再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)模型*

王樂達(dá) 廖劍鋒 位 磊 劉曉軍

(①華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北 武漢 430074)

(②華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，我國政府一直積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保和資源再生。作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)體中的重要組成部分，回收再制造企業(yè)正引起社會極大的關(guān)注。為提高信息化水平，眾多企業(yè)開始引進(jìn)各種自動化系統(tǒng)。各種制造物聯(lián)技術(shù)也開始大量運(yùn)用于企業(yè)，以RFID、傳感器和Wi-Fi 為基礎(chǔ)感知技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)正為企業(yè)帶來巨大變革?；厥赵僦圃煲呀?jīng)成為電子產(chǎn)品全生命周期物聯(lián)模型中的重要一環(huán)［1］。但是，物聯(lián)網(wǎng)必然產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，對大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和反應(yīng)需要數(shù)據(jù)信息和物理環(huán)境深度融合。要使信息世界與物理世界深度融合，單純的物聯(lián)網(wǎng)顯然已經(jīng)無能為力，這就需要信息物理融合系統(tǒng)(cyber -physical systems，CPS)的幫助。CPS 是一個集通信、計(jì)算和控制技術(shù)為核心的可控制、可擴(kuò)展和高集成的大型智能工程系統(tǒng)，它通過對物理環(huán)境的感知，安全、可靠、有效地對物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測或者控制，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的深度交互融合。CPS 可以使物理進(jìn)程具備計(jì)算、通信、監(jiān)控、自治和遠(yuǎn)程協(xié)作5 大功能。而且隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，計(jì)算進(jìn)程與物理資源之間的聯(lián)系在未來會更加深入，這將會大大提高CPS技術(shù)控制物理世界的能力。為此，筆者將結(jié)合產(chǎn)品再制造企業(yè)生產(chǎn)線特點(diǎn)及運(yùn)行模式，建議將CPS 運(yùn)用于再制造企業(yè)，并提出再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)模型。根據(jù)CPS 的5 層體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出各個功能模塊。分析認(rèn)為，這種基于CPS 的再制造生產(chǎn)線將顯著提高生產(chǎn)效率和管理水平。

1 CPS 研究現(xiàn)狀

目前，CPS 已經(jīng)引起了國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)學(xué)者的廣泛關(guān)注與高度重視，正成為近年來的研究熱點(diǎn)。在理論基礎(chǔ)研究方面，重點(diǎn)研究解決系統(tǒng)抽象層次設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、子系統(tǒng)集成等方面的問題［2］。張侃等學(xué)者提出了一種可信的信息物理融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架［3］，張廣泉等學(xué)者提出了CPS 基于體系結(jié)構(gòu)能耗建模的思想。譚鵬柳博士從實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)兩個方面提出解決系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的CPS 系統(tǒng)模型［4］。何明博士等人提出了一種基于多視圖的CPS 體系結(jié)構(gòu)［5］。朱敏等人提出一種使用微分動態(tài)邏輯的CPS 模型，并進(jìn)行了屬性驗(yàn)證［6］。梁東方等人則提出了一種基于異構(gòu)模型融合的CPS 系統(tǒng)仿真建模方法［7］。佘維博士等人用系統(tǒng)框架模型分析了信息物理融合系統(tǒng)中物理世界與信息世界的聯(lián)系與交互，并為研究系統(tǒng)的行為預(yù)測、狀態(tài)評估和實(shí)時(shí)控制提供了有效方法［8］。

