生產過程的監(jiān)控是對生產過程中出現(xiàn)的各種信息進行獲取、傳輸、處理、分析和應用，其技術包括對制造過程出現(xiàn)的各種物理量（如：聲、光、電、熱、力、力矩和振動功率等）用先進的傳感器接收，進行信息傳輸和信號處理，根據(jù)分析處理的結果來對生產設備的工況及產品質量進行監(jiān)測和控制，對其發(fā)展趨勢進行預報，并對所發(fā)生的故障進行診斷和報警。
本文面向網(wǎng)絡化制造及遠程監(jiān)控系統(tǒng)平臺，提出一種面向監(jiān)控系統(tǒng)的全新信息理論及其應用方法。
1 基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)
基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)是指本地計算機通過網(wǎng)絡系統(tǒng)（主要是指Internet），實現(xiàn)對遠端生產過程的監(jiān)視、控制與管理。能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控的計算機軟、硬件系統(tǒng)稱為遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
從系統(tǒng)功能的角度來看，遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：現(xiàn)場監(jiān)控模塊、遠程監(jiān)控模塊以及基于Internet進行遠程訪問的數(shù)據(jù)通信部分。圖1所示為面向某制造企業(yè)生產現(xiàn)場的基于Web遠程監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺體系結構。
圖1 基于Web的遠程協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)測試平臺結構系統(tǒng)簡圖
1.1 現(xiàn)場監(jiān)控模塊
現(xiàn)場監(jiān)控模塊是實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，也是一個集成的智能控制、監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，通過設備監(jiān)控接口，對設備進行監(jiān)測控制，現(xiàn)場監(jiān)控模塊一方面維持正常狀況下系統(tǒng)的控制行為，另一方面能夠辨識異常工況并做出決策行為，以保證系統(tǒng)運行的可持續(xù)狀態(tài)和避免可能的危害。
（1）測控獲取被控對象信息并進行相關信息處理，提取特征信號，并實現(xiàn)對被控制對象的現(xiàn)場控制功能。
（2）監(jiān)控對過程與設備的有關監(jiān)控變量進行實時監(jiān)視，出現(xiàn)異常時及時發(fā)出報警以進行處理，在危急異常工況狀態(tài)下，能夠激發(fā)相應的保護行為。
（3）診斷基于各種征兆信息，進行故障診斷并做出相應的診斷決策。
1.2 遠程監(jiān)控模塊
遠程監(jiān)控系統(tǒng)是在計算機技術和網(wǎng)絡技術的基礎上，提供廣域范圍內共享資源的平臺，建立資源共享與多用戶協(xié)作機制，并為實時檢測監(jiān)控、故障診斷提供支持。用戶可以隨時通過瀏覽器查詢設備運行狀態(tài)以及設備現(xiàn)場的工況，對生產過程進行實時的遠程監(jiān)控。賦予一定的權限后，可以在線修改各種設備參數(shù)和運行參數(shù)，從而在廣域網(wǎng)（Internet）范圍內實現(xiàn)底層測控信息的實時傳遞。由于涉及實際的生產過程，必須保證網(wǎng)絡安全，可采用防火墻、用戶身份認證以及密鑰管理等。
1.3 基于Internet的數(shù)據(jù)通信模塊
