灵活模块化工厂和机器中测量置信度的自动计算的制作方法

1.本发明涉及一种用于提供用于灵活模块化工厂或机器的具有相关联不确定度的输出值的方法和装置。


背景技术：

2.基于模块化实体的制造工厂在以下方面是有益的：在工厂布置中增加的灵活性、在模块化工厂的构造期间的安全顾虑减少以及模块化实体的修改和替换更容易。
3.这种灵活模块化工厂的模块化实体或装置可以包括诸如电线、墙壁、管道、机器、致动器和传感器的组件。模块化实体是根据描述模块化实体彼此连接的方式的特定布置来安装的。
4.传感器可以测量物理和化学性质，并且提供受测量不确定度影响的测量数据。不确定度的程度和类型可在相应传感器的记录文档中被规定，并且可由适当的管理机构认证。
5.如果测量数据是例如以传感器融合的方式变换的或与其它数据组合，则不确定度的传播或误差传播变得相关。测量不确定度的定义、形式表示和传播是标准化的，并且在诸如din 1319或ieee-754的规范中被给出。通过数字处理中数字的有限表示，例如通过使用浮点表示，可能出现额外的不确定度。
6.对于灵活模块化工厂，工厂的设置和可用的测量装置在设计阶段是未知的。在运行时间期间，由实现如管理控制和数据获取(scada)、制造操作管理(mom)和制造执行系统(mes)的方法的系统决定在哪个装置或实体上执行哪个过程。
7.因此，如果来自多个模块化实体的输入值被组合以提供输出值，则不可能在设计时间期间计算测量不确定度。


技术实现要素：

8.因此，本发明的目的是提供一种允许在运行时间期间导出输出值的不确定度的方法和装置。
9.该目的是通过独立权利要求的主题来解决的。有利的实施例是在从属权利要求中阐述的。
10.因此，本发明提供了一种用于为包括模块化实体的布置的灵活模块化工厂或机器提供具有相关联不确定度的输出值的方法。与相应模块化实体的操作相关联的不确定度信息被分配给多个模块化实体。多个模块化实体提供输入值，其中每个输入值基于多个模块化实体中的相应模块化实体的操作。计算单元基于由多个模块化实体提供的输入值来计算输出值。计算单元基于已经提供输入值的模块化实体的不确定度信息计算每个输入值的输入值不确定度。另外，计算单元基于不确定度的传播并且使用输入值不确定度来计算与输出值相关联的至少一个输出值不确定度或置信度。输出值和至少一个输出值不确定度作为输出被提供。
11.本发明进一步提供一种用于为灵活模块化工厂或机器提供具有相关联不确定度的输出值的装置。灵活模块化工厂或机器包括模块化实体的布置。与相应模块化实体的操作相关联的不定确性信息被分配给多个模块化实体中的每个模块化实体。装置包括接口和计算单元。接口适于由多个模块化实体接收基于多个模块化实体的操作的输入值。计算单元基于由多个模块化实体提供的输入值来计算输出值。计算单元进一步基于已经提供输入值的模块化实体的不确定度信息计算每个输入值的输入值不确定度。计算单元进一步适于使用输入值不确定度基于不确定度的传播来计算与输出值相关联的至少一个输出值不确定度。接口适于输出该输出值和至少一个输出值不确定度。
12.根据本发明，关于模块化实体的不确定度的信息是可用的并且以允许在数字处理中应用的形式方式提供。因此，计算单元可以通过不确定度的传播提供输出值不确定度的自动计算。如果模块化实体的布置例如通过添加或移除模块化实体或通过以不同方式布置模块化实体而改变，则根据新布置的模块化实体的更新后的不确定度信息被提供给计算单元。计算单元因此可以基于模块化实体的新布置来计算更新后的输出值不确定度。
13.优选地，计算单元基于模块化实体的布置来计算输出值和/或输出值不确定度。如果模块化实体的布置改变，则输出单元将自动更新输出值和/或输出值不确定度的计算。因此，在运行时间期间，输出值和输出值不确定度是基于灵活模块化工厂或机器的模块化实体的相应配置来自动正确地计算的。
14.根据方法的另一实施例，至少一个计算树被提供，其描述了输出值是如何基于输入值被计算的。计算树的每个节点对应于某些值，诸如输入和输出值或在计算的中间步骤出现的值。此外，每个节点可以包括附加信息，诸如分配给相应值的不确定度。
15.根据方法的实施例，至少一个计算树的外部节点对应于由多个模块化实体提供的输入值。至少一个计算树的内部节点对应于计算输出值的中间步骤。至少一个计算树的根节点对应于输出值。
