跨异构工控平台工序协同方法及装置与流程

本发明属于工业物联网与生产过程监控，具体涉及一种基于opc ua标准化发布、协议感知安全桥接与拓扑驱动分布式质量监控的跨异构工控平台工序协同方法及装置，可应用于人造板制造等流程工业中异构工控系统之间的工艺数据共享与质量追溯。

背景技术：

1、在人造板制造、化工、食品加工等流程工业中，上下游生产工序通常分别采用不同品牌的工业控制系统（以下简称"工控系统"）进行管理，例如制胶车间采用wonderwareintouch系统、干燥车间采用siemens wincc系统，各工控系统独立维护本工序的工艺参数标签与实时数据库，形成典型的跨平台信息孤岛格局。跨工控系统的工艺数据集成是保障工艺协同控制、提升产品质量一致性并构建全链条质量追溯体系的基础性需求。

2、现有跨工控系统数据集成方案主要包括两类：第一类方案是部署集中式scada/mes平台，将各工控系统的数据汇聚至统一的实时数据库，再由上层应用进行统一调度与分发，该类方案建设成本高、实施周期长，且集中式平台一旦发生故障将导致所有工序的数据访问中断；第二类方案是在各工控系统之间开发点对点的定制化通信接口，通过modbustcp、profinet等工业通信协议进行直接数据交换，该类方案须针对每对工控系统单独开发接口逻辑，缺乏统一的语义标准，系统扩展性差。

3、与本发明最相关的现有技术方案是：在制胶车间与干燥车间分别部署中间网关设备，各网关将本地工控系统的工艺参数转换为统一的中间格式后，通过tcp/ip网络以自定义报文格式进行点对点传输，目标端网关解析接收到的报文并将数据写入本地工控系统的对应标签，实现工序间的数据互通。

4、上述现有技术方案存在以下技术问题：第一，自定义报文格式缺乏语义标准化能力，不同工序的工艺参数在命名规则、计量单位和采样频率等方面存在显著差异，中间网关的格式转换逻辑须针对每一对工序单独开发与维护，系统可扩展性极差，每次新增工序接入均需投入高昂的定制开发成本；第二，上述方案仅关注数据能否抵达目标系统，缺乏端到端的数据质量自动监控机制，包括传输数据的完整性、时间戳准确性和数值合理性在内的质量属性均无系统化的自动检测手段，导致工艺质量异常往往到成品检验阶段才被发现，故障溯源困难，无法实现早期预警和精准定位。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供一种跨异构工控平台工序协同方法及装置，旨在解决异构工控系统间数据集成扩展性差以及缺乏端到端数据质量自动监控与早期预警的技术问题。

2、本发明提供的一种跨异构工控平台工序协同方法，包括以下步骤：

3、在源工控系统侧，将原始工艺参数标签按统一命名规范重新映射为标准opc ua节点，形成标准化标签集；

4、基于所述标准化标签集，构建包含双向证书认证、加密通道、防火墙隔离及ua协议感知应用层安全桥接的多层安全策略，其中所述ua协议感知应用层安全桥接在安全通道建立阶段解析请求消息并进行会话合规校验，输出安全桥接校验后的标准化数据流；

5、在目标工控系统侧，经所述应用层安全桥接校验后订阅所述标准化数据流的相关标签子集，对上下游数据进行时间对齐，得到联合数据集并在监控界面联动展示；

6、基于工艺流程因果依赖关系构建工序变量依赖图并分解为多个监控域，在各所述监控域内以多元函数型主成分分析计算块级质量指数，并经贝叶斯网络对全部所述块级质量指数进行概率融合，得到全局质量诊断报告及异常溯源路径；

