CN106444676B - 一种基于广域网络覆盖的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于广域网络覆盖的智能控制系统，本系统在工业4.0概念模型的基础上，以广域网络覆盖作为信息传输与交互的载体，通过广域网络面向由海量用户终端所构成的分散化的信息源实现开放性接入与信息采集，获取类型与格式均呈现多样化的信息，实现多样化信息到工业标准化参数的转换，对标准工业化参数，基于基准产品模型，执行与受控生产实体的物理匹配验证以及控制偏移匹配的验证，以及在必要时进行虚拟运行测试；最终，实现利用用户个人化信息对智慧工厂的生产制造过程实现智能控制。本发明适用于通过使工业化生产与信息化技术充分融合所实现的智慧工厂的工业控制系统。

Description

一种基于广域网络覆盖的智能控制系统

技术领域

本发明涉及工业智能化与信息化领域，尤其涉及一种基于广域网络覆盖的智能控制系统。

背景技术

工业4.0是2013年汉诺威工业博览会上由德国政府提出的具有革命性的工业特别是制造业发展战略，一经公布就引起了全世界范围的广泛关注和深入讨论。改革开放三十多年来，中国已经成为了全世界制造产业的中心；在上个世纪九十年代以来的信息产业爆炸式增长过程中，中国也是信息化势头最为迅猛的国家，在电子芯片、数字通信、软件、物联网等多个领域，我国的技术水平和发展程度已经接近甚至赶上了欧美日等发达国家的水平。从制造规模、产业完整度、技术和人才储备等各方面看，我国完全具备实现工业4.0的条件，中国能够参与这一革命性的技术变革并在其中发挥关键作用，并且，实现这一转变也能够从根本上解决我国制造业整体大而不强、结构不合理的问题，推进我国向着工业强国的行列迈进。在中德两国政府签署的《中德合作行动纲要》中，也明确提出两国将基于工业4.0进行深入合作以推动这一技术的充分发展。在这种形式下，开展基于工业4.0概念的应用技术研发已经成为必然要求。

工业4.0以建立智慧工厂、实现智能制造作为主导性的目标，将网络通信技术、数据分析挖掘技术、自动控制与人工智能技术等信息化技术手段与工业生产的过程、工艺与管理充分融合为一体，形成物联信息系统CPS（Cyber-Physical System），使整个制造体系达到广泛适应多样化的软硬件环境，提高研发、设计、生产、物流到销售整个链条的效率，最终充分满足高度个人化的产品需求。

以互联网为典型代表的广域网络能够覆盖世界范围的广大空间。目前，以广域网络为载体，已经能够实现分布式的海量信息采集、实时传输和交互。工业4.0所实现的智慧工厂以对广域网络的安全可靠接入并利用广域网络实现海量和高效率信息传输作为其基本条件之一。并且，借助广域网络的覆盖，工业4.0体系要求在制造过程必须能够实现来源分散、形式多样和小微规模的工业信息采集、应用和智能控制。

自从美国的亨利·福特于1913年发明了流水线以来，工业特别是制造业的生产控制技术一直在向着高度集中化、规模扩大化和采用统一制式标准化的方向发展。这种技术手段在节约成本、提升效率、保障质量方面有着明显优势，为人类进入现代工业文明奠定了基础，应该说已经基本渗透到了人类的整个技术体系之中，成为了制造业的“基因”。