16.根据方法的另一实施例，对于每个计算树，提供多个模块化实体的列表。列表是基于至少一个计算树并且基于输入值不确定度根据模块化实体对输出值不确定度的贡献来排序的。通过检查列表，工程师可以容易地识别对输出值不确定度具有巨大影响的模块化实体。因此，修改模块化实体的布置以减少不确定度变得更容易。例如，可以以“热图”的形式提供信息，该热图以图形示出哪些模块化实体或多或少地对输出值不确定度有贡献。
17.根据方法的另一实施例，关于模块化实体的工程推荐是基于模块化实体的列表提供的。工程推荐可以以优选选项列表的形式被提供，诸如重新布置某些模块化实体。
18.根据方法的另一实施例，工程推荐包括用至少一个具有减小的不确定度的模块化实体替换至少一个模块化实体的推荐。例如，例如基于不同的工作原理，传感器可以由更精确的传感器替换。
19.根据方法的另一实施例，如果多个不同的计算树被提供以用于计算输出值，对应于计算输出值的不同方式，则最佳计算树被确定，从而产生最低的输出值不确定度。不同输入值被处理以便提供输出值的顺序可以对输出值的至少一个不确定度值具有显著影响。因此，不同的计算树可能导致不同的不确定度值。通过选择最佳计算树，计算的总误差可以被最小化。
20.根据方法的另一实施例，信任值和时间戳中的至少一个被分配给输出值。信任值
或置信度可以是可以手动或自动改变以指示输出值如何有效的值。
21.根据方法的另一实施例，输出值的信任值是基于输出值的时间戳来确定的。例如，信任值可以随着时间流逝而减小，因为实际测量增加。
22.根据方法的另一实施例，模块化实体包括用于测量物理和/或化学量的传感器。传感器可以包括任何有源或无源装置，例如热元件、光传感器、机械或电子传感器。
23.根据方法的另一实施例，使用至少一个输出值不确定度来确定模块化实体的配置是否符合不确定度要求。例如，可以为不确定度值提供阈值。如果至少一个输出值不确定度小于相应的阈值，则模块化实体的配置仅符合不确定度要求。
24.根据方法的另一实施例，计算至少一个输出值不确定度的步骤取决于模块化实体的布置。如果模块化实体的布置改变，则至少一个输出值不确定度的计算被更新。
25.根据方法的另一实施例，计算至少一个输出值不确定度的步骤是使用代码注入或过载来执行的。在此上下文中，代码注入意味着针对用于计算输出值的计算步骤，存在用于计算与输出值相关联的至少一个输出值不确定度的对应计算步骤。对应的计算步骤可以被并行地执行。根据其它实施例，用于计算至少一个输出值不确定度的计算步骤是紧接在用于计算输出值的相应计算步骤之前或之后执行的。过载可以在面向对象编程的上下文中被使用来计算输出值和相应的输出值不确定度两者。
26.根据方法的另一实施例，对于每个模块化实体，与模块化实体的操作相关联的对应不确定度信息被分配给模块化实体的数字孪生。
27.本发明还提供了一种包括可执行程序代码的计算机程序，该可执行程序代码被配置为在(例如由计算装置)执行时执行根据本发明的方法。
28.本发明还提供了一种包括可执行程序代码的非暂时性计算机可读数据存储介质，该可执行程序代码被配置为在(例如由计算装置)执行时执行根据本发明的方法。
附图说明
29.将参考附图中描绘的示例性实施例更详细地解释本发明。
30.附图被包含以提供对本发明的进一步理解并且被并入且构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
31.本发明的其它实施例和本发明的许多预期优点将通过参考以下详细描述而变得更好理解。相同的附图标记表示对应的相似零件。应当理解的是，为了更容易参考而对方法步骤进行了编号，但是除非另外明确地或隐含地描述，否则编号不一定暗示步骤以该顺序执行。特别地，步骤也可以以与它们的编号所指示的顺序不同的顺序来执行。一些步骤可以同时或以重叠的方式执行。
32.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的用于为灵活模块化工厂提供具有相关联不确定度的输出值的装置的框图；
33.图2示意性地示出了灵活模块化工厂的三个连续布置的模块化实体；
34.图3示意性地示出了基于输入值的输出值的示例性计算；
35.图4示意性地示出了在布置模块化实体之前的灵活模块化工厂的多个模块化实体；
36.图5示意性地示出了在布置模块化实体之后的灵活模块化工厂的多个模块化实