7、根据所述全局质量诊断报告进行分级预警，推送告警并创建处理工单，在工单关闭时执行双轨归档以更新异常案例库与所述多元函数型主成分分析模型。

8、进一步地，所述ua协议感知应用层安全桥接在安全通道建立阶段解析请求消息并进行会话合规校验，输出安全桥接校验后的标准化数据流，包括：

9、在客户端发送建立安全通道请求后、创建会话请求前的窗口期内，解析所述建立安全通道请求中的安全策略与证书链，并与发布服务器的安全策略模板进行比对；

10、对创建会话请求及激活会话请求中的用户身份令牌执行白名单验证与会话策略参数校验，拒绝不符合安全策略的会话请求；

11、根据标签的安全等级配置差异化访问策略；

12、在会话存续期间持续监控活跃会话的心跳消息与会话标识重用情况；

13、检测到会话异常时触发会话终止与强制重认证，并将标签数据以订阅发布模式对外发布，输出安全桥接校验后的标准化数据流。

14、进一步地，所述会话策略参数校验支持根据标签的安全等级配置差异化访问策略，包括：对反应温度标签配置全量读取策略，对配方浓度标签配置仅允许指定客户端以指定采样频率订阅的策略。

15、进一步地，基于工艺流程因果依赖关系构建工序变量依赖图并分解为多个监控域，在各所述监控域内以多元函数型主成分分析计算块级质量指数，并经贝叶斯网络对全部所述块级质量指数进行概率融合，得到全局质量诊断报告及异常溯源路径，包括：

16、以各工序关键工艺参数为节点、以变量间物理因果关系为边构建所述工序变量依赖图；

17、根据所述工序变量依赖图的结构进行图分解，将变量划分为制胶域、传输域及干燥域；

18、在各所述监控域内部署域质量监控代理，接收所在域全部变量在数据采集端、安全桥接端、网络传输端及客户端接收端的数据快照；

19、将所在域全部工艺参数在时间窗口内的采样序列联合拟合为一组多元b样条基函数，并在基函数展开空间中投影至该域正常工况训练的多元函数型主成分分析模型；

20、计算多变量霍特林统计量及多变量平方预测误差统计量，得到所在域的所述块级质量指数；

21、以所述图分解中的因果边方向为先验构建贝叶斯网络，将父域质量指数作为子域质量指数条件概率的输入，沿因果边反向推断故障起源域，得到所述全局质量诊断报告及异常溯源路径。

22、进一步地，所述计算多变量霍特林统计量及多变量平方预测误差统计量，得到所在域的所述块级质量指数，包括：

23、逐节点比对标签到达率，统计数据缺口时长与连续丢失次数，得到完整性评估结果；

24、当所述多变量霍特林统计量超出控制限时，判定所在域出现系统性函数型异常；

25、当所述多变量平方预测误差统计量超出控制限时，解析贡献权重最高的参数以定位局部形态异常源；

26、测量各节点间的端到端传输延迟与采样间隔偏移，得到及时性评估结果；

27、将所述完整性评估结果、系统性函数型异常判定结果及所述及时性评估结果聚合为所在域的所述块级质量指数。

28、进一步地，根据所述全局质量诊断报告进行分级预警，推送告警并创建处理工单，包括：

29、当标签中断或丢失率超过阈值时，关联安全桥接层报告的会话异常事件生成一级告警；

30、当端到端传输延迟超过工艺容忍上限时，结合所述异常溯源路径定位延迟所在监控域生成二级告警；

31、当多变量平方预测误差统计量超出控制限而多变量霍特林统计量正常时，生成注意级别的三级告警；

32、当多变量霍特林统计量超出控制限时，生成警告级别的三级告警；

33、根据告警级别与监控域标识将告警推送至对应操作终端及声光报警装置，并在工单系统中创建包含告警类型、关联监控域、异常参数及统计偏离度的处理工单。

34、进一步地，所述在工单关闭时执行双轨归档以更新异常案例库与所述多元函数型主成分分析模型，包括：

35、在工单关闭时记录处理措施与恢复时间；

36、对工单确认为真实工艺异常的曲线片段，标注异常类型与根因后存入所述异常案例库；

37、仅当工艺配方或设备发生计划内变更且新工况数据经确认属于新正常状态时，以所述新工况数据重新估计对应监控域的所述多元函数型主成分分析模型的基函数展开参数与控制限；