如果我们从工业生产中信息的生成、采集与应用的层面来看，集中化使得生产过程中信息源的数量和类型都变得相对有限和固定，这就降低了信息采集的难度，空间的集中化还便于建立起高带宽和高可靠性的信息传输路径；在集中化的体系之下，工业生产的控制系统能够以体系的“神经中枢”的形式被建立起来和发挥作用，从而能够精确、完整、快速获取各个节点的信息数据，并进行有效的信息分析和管理，进而对生产过程进行调节控制。对于上面提到的标准化，显然，在整个工业体系都采用符合制式的标准化设备、接口和数据结构的情况下，信息的含义和格式都是预定的，控制系统能够精确获知信息所代表的真实意思，也就是说对信息的解析不存在对其含义的“理解障碍”；相应地，控制系统对信息的各种应用也都可以按照预先设定的固定模式实现；同时，控制系统也通过标准化的方式对外发送信息，包括以下达控制指令的形式进行标准化的信息输出，所述指令与工业体系中负责执行指令的各个系统充分匹配，也即能够无障碍地执行该指令。集中化与标准化使得即便是非常庞大的制造工厂也能顺畅运转并达到生产目标，为工业体系的规模扩大奠定了基础，同时扩大规模也使得信息资源投入的成本摊薄，使建立复杂的信息控制系统在经济上和技术上成为可能，大规模生产能够充分提升产品效益。上个世纪九十年代以来，计算机控制技术和电子信息产业飞速发展，使得工业体系中信息系统的功能更加强大、运转速度更快、适用范围更广，因而进一步推动了集中化、标准化和规模扩大的发展趋势。

然而，与上面提到的集中化、标准化和大规模的工业生产体系现状相反，工业4.0却要求在广域网络的覆盖范围内，从分散的信息源（接入广域网络的各种终端设备，甚至可以是广大的产品最终用户）采集类型与格式均呈现多样化的信息，并利用这些信息对智慧工厂的生产制造过程实现智能控制。在这种模式下，虽然在整个广域网络的尺度来看，智慧工厂总体的体系规模仍然庞大，但在用户和需求多样化的情况下，实际上执行的是产品个人化的小微规模生产。可以说，上述要求代表了工业4.0体系的革命性，是该体系的核心特征和本质需求之一，也是目前技术难点之所在。

在这样的控制模式下，工业系统将会达到广义上的普遍适应性，有效整合广域网络覆盖下的各种信息资源，并且能够将最终消费者的产品需求直接映射到生产控制工艺中。举例来说，现在消费者对于产品生产的参与自由度极为有限，无非是在生产商提供的高、中、低等若干档配置中选择其一，以及在若干种产品外壳的形状、颜色中做出选择，这种有限的“选择”背后，实质上，生产商仍然是按照传统集中化、标准化的工业模式进行大批量制式产品的生产。如果真正按照用户的个别需求与个性设计实现非制式的产品定制，特别是一些存在复杂结构、配置和工艺的制造品，则价格必然非常不菲。而在工业4.0的智慧工厂模式下，消费者可以通过自己的联网终端，运行面向用户友好的产品设计工具，对产品的外观形态、空间结构、材质用料、体积重量和部件配置进行充分和完全的个人化设计，并且借助广域网络将这些信息提供给智慧工厂的控制中枢，而控制中枢将根据这些信息控制生产设备的流程、参数和工艺，实现小微批量直至一对一的生产制造，得到满足消费者个性需求的非制式产品，而且这些产品绝不是非常简单的制品，而是包括家用电器、通讯电脑设备、医疗保健器具甚至是汽车在内的拥有复杂结构与功能的工业制造品。

虽然工业4.0体系提出了上述概念性目标，但是却缺少实现该概念的实际控制系统。现有技术中虽然存在基于互联网等广域覆盖网络实现工业控制参数采集传输和远程控制从而实现“分布式”工厂的技术方案，但是这一方案只是将广域网络作为标准化的工业信息的传输载体，虽然空间上看工厂确实不再集中于一地而是实现了多点分布，但从控制系统的体系结构来看仍然是集中式的，也就是说控制系统本身仍然是封闭在工业体系内部的，并不能开放性地面向由广大用户组成的海量信息源；由于不具有开放性，因而对于具有非预定制式的多样化信息，现有的系统无法进行有效的适配与处理，也无法基于这些多样化信息执行有效的控制。