体；
37.图6示意性地示出了用于计算输出值的计算树；以及
38.图7示意性地示出了根据本发明的实施例的用于为灵活模块化工厂提供具有相关联不确定度的输出值的方法的流程图。
具体实施方式
39.图1示出了说明用于为灵活模块化工厂提供具有相关联不确定度的输出值的装置1的框图。尽管以下将关于灵活模块化工厂描述本发明，但本发明也可应用于灵活模块化机器。装置1包括被连接到多个模块化实体21-a到2n-a的接口11，其中n是大于1的整数值。模块化实体21-a到2n-a是可以在运行时间期间被组合的物理装置。模块化实体21-a到2n-a可以包括电线、墙壁、管道、机器、致动器和传感器。模块化实体21-a到2n-a是根据描述模块化实体彼此连接的方式的特定布置来安装的。布置可以在运行时间期间改变。例如，在运行时间期间，新的模块化实体21-a到2n-a可以被添加或可以被连接到已经存在的模块化实体21-a到2n-a，已经存在的模块化实体21-a到2n-a可以与布置断开连接或可以由可能不同的模块化实体21-a到2n-a替换。
40.灵活模块化工厂的工程和规划可以基于分配给模块化实体21-a到2n-a的数字孪生。另外，不确定度信息与模块化实体21-a到2n-a的操作相关联。数字孪生可以包括不确定度信息。不确定度信息可以与模块化实体21-a到2n-a中的每个模块化实体21-a到2n-a相关联。不确定度信息还可以与模块化实体21-a到2n-a的子集相关联，例如与传感器和/或致动器的全部或子集相关联。不确定度信息可以以查找表的形式被提供，该查找表指定与由对应模块化实体21-a到2n-a提供的特定输入值相关联的不确定度。如果不确定度等于某个百分比，则不管由模块化实体21-a到2n-a提供的特定输入值如何，不确定度信息可以由百分比组成。
41.至少一些模块化实体21-a到2n-a经由接口11的输入单元111向装置1提供输入数据。输入单元111可以是能够从模块化实体21-a到2n-a接收信息的任何类型的端口或链路或接口，例如wlan、蓝牙、zigbee、profibus、ethernet等。
42.基于模块化实体21-a到2n-a的操作由模块化实体21-a到2n-a提供的输入数据可以包括基于与相应模块化实体21-a到2n-a的环境相关或与模块化实体21-a到2n-a本身相关的模块化实体21-a到2n-a的测量而生成的测量数据。例如，输入数据可以包括温度、重量、压力等的测量。输入数据还可以包括关于模块化实体21-a到2n-a的信息，例如模块化实体21-a到2n-a的消耗或运行时间。
43.输入数据由装置1的计算单元12进一步处理。计算单元12可包括中央处理单元(cpu)或图形处理单元(gpu)(如微控制器(μc))、集成电路(ic)、专用集成电路(asic)、应用特定标准产品(assp)、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)等中的至少一者。计算单元12还可以包括用于存储在操作期间处理的数据(例如接收到的输入数据)的存储器或介质。
44.计算单元12基于由多个模块化实体21-a到2n-a提供的输入值来计算输出值。输出值例如可以是与在灵活模块化工厂中制造的最终产品相关的物理或化学量。例如，输出值可以包括最终产品的重量。输出值可以是基于例如对应于中间产品的重量的几个输入值来
计算的。考虑输入值用于计算输出值的方式取决于灵活模块化工厂的模块化实体21-a到2n-a的配置或布置。
45.计算单元12进一步基于模块化实体21-a到2n-a的不确定度信息计算每个输入值的输入值不确定度。例如，与特定模块化实体21-a到2n-a相关联的不确定度信息可以指定由模块化实体21-a到2n-a提供的测量值具有10％的不确定度。计算单元12将由模块化实体21-a到2n-a提供的输入值的输入值不确定度计算为输入值的10％。计算单元12可以使用代码注入或过载来计算输出值不确定度。
46.计算单元进一步计算与输出值相关联的至少一个输出值不确定度。输出值不确定度是基于不确定度方法的传播(即误差传播)来计算的。有时，可以存在几种方式基于由模块化实体21-a到2n-a提供的输入值来计算输出值。在该情况下，单独的输出值不确定度针对每种计算输出值的方式被计算。