利用Internet/Intranet平臺，基于Web技術和多媒體技術，使分布在不同地點、不同部門的專業(yè)人員對同一設備進行工作，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交互，最終實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)控。
在以上三個模塊中，計算機協(xié)同技術是進行復雜環(huán)境的有效決策和問題解決的基礎環(huán)節(jié)，有效協(xié)同所產生的效能遠超過各個單元獨立所發(fā)揮的效能，從監(jiān)控始端的采集信息融合到監(jiān)控終端的專家“會診”決策均貫穿了協(xié)同工作的理念。而且監(jiān)控中信息處理能力成為最重要因素。
2 監(jiān)控效用信息理論
2.1 信息論的認識基礎
認識論層次上的信息定義為主體所感知或主體所表述的事物運動的狀態(tài)以及狀態(tài)變化的方式。而本體論層次上的信息定義為事物運動的狀態(tài)以及狀態(tài)改變的方式；或為事物內部結構和外部聯(lián)系的狀態(tài)以及狀態(tài)變化的方式。歸結分析作為面向制造監(jiān)控系統(tǒng)的信息特點包括：（1）信息是人們對事物了解的不確定性的減少或消除；（2）信息是控制系統(tǒng)進行調解活動時，與外界相互作用、相互交換的內容；（3）信息作為事物的聯(lián)系、變化、差異的表現(xiàn)；（4）信息表現(xiàn)了物質和能量在時間、空間上的不均勻的分布；（1）信息是系統(tǒng)的組織程度、有序程度；（5）信息是由物理載體與語義構成的統(tǒng)一體。
2.2 監(jiān)控效用信息
監(jiān)控效用信息（Monitor Effective Information，MEI）是指在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中可以產生決策或物化效用（包括檢測、維修、調度、控制等）目的的信息。監(jiān)控效用信息在監(jiān)控過程中起著主導的作用，監(jiān)控效用大小的不同對監(jiān)控行為和管理決策的影響程度也會有所區(qū)別，其他缺乏或者不含監(jiān)控效用的次要信息往往會在監(jiān)控過程中被忽略和舍棄。
各監(jiān)控平臺設置的傳感器精度不同，置信度不同，采集對象不同，拓撲結構不同，同步/異步傳輸模式不同等，因此采集數(shù)據(jù)信息所產生決策或物化效用的作用也不盡相同。各類生產過程及現(xiàn)場設備環(huán)境均存在海量信息，通過多類傳感器的設置可以采集到其中的部分信息，但普遍有信息數(shù)據(jù)冗余及信息不足的現(xiàn)象并存。以往是通過擴大檢測監(jiān)視范圍和提高傳感器精度等增大數(shù)據(jù)冗余的方法實現(xiàn)；而遠程監(jiān)控系統(tǒng)受制于網(wǎng)絡本身的技術約束限制，超出額定傳輸數(shù)據(jù)量意味著監(jiān)控實時性的降低；同時異構平臺監(jiān)控的對象需求不同，相互間存在數(shù)據(jù)的一致性問題，也需要降低數(shù)據(jù)冗余；監(jiān)控系統(tǒng)投資較大，并實時采集了大量生產過程數(shù)據(jù)，但與以往生產過程（尤其是離散型生產過程）管理集成度不高，主要原因在于監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)信息與生產管理的數(shù)據(jù)信息需求、定義格式及存儲方式均不同，難以集成。綜合考慮兩種因素的影響，本文提出監(jiān)控效用信息理論，即在保證檢測、診斷、控制和生產管理等正常工作要求的前提下，盡可能減少傳輸、轉換及共享的數(shù)據(jù)量，即在監(jiān)控始端實現(xiàn)面向使用的監(jiān)控效用信息的數(shù)據(jù)篩選，保證監(jiān)控實時性能需求。
信息的監(jiān)控效用（程）度，是指信息在某個特定的監(jiān)控目標下，對該目標產生決策或者物化作用的影響力大小程度。由于監(jiān)控過程中存在大量的冗余信息，而同時數(shù)據(jù)處理的能力有限，對信息的監(jiān)控效用進行評估甚至是量化表述，系統(tǒng)便可以通過比較信息的監(jiān)控效用度大小的方法來實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的篩選，從而在有限的數(shù)據(jù)信息支持條件下最大程度地保證所作決策的正確性。