在行業(yè)應(yīng)用方面，在涉及到數(shù)據(jù)和物理環(huán)境需要深度融合的場景，開始逐漸重視CPS 系統(tǒng)。結(jié)合CPS 優(yōu)勢，很多專家學(xué)者針對不同行業(yè)應(yīng)用提出了新思路和新方法。孫彥景等學(xué)者提出在井下環(huán)境監(jiān)測中采用信息物理融合系統(tǒng)，構(gòu)建檢測、預(yù)警、控制和定位于一體的煤礦信息物理融合系統(tǒng)模型［9］。在電力行業(yè)，劉漢宇提出在微電網(wǎng)建設(shè)中采用CPS 系統(tǒng)［10］，莊偉等學(xué)者提出將信息物理融合系統(tǒng)引入智能配電網(wǎng)繼電保護(hù)，并比較了與傳統(tǒng)繼電保護(hù)的優(yōu)勢［11］。趙俊華教授等人將信息物理融合系統(tǒng)與電力系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出電力信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，并分析了該系統(tǒng)的可靠性與安全性［12］。龔龔等人基于CPS 理論開發(fā)出城市交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)［13］。劉軍博士等人開發(fā)出符合統(tǒng)一硬件模型的倉儲監(jiān)控管理信息物理融合系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中成功應(yīng)用［14］。張寶利等人則將CPS 系統(tǒng)引入電解鋁實(shí)時(shí)感知控制通信系統(tǒng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果［15］。孫旭霞博士等人設(shè)計(jì)出符合3 層結(jié)構(gòu)模型規(guī)范的水輪機(jī)組溫度監(jiān)控信息融合系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)可靠性明顯提高［16］。

2 再制造生產(chǎn)線CPS 體系結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的信息物理融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)不同，其內(nèi)部設(shè)備獨(dú)立性低，且相互之間可以進(jìn)行交互融合，使數(shù)據(jù)信息在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中的流通性變強(qiáng)，具有系統(tǒng)功能多元化。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計(jì)，還沒有研究開發(fā)人員對再制造這一行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行信息物理系統(tǒng)的研究。分析比較信息物理融合系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，采用基于模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，使信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用于再制造生產(chǎn)線具備了可行性。借鑒物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合信息物理融合系統(tǒng)中信息與物理環(huán)境深度融合的優(yōu)勢，筆者在此提出再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。該模型具有5層體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次主要包括監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層、感知層和物理層，各層之間有雙向數(shù)據(jù)信息流，使其具備信息交互和協(xié)同監(jiān)控功能。

(1)物理層 物理層的功能是為感知設(shè)備提供各類可讀信息。它主要由再制造生產(chǎn)流水線中的所有物料實(shí)體及其個體屬性構(gòu)成。物理層位于信息感知一線，是信息物理融合系統(tǒng)信息采集和生成的源頭。

(2)感知層 感知層的功能是將生產(chǎn)流水線中的物料個體屬性數(shù)據(jù)傳遞到信息系統(tǒng)中。它由傳感器、探測器和閱讀器等物理感知設(shè)備構(gòu)成。感知層的作用是對車間環(huán)境進(jìn)行感知，獲取各類信息數(shù)據(jù)，并通過已經(jīng)嵌入物理感知設(shè)備中的信息處理器件，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，并將其中可用的信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層通信設(shè)備傳送到監(jiān)控層，為監(jiān)控層所做出的策略與指令提供依據(jù)。

(3)執(zhí)行層 執(zhí)行層的功能是將信息系統(tǒng)監(jiān)控層所下達(dá)的策略計(jì)劃及行動指令轉(zhuǎn)換成對物料個體屬性的改造與維護(hù)。它是由生產(chǎn)流水線中的各類執(zhí)行器設(shè)備構(gòu)成。執(zhí)行層的作用是通過接收由網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)谋O(jiān)控層指令信息，并以此為依據(jù)對生產(chǎn)線中的個體物料進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)了信息世界與物理世界的交互融合。

(4)網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)層的功能是為系統(tǒng)各層模塊之間的交互提供通信信道。它是由路由器、交換機(jī)和通信服務(wù)器等通信設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層的作用是為系統(tǒng)中的各類設(shè)備之間的信息傳輸提供保障，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各層模塊之間通信形式的多樣化。網(wǎng)絡(luò)層使信息在傳遞過程中具有保真性、安全性。

(5)監(jiān)控層 監(jiān)控層是信息物理融合系統(tǒng)的核心。監(jiān)控層的功能是通過指令對執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期策略與計(jì)劃，產(chǎn)生正確的行為活動，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)對物理世界的維護(hù)與改造。它是由決策部件、控制節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫和控制中心組成的。監(jiān)控層的作用是對感知層所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行全局融合及分析處理，實(shí)時(shí)提供對全局情況的準(zhǔn)確評估，制定出最優(yōu)整體生產(chǎn)策略。其通過發(fā)送指令到執(zhí)行層，控制執(zhí)行設(shè)備并與物理世界進(jìn)行交互，不斷地改進(jìn)系統(tǒng)自身策略，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效能的準(zhǔn)確化分配。

