容和性能提升,并且使主机端既能感知应用访存行为,又能感知硬件特征,从而为多应用场景提供了数据隔离的条件。然而,作为一种新兴的存储架构,为了实现车载多应用的数据隔离,目前仍需要解决两个关键问题:(1)空间管理问题,一些传统方案没有利用ZNS的应用感知能力实现空间管理的优化,在使用ZNS固态硬盘的过程中存在空间管理效率低下导致空间利用率低、较高的写放大和尾延迟等问题;(2)应用访问问题,现有方案在向应用提供ZNS的访问支持时难以兼顾两个方面:既能够提供通用性的访问支持,又能够充分利用ZNS固态硬盘的特性以实现多应用的数据隔离。针对上述研究现状及问题,本文完成了以下工作:(1)提出了一种面向车载多应用的空间管理策略,该策略包含三个核心点:(1)双重数据隔离策略,该数据布局实现了应用之间的物理隔离和应用的顺序写和随机写访存行为的隔离;(2)隔离区域的动态分配算法,通过虚拟化技术解决多应用场景的新增、删除、扩容、缩容动态变化,以提高空间利用率和空间分配的灵活性;(3)隔离区域的垃圾回收策略,分别向顺序写区域和随机写区域提供差异化的垃圾回收流程,以实现更集中、高效的空间清理。(2)提出了一种基于ZNS新型介质的车载文件系统DIFS(Double Isolation File System),该系统实现了本文提出的面向车载多应用的空间管理策略,并且能够为多应用提供良好的ZNS访问支持。DIFS主要包含四个工作:(1)基于双重数据隔离构建了一种新的软硬件数据通路,实现从用户空间到设备空间的数据隔离存储流程;(2)针对顺序写和随机写两种访存行为设计了分区并行管理策略,以实现差异化的空间分配与回收;(3)面向多应用的访存需求提出了文件并行管理策略,以提供差异化的映射机制和类POSIX的文件语义;(4)基于ZNS的空间管理单元实现了大粒度的介质管理以减少映射开销,并解决了无效数据统计、有效数据迁移、数据频繁更新等方面的问题。(3)开展了不同方案的对标测试,实验结果表明:在性能方面,DIFS比传统方案至少提升10%以上;在存储开销方面,DIFS在大容量、多应用的情况下在100～1000KB级别,而其他方案在10～1000MB级别;在垃圾回收方面,本文提出的数据隔离策略能以更低的写放大保持更高的空间利用率,以及更低的尾延迟。

关键词： 嵌入式存储系统   实时流数据   文件系统   数据传输  

摘要： 随着信息技术的飞速发展,嵌入式系统中数据量不断增长,而数据是信息时代的重要资源,如何快速存储并传输流数据是嵌入式系统中亟待解决的问题。由于存在多级内存拷贝且嵌入式处理器性能有限,传统存储模式无法满足存储数据速率不断提升带来的更高存储要求。针对该问题,本文基于ARM+FPGA异构嵌入式平台,提出一种“一级地址映射+两级地址替换”优化方式,实现基于标准文件系统管理的端到端实时流数据存储功能。实时流数据通过FPGA直接存储到SSD(Solid State Disk:固态硬盘),期间不再需要ARM进行多级内存拷贝,大幅减少处理器资源占用,以此提高存储效率。同时为避免SSD存储速率波动导致实时流数据丢数,本文在FPGA侧开辟DDR(Double Data Rate:双倍速率同步动态随机存储器)作为流数据缓存区,并由ARM进行管理。针对嵌入式系统实时流数据传输应用,本文借鉴NVMe(Non-Volatile Memory Express:非易失性内存主机控制器接口规范)协议交互思想,提出一种资源池缓存区管理方式,实现高性能软硬件数据交互功能,提升嵌入式系统实时流数据传输能力。此外,本文基于C/S(Client/Server:客户端/服务端)网络模型,开发可视化应用程序,实现对嵌入式系统的远端管理以及实时流数据网络传输功能。最后,本文搭建实验平台对上述技术方法进行验证。经测试,在Ext4(Fourth extended filesystem:第四代扩展文件系统)标准文件系统管理下,端到端存储优化方案文件写速率为2.6GB/s(CPU占用率49%),读速率为2.4GB/s(CPU占用率67%)。相较于传统存储方案写速率为521MB/s(CPU占用率98%),读速率为689MB/s(CPU占用率99%),本文端到端存储优化方案可有效提高文件读写性能,同时减少资源开销。针对实时流数据传输过程,本文软硬件实时流数据传输速率在数据包尺寸为128k B时的不丢包速率可达1740MB/s,远端数据传输速率在千兆以太网络下达到113MB/s。