因此，如何根据广域分布式的信息源所提供的多样化信息实现工业生产过程的智能控制，以将工业4.0所提出的概念模型转化为实际可行的控制系统，是现有工业技术迈向4.0阶段所必须解决的关键问题。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的以上缺陷，本发明提出一种基于广域网络覆盖的智能控制系统。本发明是在工业4.0概念模型的基础上，通过使工业化生产与信息化技术充分融合实现的应用于智慧工厂的工业控制系统。本发明以广域网络覆盖作为信息传输与交互的载体，通过广域网络面向由海量用户终端所构成的分散化的信息源实现开放性接入与信息采集，获取类型与格式均呈现多样化的信息，实现多样化信息到工业标准化参数的转换，对标准工业化参数，基于基准产品模型，执行与受控生产实体的物理匹配验证以及控制偏移匹配的验证，以及在必要时进行虚拟运行测试；最终，实现利用用户个人化信息对智慧工厂的生产制造过程实现智能控制。

本发明的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，包括：用户终端、用户层接口服务器、工业接口服务器以及生产实体；其中，所述用户终端、用户层接口服务器以及工业接口服务器均接入到广域网络，工业接口服务器与生产实体通过工业控制总线或工业控制通信网络实现相互的数据与指令传输；

所述用户终端与所述用户层接口服务器用于向用户提供各种类型的产品设计环境，并且所述用户层接口服务器作为对应的用户终端的产品设计环境的后台服务器；所述用户层接口服务器用于获得特定产品设计环境下的面向用户采集信息；其中，特定产品设计环境下的所述面向用户采集信息具有特定的信息定义方式和数据结构，使所述面向用户采集信息需要在特定产品设计环境下进行解析和处理；

并且，所述用户层接口服务器用于将面向用户采集信息转化为工业标准化参数，并将所述工业标准化参数通过广域网络传输至所述工业接口服务器；

所述工业接口服务器接收用户层接口服务器转换之后向其提供的工业标准化参数，验证所述工业标准化参数是否符合所述生产实体的控制稳定范围与最大物理边界；在工业标准化参数经验证符合控制稳定范围和最大物理边界的情况下，工业接口服务器将该工业标准化参数提供给生产实体；

所述生产实体的控制系统接收所述工业标准化参数，并根据该工业标准化参数产生实际的控制指令和控制参数，控制物理生产作业。

优选的是，所述用户终端与所述用户层接口服务器共同提供的产品设计环境是产品外形设计环境，所述产品外形设计环境具有预定义的产品空间形状函数模型；通过用户终端的交互操作输入，触发产品空间形状函数模型的参数变量改变，和／或，新建产品空间形状函数并进行其中参数变量的赋值；生成描述产品空间形状函数模型的形状函数及其参数值的面向用户采集信息。

优选的是，所述用户终端与所述用户层接口服务器共同提供的产品设计环境是产品配置设计环境，所述产品配置设计环境包括定义了产品的配件构成和各配件的参数的产品配置模块；通过用户终端实现对产品配置模块的选择；生成表示为配置模块数据集合的面向用户采集信息。

优选的是，所述用户层接口服务器包括：用户接口模块，用于从所述用户终端接收所述面向用户采集信息；以及

工业标准化转换模块，具有预定义的产品设计环境支持的面向用户采集信息定义集与工业标准化参数集之间的标准转换映射，用于在获得了根据面向用户采集信息定义集构造的面向用户采集信息后，将所述面向用户采集信息映射为相应的工业标准化参数。

优选的是，所述工业接口服务器包括：物理匹配验证模块，用于针对工业接口服务器接收的工业标准化参数，执行所述工业标准化参数是否符合生产实体的最大物理边界条件的判断，所述判断将所述工业标准化参数与代表最大物理边界条件的阈值进行比较。

优选的是，所述工业接口服务器包括：控制偏移匹配验证模块，用于验证基于所述工业标准化参数对生产实体的物理生产作业的控制过程能否达到稳定收敛状态。

进一步优选的是，控制偏移匹配验证模块将所述生产实体的物理生产作业的控制定义为基于一个基准产品控制模型的控制过程；所述基准产品控制模型中定义了物理生产的各种生产工艺条件、过程和操作的控制输入参数项，以及根据所述控制输入参数项计算生成系统控制输出的系统控制函数；并且，所述基于基准产品控制模型的控制过程为利用所述工业标准化参数的数值对所述基准产品控制模型的控制输入参数项进行赋值，并且相应通过系统控制函数产生系统控制输出。