3 再制造生產(chǎn)線CPS 功能模型

結(jié)合再制造生產(chǎn)線體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)功能模型，如圖2 所示。

(1)產(chǎn)品回收功能

通過CPS 實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車輛及被運(yùn)載物料實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控與管理，使企業(yè)高層及各級工作人員能夠通過系統(tǒng)及時(shí)掌握物料回收運(yùn)輸狀態(tài)，并制定出最優(yōu)運(yùn)輸策略，達(dá)到物料回收運(yùn)輸功能的高效化。

(2)倉儲管理功能

通過CPS 實(shí)現(xiàn)對入庫、在庫和出庫物料動態(tài)信息的實(shí)時(shí)跟蹤與查詢，并結(jié)合倉儲計(jì)劃與生產(chǎn)需求，及時(shí)做出物料調(diào)度與調(diào)控等相應(yīng)決策，使倉庫庫位得到最大化合理利用，逐步實(shí)現(xiàn)倉儲的自動化與立體化管理功能。

(3)生產(chǎn)制造功能

通過CPS 實(shí)現(xiàn)對原料、零部件和在制品等產(chǎn)品信息動態(tài)進(jìn)行感知識別與記錄處理，控制生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)中的傳送帶、制造機(jī)器人和感應(yīng)識別器等車間執(zhí)行設(shè)備，實(shí)時(shí)對生產(chǎn)策略和生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)控，達(dá)到生產(chǎn)效能的均衡化，并大力提升車間生產(chǎn)線生產(chǎn)制造過程的智能化水平。

(4)質(zhì)量監(jiān)控及溯源功能

通過CPS 對生產(chǎn)流程各關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的在制品質(zhì)量信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)監(jiān)控，只要發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，就立即對不合格產(chǎn)品進(jìn)行溯源處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對在制品質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 再制造生產(chǎn)線CPS 系統(tǒng)模塊

信息物理融合系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)對生產(chǎn)流程和個體要素的智能化、集成化控制，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)成本。結(jié)合CPS 體系結(jié)構(gòu)和功能模型，設(shè)計(jì)出再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)模型，和功能模型對應(yīng)，系統(tǒng)主要包括4 個管理模塊，如圖3 所示。系統(tǒng)要求每個模塊之間具有信息交互，并對模塊中的設(shè)備活動進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)信息物理融合系統(tǒng)在再制造過程中的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(1)產(chǎn)品回收管理模塊

產(chǎn)品回收是再制造的起始環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品回收過程中，通過RFID 閱讀器與傳感器等感知設(shè)備，將目標(biāo)物料的所在地與個體數(shù)量等物理信息進(jìn)行預(yù)處理，并上傳到CPS 系統(tǒng)監(jiān)控層，制定出相應(yīng)的最優(yōu)化回收運(yùn)輸策略。再由Wi-Fi 與無線AP 等通信交互設(shè)備，將指令傳送到工作人員的手持終端，并按照指令完成計(jì)劃。該模塊可使企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控回收運(yùn)輸動態(tài)，制定相應(yīng)的收貨入庫計(jì)劃，以降低回收運(yùn)輸與倉儲管理兩個生產(chǎn)流程模塊之間的獨(dú)立性，提高作業(yè)效率。

(2)倉儲管理模塊

倉儲管理主要分為入庫、在庫和出庫3 大管理流程。入庫管理環(huán)節(jié)利用庫房入口安裝的RFID 閱讀器與探測器等感知傳感設(shè)備對物料上的RFID 標(biāo)簽和條形碼等器件進(jìn)行信息采集，并將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選處理后傳遞到數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫檢驗(yàn)核對入庫物料的個體信息，通過發(fā)送指令控制自動化設(shè)備將物料安排到相應(yīng)庫位。在庫管理環(huán)節(jié)利用庫房內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，通過托盤與傳送帶等機(jī)械設(shè)備完成對物料的分裝、加工和盤點(diǎn)等操作管理指令。出庫環(huán)節(jié)則根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控層既定策略，按指令完成物料的分配與出庫。