关键词： 数据处理  

ISBN: (纸本)9787568094863

摘要： 本书以设备健康管理为落脚点，从方法创新和探索应用两个方面对数据采集、存储以及处理分析进行了介绍和阐释。具体内容包括：设备数据采集方法、设备数据存储方法、深度学习方法、数据降维方法等。

关键词： 设备管理   设备综合效率   软包装产业  

摘要： 伴随着人类社会的不断进步,世界经济全球化的发展趋势以及广大消费者对商品个性化的追求,消费者不仅希望得到与众不同的差异化产品,而且也越来越关注产品本身的成本、质量、交期、服务及安全。对产品制造商来说,提出了更高的要求,而制造商生产设备的高效稳定运转与产品的成本、质量、交期、服务及安全等目标的实现密不可分。因此,制造型企业都不得不想方设法通过各种途径,充分调动员工的主观能动性,从而达到提高设备稳定性,提高生产速度,提高成品率的目的。 KD公司作为一家典型的制造型企业,经过近20年的发展,已经逐步发展成华南地区该行业中的龙头企业,虽然规模不断扩大,但是同时也逐步体现出硬件老化,成本上升,效率降低,竞争力下降,管理僵化等问题,企业遭遇了发展瓶颈,如何降本增效,成为KD公司迫在眉睫需要解决的问题。 论文以设备管理理论及精益生产理论为主要指导思想,通过对KD公司生产流程和设备现状进行梳理和汇总,收集设备综合效率相关数据并对其进行分析,找出KD公司设备管理方面存在的主要问题及成因,分别从设备可用率,设备开动率以及成品率三个方面展开研究,设立设备管理优化目标和优化原则,从而制定相应的优化策略。优化策略同样对应设备可用率,设备开动率及成品率三个方面针对性制定并通过具体案例展开说明,其中设备可用率通过推行快速换模和推广TPM活动进行提升,设备开动率通过设备提速和减少速度损失进行提升,成品率通过引入中控管理系统和订单整合进行提升。同时,KD公司制定了一系列的保障措施,确保优化策略可以得以顺利实施。

关键词： 智能制造   设备管理   故障诊断   预防性维修   工业物联网  

摘要： 进入新世纪以来,我国制造业高速发展,与之相伴的切削刀具也在制造业加工中起到了举足轻重的作用。作为切削刀具行业头部企业的株钻公司虽然近年来快速发展,一方面其生产能力长期受到设备情况的制约,另一方面智能制造的在行业中的快速发展,使得公司对设备管理体系有了智能化优化的迫切需求。与之相对应的则是公司在设备管理建设体系整体陈旧,对设备管理的定位产生了误区,设备管理设施不足,最终导致对企业发展产生了拖累,公司设备管理体系亟待优化。 本文首先介绍了设备管理、故障预测技术等相关理论基础。在此基础上阐述了通过现场调研、与相关人员进行访谈、与标杆企业进行对标等方式对株钻公司设备管理现状中遇到的问题与不足予以分析。详细介绍了针对上述不足与缺陷提出的优化解决方案。其中主要是基于智能制造相关技术包含了利用近年来快速发展的工业物联网、5G等技术结合设备管理理论建立的以设备点检体系、预防性维修体系、设备运行效率智能化管理、智能设备维修策略制定、人员组织优化为支柱的智能化设备管理体系。提出了如公司设备管理长效措施、TPM管理体系实施、维修过程标准化与备件信息化机制、设备健康管理、相关组织文化等多项实施保障措施,最终形成一套适合株钻公司的智能化设备管理体系。 应对智能制造的机遇和挑战,本文提出了一套有助于株钻公司发展的智能化设备管理体系优化方案,该方案对国内其他切削刀具企业也有一定的借鉴意义。 (正文共34004字,参考文献61篇)