監(jiān)控效用是由目標驅動的：一方面，在特定的監(jiān)控目標下，不同的監(jiān)控信息與目標的關聯(lián)程度不同，可以產生不同的影響力即監(jiān)控效用；另一方面，同樣的監(jiān)控信息在不同的監(jiān)控目標下，其監(jiān)控效用的大小也不同。在實際應用中，監(jiān)控信息的效用與監(jiān)控目標、監(jiān)控對象和監(jiān)控條件等多方面因素息息相關，沒有確定這些因素的所謂監(jiān)控信息效用是沒有意義的。
2.3 基于監(jiān)控效用的信息篩選機制
監(jiān)控效用信息理論提出的目的是以監(jiān)控效用為基準，建立科學有效的信息篩選機制，通過減少不含或者缺乏監(jiān)控效用的信息量來達到降低監(jiān)控數(shù)據(jù)量的目的。其信息篩選機制建立步驟為：
（1）確定系統(tǒng)監(jiān)控目標，包括監(jiān)控對象、監(jiān)控條件和監(jiān)控手段等，以及根據(jù)監(jiān)控信息所可能產生的決策或物化措施；
（2）對監(jiān)控信息的總體進行分析，了解信息的轉換及傳輸流程，掌握影響信息量的因素和控制手段；
（3）根據(jù)監(jiān)控目標下的決策機制，對監(jiān)控對象的相關信息進行監(jiān)控效用評估，從而得到對監(jiān)控目標產生決策影響或物化作用的主要特征信息（監(jiān)控效用信息），并與其他無效或低效的次要監(jiān)控信息加以區(qū)分；
（4）根據(jù)監(jiān)控信息的效用評估結果，利用監(jiān)控信息的控制手段，在信息流程的合適階段建立一套去除無效或低效信息而保留、突出監(jiān)控效用信息的方法，從而完成對監(jiān)控效用信息的篩選過程。
2.4 面向生產現(xiàn)場的監(jiān)控視頻信息篩選
在面向生產現(xiàn)場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻信息最為繁雜冗余，監(jiān)控數(shù)據(jù)量龐大，是導致系統(tǒng)處理能力的不足和網(wǎng)絡傳輸實時性差等問題的主因，監(jiān)控效率也因此難以提高。因此，基于監(jiān)控效用的視頻信息篩選成為監(jiān)控效用信息應用的重要組成部分。
在視頻監(jiān)控過程中，主要的監(jiān)控手段就是監(jiān)控圖像所反映的視覺信息。監(jiān)控人員通過對監(jiān)控對象的注視和觀察，從視覺信息中進一步獲取監(jiān)控對象的顏色、尺寸、形狀、紋理、數(shù)量、位置、運動狀態(tài)等特征信息，從而為監(jiān)控目標提供決策支持。
監(jiān)控目標和監(jiān)控對象的特性不同，視覺信息中蘊含監(jiān)控效用的特征信息也不同，視頻監(jiān)控的方式和重點也隨之變化。根據(jù)監(jiān)控效用信息理論，只需保留視覺信息中的那些對監(jiān)控目標起決策作用的監(jiān)控效用信息便可以保證監(jiān)控目標的順利完成，為遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)視頻信息和圖像數(shù)據(jù)的精簡提供可能。
（1）視頻信息的轉換流程和控制方式
在面向生產的監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，經過一系列的信息選擇和轉化步驟，最終監(jiān)控人員所能得到的僅僅是在監(jiān)控終端顯示的視頻圖像所反映的視覺信息，而這部分信息中還包含了大量與監(jiān)控目標無關或者作用不大的無效信息，真正被監(jiān)控人員所認知和理解并對生產管理起決策支持作用的監(jiān)控效用信息只是其中很小一部分。因而監(jiān)控效用信息的可獲取性成為決定監(jiān)控效率的關鍵。面向生產現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)其信息轉換流程如圖2所示包括三個主要過程。