(3)生產(chǎn)制造管理模塊

生產(chǎn)制造主要分為廢舊產(chǎn)品檢驗(yàn)分類、拆解配送和總裝再制造3 大環(huán)節(jié)。在第1 個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，RFID閱讀器與傳感器等感知設(shè)備元件讀取貼掛在產(chǎn)品上的RFID 標(biāo)簽、條形碼和產(chǎn)品特征標(biāo)識中的信息，并通過嵌入式設(shè)備的計(jì)算部件對信息進(jìn)行預(yù)處理，再由交換機(jī)與路由器等無線通訊設(shè)備傳輸?shù)较到y(tǒng)執(zhí)行層?？刂浦行呐c決策部件依據(jù)采集的信息制定產(chǎn)品分類處理計(jì)劃，指導(dǎo)生產(chǎn)線上的員工，指導(dǎo)相關(guān)設(shè)備對廢舊產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測與分類。同時(shí)，感知層探測器采集執(zhí)行層設(shè)備行為活動信息，由通信網(wǎng)絡(luò)傳送，存儲在執(zhí)行層設(shè)備查詢系統(tǒng)中，使生產(chǎn)管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)程，降低生產(chǎn)出錯率。在第2 個環(huán)節(jié)中，執(zhí)行層設(shè)備和生產(chǎn)線員工按照監(jiān)控層下達(dá)的拆解加工指令對已分類的物料進(jìn)行處理。感知層設(shè)備根據(jù)已加工零部件個體物理信息，通過執(zhí)行層自動化設(shè)備對其貼掛新的特征標(biāo)識，并將其傳送到合適的生產(chǎn)線進(jìn)行總裝。為了實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線上的物料實(shí)時(shí)追蹤查詢功能，可直接將生產(chǎn)線上的感知層設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理并存儲，通過應(yīng)用系統(tǒng)引導(dǎo)，管理者就可以合理調(diào)控作業(yè)計(jì)劃，均衡車間生產(chǎn)能力。在第3 個環(huán)節(jié)，主要完成對零部件的總裝制造。執(zhí)行層設(shè)備將車間感知設(shè)備網(wǎng)絡(luò)采集的物理環(huán)境信息直接集成到通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)控制中心、決策部件等監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)對活動進(jìn)行查詢跟蹤，并快速對執(zhí)行層下達(dá)指令，指導(dǎo)生產(chǎn)線對產(chǎn)品進(jìn)行列隊(duì)排序生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其智能化組裝配件，使總裝制造生產(chǎn)線的自動化水平大幅提高。

(4)質(zhì)量監(jiān)控及溯源管理模塊

對產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控和溯源問責(zé)是CPS 系統(tǒng)的重要管理功能。該模塊通過車間操作設(shè)備將感知網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PS 系統(tǒng)監(jiān)控層，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線中的物理個體實(shí)時(shí)信息的收集和處理。通過再制造生產(chǎn)線應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用感知設(shè)網(wǎng)絡(luò)獲取的監(jiān)控設(shè)備所存儲的信息數(shù)據(jù)，迅速找出問題環(huán)節(jié)，立刻采取反饋溯源機(jī)制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全面質(zhì)量監(jiān)控與溯源。

5 結(jié)語

信息物理融合技術(shù)是近年來新興的一種物聯(lián)網(wǎng)信息通信方式。它可以為再制造生產(chǎn)線工藝的改革創(chuàng)新提供新的思想路線和解決方案。因此，研究將信息物理融合技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)中，將實(shí)現(xiàn)并提升再制造生產(chǎn)水平，對于我國再制造技術(shù)體系的完善有一定的積極意義。通過研究信息物理融合系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出再制造生產(chǎn)線信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)功能構(gòu)框模型，并將其融合與應(yīng)用于企業(yè)再制造生產(chǎn)流水線中。生成物理環(huán)境與生產(chǎn)信息的深度融合可以為企業(yè)提供敏捷管理，從而提高生產(chǎn)效率和管理水平。再制造生產(chǎn)線的信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)得到局部應(yīng)用。

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