47.计算单元12还可适于确定模块化实体21-a到2n-a的当前布置是否符合预定的不确定度要求。例如，可以将至少一个输出值不确定度与预定阈值进行比较。如果至少一个输出值不确定度超过预定阈值，则当前布置不符合不确定度要求。计算单元12可以提供警告信号。
48.装置1的接口11还包括用于向装置1的用户提供信息的用户接口112。用户接口112可以包括显示器、打印机、扬声器等。输出值和至少一个输出值不确定度是经由用户接口112提供给用户的。另外，如果向计算单元12提供警告信号，则可以经由用户接口112向用户呈现警告信号。
49.装置1的接口11还包括输出单元113，该输出单元可以与输入单元111相同，或可以是单独的单元，诸如wlan、蓝牙、zigbee、profibus、ethernet接口等。输出单元113被连接到外部装置3，例如进一步用以处理输出值和输出值不确定度的处理单元。外部装置3可以用以基于输出值和/或至少一个输出值不确定度来自动控制至少一些模块化实体21-a到2n-a或改变至少一个模块化实体21-a到2n-a的配置。
50.图2示意性地示出了灵活模块化工厂的三个连续布置的模块化实体21-a到2n-a的布置。第一模块化实体21-b包括用于确定传送带上的托盘4的重量并且将该重量作为第一输入值提供给装置1的部件。第二模块化实体22-b包括用于将特定产品或物质5插入传送带的另一部分上的托盘4中的装置。第三模块化实体23-b包括用于测量具有产品或物质5的托盘4的重量的装置。重量是作为第二输入值提供给装置1的。计算单元12通过从基于第二输入值的具有产品或物质5的托盘4的重量中减去基于第一输入值的托盘4的重量来计算产品或物质5的重量。计算单元2进一步基于与第一模块化实体21-b和第三模块化实体23-b相关联的不确定度信息来计算第一和第二输入值的输入值不确定度。计算单元12进一步基于第一和第二输入值的输入值不确定度来计算输出值不确定度。参考图3进一步解释该计算。
51.图3示意性地示出了基于输入值的输出值的示例性计算。第一信息i_1与对应于托盘4的重量的第一输入值a_1相关联。第一信息i_1可以包括重量的值和单位，例如5.00kg。第一信息还包括较低的不确定度值和较高的不确定度值，例如不确定度_低＝-0.05和不确定度_高＝0.05，这些不确定度值是基于与第一模块化实体21-b相关联的不确定度信息和由第一模块化实体21-b提供的输入值(即重量值)来计算的。第一信息i_1还可以包括关于不确定度分布的信息，例如对应于相等分布的分布＝“相等”。第一信息i_1还可以包括信任
值，例如信任＝98％，并且可以包括关于该值的推导的信息，例如推导
→
证明1，即该值是不基于先前计算的原始输入。
52.对应的第二信息i_2与对应于具有产品或物质5的托盘4的重量的第二输入值a_2相关联。第二信息i_2包括值和单位(例如7.8kg)、不确定度(例如不确定度_低＝-0.10，不确定度_高＝0.10)、分布(例如“相等”)、信任(例如100％)和推导(例如推导
→
证明2)。
53.另外，信息i_-与从第二值a_2中减去第一值a_1的计算步骤相关联。信息i_-包括计算规定(例如值＝值.a2
–
值.a1)、单位(例如kg)以及较低和较高的不确定度值，例如：
54.不确定度_低＝abs(不确定度_低.a1) abs(不确定度_低.a2)
55.不确定度_高＝abs(不确定度_高.a1) abs(不确定度_高.a2)
56.信息i_-还包括分布(例如“相等”)、信任(例如min(信任.a1,信任.a2)和信息(例如推导
→
推导.g1,推导.g2)。
57.另外，第三信息i_3与输出值a_3相关联，包括值和单位(例如2.8kg)不确定度界限(例如不确定度_低＝-0.15、不确定度_高＝0.15)、分布(例如“相等”)、信任(例如98％)以及推导，例如("-",a2,a1)；a2
→
证明2,a1
→
证明1。第三信息i_3是基于第一信息i_1、第二信息i_2和信息i_-生成的。计算单元12可以基于例如在诸如din 1319的规范中提供的不确定度传播的标准方法来计算不确定度界限，即与输出值相关联的输出值不确定度。
58.信息i_1、i_2、i_3、i_-可以被存储在计算单元12的存储器中。