圖2 監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信息的轉換流程
在遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻信息的數(shù)據(jù)量主要由幀速、分辨率和色彩信息三個因素決定。一般的監(jiān)控目標往往不需要太高的采幀率，同時降低數(shù)據(jù)量以滿足數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理的要求，可以將采幀率適當降低。而一塊采集卡可以實現(xiàn)多種分辨率的視頻采集，根據(jù)不同的監(jiān)控目標來選取適當?shù)姆直媛�。由于監(jiān)控目標不同，現(xiàn)場環(huán)境的復雜程度和光照條件等方面有差異，系統(tǒng)對色彩信息的要求也不一樣。
（2）視頻信息的監(jiān)控效用評估
監(jiān)控圖像中所反映的視覺信息繁雜冗余，實際上完成監(jiān)控目標所需的監(jiān)控效用信息只是其中的很小一部分特征信息。通過對圖像信息進行監(jiān)控效用評估，可以將對監(jiān)控過程起主要作用的監(jiān)控效用信息與其他低效、無效的次要信息加以區(qū)分，從而為隨后的信息篩選提供依據(jù)。
從內容信息的重要性角度來考慮，從而對監(jiān)控畫面不同區(qū)域內圖像信息的監(jiān)控效用進行比較并劃分層次等級。
在生產監(jiān)控圖像的畫面內容中，監(jiān)控人員最為關注的是特定監(jiān)控目標下的監(jiān)控對象，它包含了支持生產管理決策的絕大部分監(jiān)控效用信息，因而畫面中構成監(jiān)控對象的局部圖像信息是最為重要的。
同時，監(jiān)控對象所在的畫面區(qū)域往往也包含了一些監(jiān)控人員需要關注的次要對象，這是監(jiān)控人員的感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），其中蘊含了部分對生產管理起輔助作用的信息，因而這部分區(qū)域的圖像信息也存在一定的重要性。
在感興趣區(qū)域之外的監(jiān)控畫面是背景圖像，其重要性是最低的，幾乎不含監(jiān)控效用信息，對監(jiān)控過程的影響微乎其微。由于監(jiān)控人員需要通過背景區(qū)域圖像信息對生產現(xiàn)場的整體狀況有一個大概認識，從而清楚監(jiān)控對象的相對位置和狀態(tài)并對周圍突發(fā)事件有所了解，因而無法將背景區(qū)域圖像完全舍棄。
可見生產監(jiān)控圖像的畫面內容可以分為背景區(qū)域、感興趣區(qū)域ROI和監(jiān)控對象三部分，各部分圖像信息的重要性及其所蘊含的監(jiān)控效用是逐漸增加的，因而監(jiān)控效用層次也依次提高。圖3所示為視頻畫面的監(jiān)控效用層次模型及信息篩選機制。
圖3 視頻監(jiān)控效用層次模型與信息篩選機制
（3）基于監(jiān)控效用的視頻信息篩選
視頻信息篩選需要選擇在視頻信息轉換流程中的合適階段來進行，在遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻信息篩選的目的是為了減少監(jiān)控數(shù)據(jù)量、降低網(wǎng)絡視頻傳輸碼率，從而提高系統(tǒng)的實時性。篩選工作必須在視頻流進入網(wǎng)絡之前完成，即現(xiàn)場監(jiān)控主機內實現(xiàn)。
從攝像機得到的模擬視頻信號進入現(xiàn)場監(jiān)控主機后，經過數(shù)字化采集、壓縮編碼和網(wǎng)絡發(fā)送三個步驟的處理。無論是模擬視頻信號還是壓縮編碼后的視頻流，都是難以實現(xiàn)信息的提取和處理的。因此只有在視頻流的數(shù)字化采集后、壓縮編碼之前進行視頻信息篩選，才能有效地對原始的數(shù)字化視頻信息實行基于監(jiān)控效用的選擇，如圖4所示。
圖4 視頻信息篩選的選擇手段