进一步优选的是，所述控制偏移匹配验证模块用于针对作为控制输入参数项的工业标准化参数相对于基准产品控制模型的基准控制参数的偏差，预测其造成系统控制函数响应稳定的程度，并判断响应稳定程度是否满足要求。

进一步优选的是，所述控制偏移匹配验证模块执行所述工业标准化参数相对于基准产品控制模型的基准控制参数的偏差所产生的系统控制输出的M次计算，统计所获得的M个系统控制输出在若干个分布区间上的分布概率，判断分布概率是否足够收敛，根据其收敛程度判断系统控制函数对所述工业标准化参数的响应的稳定度。

优选的是，所述生产实体包括控制中枢模块与实际生产系统；其中控制中枢模块接收经验证判断为可用的所述工业标准化参数，并根据该工业标准化参数产生实际的控制指令和控制参数；控制中枢系统将所述控制指令和控制参数发送给实际生产系统进行物理生产作业。

可见，本发明的智能控制系统充分实现了工业4.0的基本要求和概念设想，利用源自分散节点的多样化原始信息，实现了对工业生产过程的可靠控制。将本系统与各种实际产品的物理生产过程与设备相结合，能够为消费者用户直接深度介入产品设计，并实现个人化的工业产品生产，可以为建立工业4.0体系下的智慧工厂提供生产相关信息化控制的手段。

说明书附图

图1是本发明优选实施例的智能控制系统架构示意图；

图2是本发明优选实施例的智能控制系统的层级示意图；

图3是本发明优选实施例的产品外形设计样例几何示意图；

图4是本发明优选实施例的用户层接口服务器结构示意图；

图5是本发明优选实施例的工业接口服务器结构示意图；

图6是本发明优选实施例的生产实体结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

参见图1所示的智能控制系统架构示意图，本系统包括用户终端、用户层接口服务器、工业接口服务器以及生产实体。其中，用户终端、用户层接口服务器以及工业接口服务器均接入到广域网络，并以广域网络进行信息传输和交互的载体；所述广域网络可采用互联网；工业接口服务器与生产实体通过工业控制总线或工业控制通信网络实现相互的数据与指令传输，工业控制总线和工业控制通信网络可采用CAN、DeviceNet、EPA、Ethernet/IP等。

图2示出了本系统的层级结构划分，由上层到底层分为面向用户层、工业标准化层、适配校验层、物理接口层以及实际设备层。其中，所述用户终端处在面向用户层；所述用户层接口服务器处在面向用户层和工业标准化层；所述工业接口服务器处在适配校验层和物理接口层；而生产实体则处于实际设备层。系统的各个组成部分处在不同的层级，意味着其面向不同的对象并执行不同的功能，下面将分别予以具体说明。

作为工业4.0概念模型的实例，本系统具有利用广域网络覆盖实现海量、开放性的分布节点接入的架构，因此，允许广域空间分布的海量的所述用户终端通过一定数量的所述用户层接口服务器实现对本智能控制系统的接入。如图1所示，用户终端101、102、103与用户层接口服务器201建立通信连接并通过用户层接口服务器201接入本系统；用户终端104、105通过与用户层接口服务器202建立通信连接从而接入本系统。本系统兼容用户终端101－105具有的各种软件硬件平台，并且从信息的角度看，允许用户终端101-105根据自身软硬件提供具有多样化的类型与格式的信息。而且，本系统的开放性和多样性不仅适用于用户终端，也同样适用于用户层接口服务器，即允许用户层接口服务器202基于自身软硬件平台的不同配置而接入本系统，并且向本系统提供多样化类型与格式的信息。

以此为基础，在所述面向用户层，用户终端101-105可以安装不同类型的且面向用户友好的产品设计环境，例如产品设计的APP等。相应的用户层接口服务器201-202则在面向用户层作为产品设计环境的后台服务器，通过与用户终端的通信交互，提供对用户终端101-105的功能支撑。根据不同的用户需求和实际状况，用户终端的产品设计环境可以是由不同的开发者所开发，用于提供不同功能的设计能力输出；相应的，用户层接口服务器作为后台服务器也可以由不同的运营方进行运营并为产品设计环境提供支持。