关键词： Raft   BeeGFS   分布式系统   高可用架构   微服务架构  

摘要： BeeGFS是领先的并行文件系统,在HPC系统和数据中心中被广泛地应用。然而,BeeGFS的管理服务存在单点故障问题,一旦发生故障,管理服务即处于不可用状态。管理服务为BeeGFS提供服务注册和集群监控功能,管理服务不可用时,BeeGFS中其他服务无法感知集群信息,进而影响整个文件系统的可用性。同时,Raft算法作为一种共识算法,被广泛地应用于解决分布式系统的可用性问题。然而,Raft算法的Leader选举不能避免网络状况较差的节点成为Leader;Raft算法的日志复制在节点日志Term差异较大时,需要多轮RTT才能完成。此外,BeeGFS仅提供Posix接口,在使用前需要将其挂载到目标机器上,这对用户的使用造成了不便。 为解决上述问题,本文首先研究优化Raft算法的Leader选举和日志复制;在此基础之上,将Raft算法引入管理服务,实现管理服务的高可用架构,解决其单点故障问题;进一步的,设计并实现基于BeeGFS的微服务架构的文件系统Web服务,使得用户可通过浏览器使用BeeGFS。本文主要工作如下: (1)针对网络状况不平衡场景下的Leader选举问题,本文设计了基于节点通信时延的Leader选举算法bi-election。通过在选举阶段综合考虑节点计时器超时的先后顺序以及节点到Leader的通信时延,筛选节点的选举资格。限制网络状况较差的节点参与Leader选举,从而保证选举出的Leader具有较好的网络状况。针对Term相差较大时的日志复制问题,本文设计了基于二次回溯的日志复制加速算法bi-backtrack。通过在Leader中记录节点日志复制的失败次数,并逐次增加日志回溯时的Term粒度,从而加速Leader到Follower的日志复制。 (2)针对管理服务单点故障问题,本文将Raft算法引入管理服务,设计并实现了基于Raft的管理服务高可用架构。通过设计并实现管理服务的启动流程,日志的提交与应用以及高可用架构下的BeeGFS服务间交互,使得管理服务具备数据冗余,故障检测和自动故障转移的能力,解决了管理服务的单点故障问题。 (3)针对BeeGFS只提供Posix接口问题,本文基于管理服务高可用的BeeGFS搭建了Web Portal作为微服务架构的文件系统Web服务。该服务使得用户可通过浏览器使用文件系统,提升了BeeGFS的易用性;通过增加管理功能,使得用户可通过Web Portal对系统用户,文件存储和存储用量等进行管理。 本文通过测试验证了上述工作的正确性和有效性。测试结果表明,bi-election能够避免网络状况不良的节点成为Leader,bi-backtrack能够加速日志复制;管理服务高可用架构的可用性达到99.999%;Web Portal的功能和性能符合需求分析阶段提出的设计目标。