圖3所示視頻畫面的監(jiān)控效用層次模型作為信息篩選的依據(jù)，通過減小較低層次的視頻區(qū)域的幀速、分辨率和色彩信息來降低視頻圖像的總體數(shù)據(jù)量，即犧牲低層次圖像信息實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的精簡。視頻信息篩選的關鍵在于如何科學有效地降低背景區(qū)域圖像的信息量，一方面減少無效信息，另一方面也要保證監(jiān)控人員對監(jiān)控畫面的整體概況有所了解。在視頻信息篩選的具體實現(xiàn)上，包括以下幾種可行方法：
①幀速控制：分割出背景區(qū)域圖像并降低其刷新頻率。
②色彩信息控制：背景區(qū)域采用灰度顯示。
③分辨率控制：基于視網(wǎng)膜中央凹處理的圖像變分辨率顯示。
因篇幅限制，本文僅對研究中進行的分辨率控制部分進行介紹。
2.5 監(jiān)控效用信息在視頻監(jiān)控中的應用
監(jiān)控效用信息的分布是以監(jiān)控對象所在的感興趣區(qū)域ROI為中心逐漸減少的，而監(jiān)控對象及其ROI在監(jiān)控過程中正是人眼注視點所在區(qū)域，監(jiān)控效用信息的分布規(guī)律與視網(wǎng)膜中央凹視覺的采樣特性是相符的。
將視網(wǎng)膜中央凹視覺應用到監(jiān)控圖像處理當中，使圖像的顯示分辨率與視覺感知分辨率相匹配，便可以模仿人眼在視覺感知中的信息篩選機制來減少生產監(jiān)控圖像中的非監(jiān)控效用信息量，實現(xiàn)基于監(jiān)控效用的視頻信息篩選。
圖5a所示的切削加工畫面，ROI包含了監(jiān)控對象（被加工工件）以及與加工過程相關的卡具、刀具和切屑等，是監(jiān)控人員的注意力所在，使之與視網(wǎng)膜中央凹相對應；對監(jiān)控畫面進行視網(wǎng)膜中央凹處理，如圖5b對監(jiān)控圖像進行空間變分辨率轉換，將得到的轉換圖像取代原監(jiān)控圖像進行壓縮編碼、網(wǎng)絡傳輸?shù)炔僮�；圖5c在監(jiān)控終端通過逆映射和插值處理等方式，將轉換圖像恢復為正常大小但分辨率有所變化的監(jiān)控圖像進行播放。其中監(jiān)控對象和ROI仍然保持高分辨率顯示，監(jiān)控人員可準確提取其中的監(jiān)控效用信息來進行生產管理和決策，而缺乏監(jiān)控效用信息的背景區(qū)域逐漸降低顯示分辨率，從而使圖像整體數(shù)據(jù)量下降的同時，保持監(jiān)控人員對生產現(xiàn)場狀況的整體認識，同時在一定程度上正確引導監(jiān)控人員的注意力，提高生產監(jiān)控效率。
圖5 基于視網(wǎng)膜中央凹處理的監(jiān)控效用信息實現(xiàn)
在案例企業(yè)具體監(jiān)控項目中，在監(jiān)控目標允許的前提下，經過視網(wǎng)膜中央凹處理的視頻碼率可以比未處理前降低70%以上。同時，結合面向監(jiān)控效用的遠程圖像分割及邊緣擬合后，壓縮后的監(jiān)控效用視頻信息量可以僅為其它壓縮方法的10%以下。
3 結 語
制造系統(tǒng)檢測監(jiān)控技術一直是先進制造技術中的一個研究熱點和核心內容�；诰W(wǎng)絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)理論上基本滿足了當前制造企業(yè)生產與管理模式對監(jiān)控的需求，但也暴露了原有面向本地的監(jiān)控系統(tǒng)在向遠程監(jiān)控系統(tǒng)提升中亟待解決的關鍵性技術問題。監(jiān)控效用信息理論的提出為當前受到網(wǎng)絡質量約束的網(wǎng)絡化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的有效實現(xiàn)提供了使能工具，并為相關的制造系統(tǒng)效用信息技術研究提供了理論支持和實用案例。
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本文標題：監(jiān)控效用信息理論及其應用
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