本实施例中，所述用户终端101-103运行产品外形设计环境，作为用户友好的设计工具，该产品外形设计环境提供大量预定义的产品空间形状函数模型；用户终端101-103的产品外形设计环境也可以只提供基本的人机界面和输入输出功能，而由用户层接口服务器201作为后台服务器提供所述产品空间形状函数模型，并且根据用户终端101-103提供的参数进行模型的演算。这些产品空间形状函数模型以三维几何体的样式显示在用户终端101-103上，显示产品的预定义外形；用户可以通过交互操作输入，例如对三维几何体的拉伸、压缩、倾斜、扭转、曲面弧度改变以及若干几何体的组合、镶嵌以及切割，触发产品空间形状函数模型的参数变量的调整改变；用户也可以新建产品空间形状函数模型，通过函数定义字段对该模型进行数学描述，并为参数变量赋值。例如，图3中的几何体A是一款空气净化器的预定义外形，用户可以将其棱角弧形化、并将其前面板设计由平面调整为内凹弧面造型，这些改变造成原有产品空间形状函数模型的函数类型和参数值发生改变，形成图3的几何体B。最终，用户终端101-103生成了关于产品外形的信息，并且信息以函数名字段、函数定义字段、参数值字段的形式传输到用户层接口服务器201，作为被该用户层接口服务器201从分散的用户节点采集的信息。

用户终端104-105运行产品配置设计环境，提供用户友好的模块化设计解决方案。用户终端104-105自身或者作为后台的用户层接口服务器202提供产品的配置模块数据。产品配置模块数据预设了产品的配件构成和各配件的参数，将每个配件及其参数定义为一个配置模块。例如，空气净化器配件构成包括整体前盖板、颗粒物滤片、普通型叶片风机、主电路板以及后箱体，以上每个配件用一个相应的配置模块数据表示，配置模块数据用模块类型字段描述配件类型，并且用多个模块属性字段描述每个配件的参数，例如每个配件的尺寸、风机功率瓦数、滤片过滤颗粒等级等。同时，还提供可供选择和可供替换配件相应的配置模块数据，例如，可以提供杀菌滤片、空气清新滤片、香味滤片、活性炭滤片、负离子释放滤片等可选择配件供增加至净化器，也可以选择用以替换普通型叶片风机的大功率风机或者小功率静音风机。最终，用户终端104-105生成关于产品配置的信息，该信息以配置模块数据集合的形式传输到用户层接口服务器202。

用户层接口服务器201-202接收由用户终端101-105所提供的信息，实现面向用户终端的信息采集。二者作为面向用户层，支持开放性的接入标准，即不论用户终端及用户层接口服务器采用什么样的产品设计环境的架构、数据格式和信息定义方式，都允许其接入本系统。从而，用户层接口服务器获得了多样化的面向用户采集信息，例如前面提到的以函数名字段、函数定义字段、参数值字段的形式表示的产品空间形状信息，或者以配置模块数据集合形式表示的产品配置信息。

图4示出了用户层接口服务器的结构示意图，包括面向用户接口模块以及工业标准化转换模块。其中，面向用户接口模块用于接收从用户终端采集的、多样化的上述面向用户采集信息。进而，用户层接口服务器201-202调用工业标准化层的功能，通过工业标准化转换模块将面向用户采集信息转化为可由工业接口服务器解析和处理的工业标准化参数。

具体来说，面向用户层为了达到广泛兼容性以及适应各种用户需求以及设计需要，允许开放性地接入了各个开发运营者所提供的所述产品设计环境，并获得了多样化的所述面向用户采集信息。然而，面向用户采集信息并不是通用化和标准化的，其中各种函数、参数、配置数据等信息的必须在与之配套的特定产品设计环境支撑下才能得到解析，因此，虽然用户层接口服务器获得了面向用户采集信息，但是一旦将这些信息传输给智慧工厂，脱离了用户层接口服务器所配置的特定的产品设计环境，即无法正确应用这些信息。为了保持工业4.0的开发性和多样性的优势，本系统不对面向用户层的产品设计环境当中采取的信息定义提出限制与要求，而是要求用户层接口服务器在工业标准化层将仅被自身产品设计环境所支持的面向用户采集信息转换为可以被智慧工厂所支持的统一的工业标准化参数。