关键词： 业务连续性   分布式系统   能力分解   能力评价  

摘要： 在信息技术蓬勃发展的今天,人们的日常生活和办公严重依赖信息化平台。受到公共卫生事件和全球互联网容量爆发式增长的冲击和影响,企业的信息系统承受着巨大的压力。与此同时,为了实现自主可控、灵活可靠的目标,技术架构从传统的集中式系统向分布式系统转变。在系统架构迭代升级、业务量不断扩大、外部环境日趋复杂的挑战下,面向业务连续性的应急管理体系已经无法满足企业要求。如何利用技术特性、优化管理体系,降低突发事件带来的损失,在瞬息万变的环境中适应变化,保持竞争力,提升业务连续性水平非常关键。 本文以N公司作为实证研究对象,结合分布式系统的特点对案例的业务连续性进行能力分解和评价,寻求优化措施。 首先,从N公司为代表的企事业单位的建设的现状问题出发。一方面,通过对比业务连续性管理和应急管理的差别,展现业务连续性管理的发展和侧重点。另一方面,分析向分布式系统的迁移和融合对系统带来的改变。在理论概念分析和工程实践应用的基础上,总结得到分布式系统连续性的特殊性,指出综合能力间接测度评价方法在突发事件具体过程管理中存在不足。 其次,提出对当前系统业务连续性的精细化管理。采用面向预防的容错容灾改进灾难恢复,引入韧性框架及其关键因素,将不同阶段的要求和站点可靠性工程的系统设计、观察力、反脆弱等最新理念相结合,将业务连续性划分成事前预防、事发观察、事中恢复、持续改进四个子能力,逐步分解成一系列的能力要素。将能力要素的衡量标准筛选成为评价因素,赋予权重,构建业务连续性评价模型。 最后,使用上述直接测度方法对N公司的业务连续性进行评价,验证评价方法是否可行有效。针对评价结果着重改善突发事件发生前后和改进阶段的团队和人员管理,使用质量管理的持续优化提高业务连续性运营水平,利用预防阶段的系统脆弱性因素梳理异常的来源和影响范围,补充恢复阶段的应急预案内容。 通过本文对分布式系统业务连续性评价和改进的总结,信息工程的建设和管理单位可以及早、及时的发现信息系统的脆弱性因素,持续改进和预防中断风险,逐步建立韧性的系统,从而确保组织的竞争优势。

关键词： 生产流程优化   生产线平衡   设备管理   布局规划  

摘要： 装备制造业是一国工业的核心,矿山机械制造业作为其关键组成部分,是国家基础工业的重要支柱。目前,我国矿山机械制造业面临着耗能高、科技含量低等挑战,迫切需要探索出一条降本增效之路。生产线是制造企业的根本,对生产线的优化有助于企业提高生产效率和资源配置效率,是企业提升生产水平以应对挑战的关键举措。然而,当前关于矿山机械制造企业生产线优化问题的关注度不足、研究深度不够,如何优化生产线是矿山机械制造企业提质增效和转型升级过程中亟待解决的问题。 P企业是山西省生产制造矿山机械的骨干企业,在实地调研的基础上选取其核心产品液压支架立柱进行生产线优化研究。首先,分析生产线现状及问题。采用灰色关联度模型评价生产线现状,发现生产线主要存在生产平衡率较低、设备管理不足和布局规划不合理三方面问题。其次,设计优化方案并实施。针对生产线不平衡问题,根据工作站工时和节拍的对比结果找出瓶颈工作站,使用双手作业分析、人机分析、作业流程分析等工业工程方法进行分析和改善,在此基础上,建立线性规划模型并使用Lingo求解,优化工作站的划分;针对设备管理问题,基于设备维修记录、维修信息传递路径以及维修物料管理情况设计优化方案,为P企业建立EFMEA管理模式(Equipment Failure Mode and Effect Analysis)、引入MRO数字化系统(Maintenance,Repair,Operation),使企业实现设备全生命周期管理和非生产性物料智能管控;针对布局规划问题,充分考虑本生产线自动化设备数量多且设备间存在相互制约的特点,将优化工作分两步进行,首先合理划分生产单元,再以此为基础建模并运用遗传算法求解,从而得到搬运成本最小的生产单元排布方式。通过对比优化前后的生产线平衡率、设备综合效率及搬运成本等指标,验证改善效果。最后,为工作站优化、设备优化以及布局优化提出保障措施。在工作站方面,P企业应针对生产人员组织培训教育、提高生产工艺水平;在设备方面,既要充分发挥MRO服务数字系统的功能,加强设备管理责任落实,又要运用PDCA循环强化安全生产管理;在布局方面,提出要提高生产线布局柔性,全面实施6S现场管理,改善工作环境。通过对P企业液压支架立柱生产线的优化,提高了企业产能和数字化生产水平,同时,提供了一系列优化经验,拓展了生产线优化问题在矿山机械制造领域的研究。