38、将工单处理进度、异常案例及模型更新版本号与质量追溯链记录关联。

39、进一步地，所述对上下游数据进行时间对齐，得到联合数据集并在监控界面联动展示，包括：

40、在目标工控系统侧以只读模式创建订阅会话，并配置心跳间隔、指数退避重连策略及缓存数据最大保留时长；

41、对上游数据的时间戳与本地数据的时间戳进行插值同步、量纲校验与异常值过滤，得到时间对齐后的所述联合数据集；

42、将所述联合数据集通过嵌入本地人机界面的跨工序监控画面组件，将上游工艺参数与本地工艺参数并排呈现并支持趋势曲线叠加与历史回溯。

43、进一步地，将各监控域的三维度质量指数、贝叶斯溯源路径及函数型异常检测结果持久化写入时序数据库，支持按监控域、按参数、按时间段进行质量趋势回溯查询，生成质量追溯链记录。

44、本发明还提供一种跨异构工控平台工序协同装置，包括：

45、标准化发布模块，用于在源工控系统侧，将原始工艺参数标签按统一命名规范重新映射为标准opc ua节点，形成标准化标签集；

46、安全桥接模块，用于基于所述标准化标签集，构建包含双向证书认证、加密通道、防火墙隔离及ua协议感知应用层安全桥接的多层安全策略，其中所述ua协议感知应用层安全桥接在安全通道建立阶段解析请求消息并进行会话合规校验，输出安全桥接校验后的标准化数据流；

47、订阅联动模块，用于在目标工控系统侧，经所述应用层安全桥接校验后订阅所述标准化数据流的相关标签子集，对上下游数据进行时间对齐，得到联合数据集并在监控界面联动展示；

48、质量监控模块，用于基于工艺流程因果依赖关系构建工序变量依赖图并分解为多个监控域，在各所述监控域内以多元函数型主成分分析计算块级质量指数，并经贝叶斯网络对全部所述块级质量指数进行概率融合，得到全局质量诊断报告及异常溯源路径；

49、预警闭环模块，用于根据所述全局质量诊断报告进行分级预警，推送告警并创建处理工单，在工单关闭时执行双轨归档以更新异常案例库与所述多元函数型主成分分析模型。

50、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

51、（1）本发明通过opc ua信息模型的统一命名规范和标准化发布机制，将不同品牌工控系统的工艺参数标签映射为具有标准语义的opc ua节点，无需建设集中式数据平台即可实现异构工控系统间的低成本数据集成，新增工序接入时仅需扩展命名空间配置，具备良好的可扩展性，显著降低了跨系统数据集成的开发维护成本。

52、（2）本发明提出的ua协议感知应用层安全桥接，在传统工控防火墙、tls加密通道和x.509双向证书认证三层防护基础上，新增针对opc ua securechannel建立阶段的协议语义级会话合规校验与差异化访问控制，通过opensecurechannel消息安全策略解析、createsession/activatesession用户身份令牌白名单校验和会话存续期持续监控，构建了完整的纵深防御体系，有效填补了现有方案在opc ua应用层会话合规性管控方面的空白。

53、（3）本发明以工艺流程因果依赖图为骨架自动划分监控域，采用多元函数型主成分分析对域内多工艺参数的时序曲线进行联合建模，能够在参数演化轨迹形态出现偏离时（如反应温度持续缓慢上升等系统性漂移）即触发早期预警，检测能力显著优于传统逐点阈值方法，可将异常发现时间大幅提前。

54、（4）本发明通过贝叶斯网络概率融合实现跨监控域的异常溯源，自动区分独立故障与因果传播引发的连锁异常，有效规避多点同发告警时的故障误判；双轨归档机制严格区分真实异常案例归档与模型控制限更新路径，保障异常检测模型在持续优化过程中不产生退化风险。