用户层接口服务器201-202通过工业标准化转换模块实现上述面向用户采集信息至工业标准化参数的转换。因此，面向用户层的产品设计环境开发者在进行环境开发时，必须预定义产品设计环境支持的面向用户采集信息定义集与工业标准化参数集之间的标准转换映射，从而，当用户层接口服务器201-202获得了按照它们各自所支持的面向用户采集信息定义集构造的面向用户采集信息后，能够将面向用户采集信息映射为相应的工业标准化参数。

因而，当用户层接口服务器201获得了通过函数名字段、函数定义字段、参数值字段的形式定义的产品空间形状信息后，其工业标准化转换模块将该产品空间形状信息转化为智慧工厂的产品外形生产系统能够解析和处理的工业标准化参数。该工业标准化参数包括产品外形生产系统定义并支持的基本形状名、基本形状参数组。例如，根据图3中空气净化器外形的几何体B，在产品空间形状信息中表示其弧形化棱角的函数名、函数定义、参数值将按照

产品空间形状函数集与工业标准化参数集之间的标准转换映射，转换为“圆弧”等可加工基本形状的基本形状名以及圆弧半径、弧线长度、角度等工业标准化参数集中的参数。几何体B前面板的内凹弧面也会执行相应的标准转换。类似的是，用户层接口服务器202获得了配置模块数据集合形式的产品配置信息，也会通过配件集与工业标准化参数集之间的标准转换映射，转换为智慧工厂所支持的零件代码、数量、零件型号等形式的工业标准化参数。

图5所示为处在适配校验层和物理接口层的工业接口服务器结构。在图1所示的系统结构中，工业接口服务器301接收用户层接口服务器201-202转换之后向其提供的工业标准化参数，并且基于这些智慧工厂的控制和生产系统所支持的标准化参数执行对工业生产过程的参数控制。在开放性的运行体系下，虽然源自面向用户层并经过转换形成的所述工业标准化参数是能够被智慧从工厂的控制和生产系统所识别和处理的，但是并不意味着这些参数均可以得到执行层面的支持。因为这些源自智慧工厂外部的参数存在偏离正常的控制稳定范围甚至超出生产实体的实际运行设备所允许的最大物理边界的可能，其可靠性和可用性必须要经过验证。因此，工业接口服务器301提供了图5所示的物理匹配验证模块和控制偏移匹配验证模块，其所执行的验证是本发明的智能控制得以实现的关键。

物理匹配验证模块针对工业接口服务器接收的工业标准化参数，执行所述工业标准化参数是否符合生产实体的最大物理边界条件的判断，该判断可以通过将工业标准化参数与代表最大物理边界条件的阈值进行比较的方式实现。例如，对于用户层接口服务器201提供的关于可加工基本形状的工业标准化参数，工业接口服务器301的物理匹配验证模块验证该工业标准化参数是否符合产品外形生产系统对基本形状的加工参数范围，加工参数范围是根据产品材料性能、设备加工能力等因素制订的；如果该工业标准化参数处在产品外形生产系统对基本形状的加工参数范围以外，则物理匹配验证模块判定不符合生产实体的最大物理边界条件，因而将该工业标准化参数定性为不可用参数并反馈用户层接口服务器201。

对于经验证符合最大物理边界条件的工业标准化参数，进而，工业接口服务器301的控制偏移匹配验证模块用于验证对于实际生产系统来说，基于该参数的系统控制能否达到稳定收敛状态。控制偏移匹配验证模块将工业系统的实际运行中对物理生产过程的控制定义为基于一个基准产品控制模型实现对生产实体的物理生产过程的控制。基准产品控制模型中定义了物理生产的各种生产工艺条件、过程和操作的控制输入参数项，以这些控制输入参数项作为变量而计算系统控制函数的系统控制输出。因此，基准产品控制模型可以表征为：