59.图4示意性地示出了在布置模块化实体21-c、22-c、23-c、24-c之前的灵活模块化工厂的多个四个模块化实体21-c、22-c、23-c、24-c。第一模块化实体21-c包括第一传感器211和第一证明212，第三模块化实体21-c包括第二传感器231和第二证明232。第四模块化实体24-c包括用于计算由第二传感器231和第一传感器211提供的值的差的部件241。
60.图5示意性地示出了在布置模块化实体21-c、22-c、23-c、24-c之后的图4的四个模块化实体21-c、22-c、23-c、24-c。第一传感器211经由第二模块化实体22-c和第三模块化实体23-c被连接到第四模块化实体24-c的部件241的输入端。第二传感器232被连接到第四模块化实体24-c的装置241的输入端。
61.图6示意性地示出了用于计算输出值的计算树t。计算单元12可以提供此计算树t，其对应于如何基于输入值计算输出值的方式。例如，五个外部节点n1到n5可以对应于由模块化实体提供的五个输入值。计算树还包括响应于计算输出值的中间步骤的三个内部节点n6、n7、n8。例如，与第一内部节点n6相关联的值是基于与第一输入值n1和第二输入值n2相关联的值来计算的。第二内部节点n7和第三内部节点n8的值是基于了基于分别与第一内部节点n6和第三外部节点n3或第四外部节点n4和第五外部节点n5相关联的值的计算。计算树t的根节点n9对应于基于第二内部节点n7和第三内部节点n8的值计算的输出值。计算可以例如包括加法、减法或应用于相应节点的值的其它数学运算。
62.图7示意性地示出了根据本发明的实施例的用于为灵活模块化工厂提供具有相关联不确定度的输出值的方法的流程图。模块化工厂包括第一多个模块化实体的布置。
63.在第一步骤s1中，向第二多个模块化实体中的每个模块化实体提供与相应模块化实体的操作相关联的不确定度信息。第二多个模块化实体可以与第一多个模块化实体相同，或可以是第一多个模块化实体的子集。不确定度信息可以被添加到相应模块化实体的数字孪生。
64.在第二步骤s2中，如上，第二多个模块化实体中的至少一些模块化实体向用于提供输出值的装置1提供输入值。输入值可以包括由模块化实体提供的测量数据。
65.在第三步骤s3中，装置1的计算单元12基于由模块化实体提供的输入值来计算输出值。计算单元12可以进一步基于输入值提供与输出值的计算相关联的计算树t。针对计算输出值的不同方式，可以提供不同的计算树t。
66.在第四步骤s4中，计算单元12进一步基于提供输入值的模块化实体的不确定度信息计算每个输入值的输入值不确定度。
67.在第五步骤s5中，计算单元基于不确定度的传播并且使用输入值不确定度来计算与输出值相关联的至少一个输出值不确定度。步骤s3可以与步骤s4和s5并行执行。步骤s3也可以在步骤s4和s5之前或之后实行。另外，信任值和/或时间戳可以被分配给输出值。信任值可以是基于输出值的时间戳来确定的。输出值不确定度可以是使用代码注入或过载来计算的。
68.在第六步骤s6中，输出值和至少一个输出值不确定度作为输出被提供给用户，例如在显示器上被提供。另外，计算单元12可以根据模块化实体对输出值不确定度的贡献提供被排序的模块化实体的列表。为了计算列表，计算单元12通过计算树t来追踪对输出值不确定度的贡献。工程推荐可以是由计算单元12基于排序列表经由用户接口112向用户提供的。例如，可以建议用户替换或更新对输出值不确定度具有高贡献的模块化实体。如果存在对应于计算输出值的不同方式的几个计算树t，则计算单元12可确定最佳计算树，从而产生最低输出值不确定度。计算树可以作为计算输出值的最佳方式呈现给用户。
69.在附加步骤s7中，模块化实体可以被重新布置。方法从步骤s2开始，即输出值和至少一个输出值不确定度被更新。如果模块化实体的布置未能符合基于使用至少一个输出值不确定度对计算单元12的评估的预定不确定度要求，则模块化实体可以被重新布置。
70.应当理解，本文中所描述的所有有利的选项、修改的变化以及前述关于根据第一方面的系统的实施例的变化可以等同地应用于根据第二方面的方法的实施例，并且反之亦然。
71.在前述详细描述中，出于简化本公开的目的，在一个或多个示例中将各种特征分组在一起。应当理解，上文描述是说明性的，而不是限制性的。旨在涵盖替代物、修改例和等同物。在检查上述说明书后，许多其它示例对于本领域的技术人员是显而易见的。