其中，表示系统控制输出，表示基准产品控制模型定义的系统控制函数，而表示各个控制输入参数项。

因而，本系统的智能控制过程则是利用所述工业标准化参数的数值对所述基准产品控制模型的控制输入参数项的一部分进行赋值，并且相应通过系统控制函数产生系统控制输出。系统控制函数对任何控制输入参数项的变换的响应都存在稳定区间和不稳定区间，因此，工业标准化参数必须保证基准产品控制模型下的系统控制函数能够对该参数产生稳定的响应。因此，工业接口服务器301的控制偏移匹配验证模块将针对作为控制输入参数项的工业标准化参数相对于基准产品控制模型的基准控制参数的偏差，预测其造成系统控制函数响应稳定的程度，并判断响应稳定程度是否满足要求。

为了实现上述稳定程度的评价判断，控制偏移匹配验证模块执行如下响应稳定程度的模拟预测计算：

其中， 数组表示的是所述工业标准化参数的数值对所述基准产品控制模型的控制输入参数项的一部分进行赋值之后，控制输入参数项与控制系统预设的基准控制参数的偏差值；基准控制参数是经过实际生产系统验证的保证响应稳定的标准值；表示的是生产系统的线性随机干扰，表示的是生产系统的非线性随机干扰；利用前面介绍的系统控制函数，针对偏差数组，执行预定M次（例如M等于10000至100000）的系统控制输出数值计算；将系统控制输出的数值范围划分为个分布区间，函数对M次计算取得的C值在各个分布区间上的分布概率进行统计，获得分布概率数组。进而，控制偏移匹配验证模块判断分布概率数组是否充分收敛；判断标准可以是数组中某个区间的分布概率是否相对于其它区间具有绝对性优势，以及绝对性优势程度。例如，将其中某个区间m的分布概率相对于其它各区间分布概率之和的比值大于收敛阈值（如100:1）作为绝对性优势的判断条件，以及将该实际比值作为绝对优势程度，即如下式所示：

当作为控制输入参数项的工业标准化参数经预测计算，表明其给系统控制函数带来的响应C的分布不满足绝对优势条件，则认为响应稳定程度不满足要求；因而，工业接口服务器301的控制偏移匹配验证模块将该工业标准化参数定性为不可用参数并反馈用户层接口服务器201。在控制输入参数项的工业标准化参数经预测计算表明其给系统控制函数带来的响应C的分布满足绝对优势条件，则认为生产控制系统能够对该工业标准化参数产生稳定响应。

在工业标准化参数经验证符合控制稳定范围和最大物理边界的情况下，工业接口服务器301将该工业标准化参数提供给生产实体401。如图6所示，生产实体401包括控制中枢模块与实际生产系统；其中控制中枢模块接收所述工业标准化参数，并根据该参数产生实际的控制指令和控制参数，发送给实际生产系统的设备进行物理生产作业，例如机械加工、组装装配等。

为了进一步提升可靠性，生产实体401可在必要时进行虚拟运行测试。在虚拟运行测试状态下，控制中枢模块将基于所述工业标准化参数生成的控制指令和控制参数发送给实际生产系统，实际生产系统不执行真实的物理生产作业，而是利用其控制响应模块对控制指令和控制参数进行计算和响应，验证是否出现崩溃或报错，以及对输出结果进行验证。虚拟运行测试结果由生产实体401反馈给工业接口服务器301，以便工业接口服务器301检验测试结果是否达到标准要求。

可见，本发明的智能控制系统充分实现了工业4.0的基本要求和概念设想，利用源自分散节点的多样化原始信息，实现了对工业生产过程的可靠控制。将本系统与各种实际产品的物理生产过程与设备相结合，能够为消费者用户直接深度介入产品设计，并实现个人化的工业产品生产，可以为建立工业4.0体系下的智慧工厂提供生产相关信息化控制的手段。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，包括：用户终端、用户层接口服务器、工业接口服务器以及生产实体；其中，所述用户终端、用户层接口服务器以及工业接口服务器均接入到广域网络，工业接口服务器与生产实体通过工业控制总线或工业控制通信网络实现相互的数据与指令传输；

所述用户终端与所述用户层接口服务器用于向用户提供各种类型的产品设计环境，并且所述用户层接口服务器作为对应的用户终端的产品设计环境的后台服务器；所述用户层接口服务器用于获得特定产品设计环境下的面向用户采集信息；其中，特定产品设计环境下的所述面向用户采集信息具有特定的信息定义方式和数据结构，使所述面向用户采集信息需要在特定产品设计环境下进行解析和处理；

并且，所述用户层接口服务器用于将面向用户采集信息转化为工业标准化参数，并将所述工业标准化参数通过广域网络传输至所述工业接口服务器；

所述工业接口服务器接收用户层接口服务器转换之后向其提供的工业标准化参数，验证所述工业标准化参数是否符合所述生产实体的控制稳定范围与最大物理边界；在工业标准化参数经验证符合控制稳定范围和最大物理边界的情况下，工业接口服务器将该工业标准化参数提供给生产实体；其中,所述工业接口服务器包括：控制偏移匹配验证模块，用于验证基于所述工业标准化参数对生产实体的物理生产作业的控制过程能否达到稳定收敛状态；所述控制偏移匹配验证模块将所述生产实体的物理生产作业的控制定义为基于一个基准产品控制模型的控制过程；所述基准产品控制模型中定义了物理生产的各种生产工艺条件、过程和操作的控制输入参数项，以及根据所述控制输入参数项计算生成系统控制输出的系统控制函数；并且，所述基于基准产品控制模型的控制过程为利用所述工业标准化参数的数值对所述基准产品控制模型的控制输入参数项进行赋值，并且相应通过系统控制函数产生系统控制输出；

所述生产实体的控制系统接收所述工业标准化参数，并根据该工业标准化参数产生实际的控制指令和控制参数，控制物理生产作业。

2.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述用户终端与所述用户层接口服务器共同提供的产品设计环境是产品外形设计环境，所述产品外形设计环境具有预定义的产品空间形状函数模型；通过用户终端的交互操作输入，触发产品空间形状函数模型的参数变量改变，和/或，新建产品空间形状函数并进行其中参数变量的赋值；生成描述产品空间形状函数模型的形状函数及其参数值的面向用户采集信息。

3.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述用户终端与所述用户层接口服务器共同提供的产品设计环境是产品配置设计环境，所述产品配置设计环境包括定义了产品的配件构成和各配件的参数的产品配置模块；通过用户终端实现对产品配置模块的选择；生成表示为配置模块数据集合的面向用户采集信息。

4.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述用户层接口服务器包括：用户接口模块，用于从所述用户终端接收所述面向用户采集信息；以及

工业标准化转换模块，具有预定义的产品设计环境支持的面向用户采集信息定义集与工业标准化参数集之间的标准转换映射，用于在获得了根据面向用户采集信息定义集构造的面向用户采集信息后，将所述面向用户采集信息映射为相应的工业标准化参数。

5.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述工业接口服务器包括：物理匹配验证模块，用于针对工业接口服务器接收的工业标准化参数，执行所述工业标准化参数是否符合生产实体的最大物理边界条件的判断，所述判断将所述工业标准化参数与代表最大物理边界条件的阈值进行比较。

6.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述控制偏移匹配验证模块用于针对作为控制输入参数项的工业标准化参数相对于基准产品控制模型的基准控制参数的偏差，预测其造成系统控制函数响应稳定的程度，并判断响应稳定程度是否满足要求。

7.根据权利要求6所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述控制偏移匹配验证模块执行所述工业标准化参数相对于基准产品控制模型的基准控制参数的偏差所产生的系统控制输出的M次计算，统计所获得的M个系统控制输出在若干个分布区间上的分布概率，判断分布概率是否足够收敛，根据其收敛程度判断系统控制函数对所述工业标准化参数的响应的稳定度。

8.根据权利要求1所述的基于广域网络覆盖的智能控制系统，其特征在于，所述生产实体包括控制中枢模块与实际生产系统；其中控制中枢模块接收经验证判断为可用的所述工业标准化参数，并根据该工业标准化参数产生实际的控制指令和控制参数；控制中枢系统将所述控制指令和控制参数发送给实际生产系统进行物理生产作业。