工業(yè)4.0架構(gòu)下的工業(yè)大數(shù)據(jù)的需求、環(huán)境及服務(wù)化

程曉蕾

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009；2.萬博科技職業(yè)學(xué)院，安徽合肥 230031）

工業(yè)4.0架構(gòu)下的工業(yè)大數(shù)據(jù)的需求、環(huán)境及服務(wù)化

程曉蕾1，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009；2.萬博科技職業(yè)學(xué)院，安徽合肥 230031）

基于Cyber-Physical系統(tǒng)服務(wù)創(chuàng)新是未來制造業(yè)不可避免的趨勢，本文在闡述工業(yè)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的制造業(yè)涉及的服務(wù)化功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)4.0下的工業(yè)大數(shù)據(jù)的需求、環(huán)境及服務(wù)化，提出采用智能預(yù)測工具管理工業(yè)大數(shù)據(jù)，增加工業(yè)生產(chǎn)透明度，提高工作效率.

工業(yè)4.0；制造業(yè)服務(wù)化；工業(yè)大數(shù)據(jù)；Cyber-Physical系統(tǒng)

前言

隨著信息化以及網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，特別是隨著工業(yè)4.0時代的臨近，高新技術(shù)企業(yè)面臨越來越激烈的商業(yè)競爭，為提高生產(chǎn)效率，如何利用工業(yè)大數(shù)據(jù)以及采用何種方式管理工業(yè)大數(shù)據(jù)是許多企業(yè)必須要面對的問題.在德國政府的推動下，基于Cyber-Physical系統(tǒng)的工業(yè)4.0體系中嵌入大量軟件和智能集成系統(tǒng)，連接電氣化與智能化的智能算法被用于產(chǎn)品性能預(yù)測、自主管理及產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化.

控制中心優(yōu)化以及智能化是智能工廠涉及的兩個重點(diǎn).智能不僅包括機(jī)器自身的性能，還包括機(jī)器交互整合，以及與特定機(jī)器直接相關(guān)的周邊系統(tǒng)，獲得更多的智能，把普通設(shè)備轉(zhuǎn)換成具有自我意識和自我學(xué)習(xí)能力的智能機(jī)器，提高整體性能.將普通的工業(yè)設(shè)備改造成智能機(jī)器，需要解決機(jī)器管理人員和操作人員互動問題，所有相關(guān)機(jī)器設(shè)備的整合問題，產(chǎn)品與加工的工程監(jiān)控問題，大數(shù)據(jù)和云計算的應(yīng)用問題，傳感器和控制器網(wǎng)絡(luò)獲得數(shù)據(jù)和信息問題.

大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)管理及分配是實(shí)現(xiàn)機(jī)器自我意識和自我學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，云計算能夠提供更靈活性的計算方式，但如何實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的高效管理，仍需進(jìn)一步研究和開發(fā)切實(shí)可行的預(yù)測與管理算法.面對即將來臨的大數(shù)據(jù)環(huán)境，目前對數(shù)據(jù)處理的服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)4.0工廠現(xiàn)代化的需求.建立基于工業(yè)大數(shù)據(jù)分析下的自我感知和機(jī)器自我維護(hù)系統(tǒng)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的制造業(yè)服務(wù)化將大數(shù)據(jù)環(huán)境融合進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)體系中，將有利于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向工業(yè)4.0邁進(jìn).

1 工業(yè)大數(shù)據(jù)的需求

信息化自動化的發(fā)展將早期的機(jī)械系統(tǒng)推進(jìn)到高度自動化水平.在工業(yè)4.0概念中，信息技術(shù)和社交媒體網(wǎng)絡(luò)決定產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量、品種類型、交貨速度以及消費(fèi)者的認(rèn)知.及時調(diào)整生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備的自我意識、自我預(yù)測、自我相比、自我重構(gòu)、自我維護(hù)是工業(yè)4.0的主要組成部分.通過服務(wù)創(chuàng)新和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)，整合大數(shù)據(jù)環(huán)境和云技術(shù)的優(yōu)勢，完善預(yù)測功能，實(shí)現(xiàn)信息的智能管理.

目前，傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國如德國等先進(jìn)國家為應(yīng)對新興國家、新興市場，以及全球供應(yīng)鏈的威脅，正努力調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，改造原有的制造業(yè)運(yùn)營模式，以維持制造業(yè)在國際上的領(lǐng)先地位.而奮起直追的部分制造業(yè)大國（如中國和印度等）也積極升級傳統(tǒng)制造業(yè)，應(yīng)對科技革命帶來的挑戰(zhàn).信息化的制造業(yè)企業(yè)不僅需要尋求制造技術(shù)的創(chuàng)新，而且也開始關(guān)注制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中形成的服務(wù)業(yè).制造業(yè)和服務(wù)業(yè)間的模糊邊界會驅(qū)動和刺激制造業(yè)向服務(wù)化方向發(fā)展.

2 工業(yè)大數(shù)據(jù)的環(huán)境

作為一個時髦詞，大數(shù)據(jù)在最近許多場合廣泛應(yīng)用，它是由人類產(chǎn)生并挖掘的數(shù)據(jù)內(nèi)容，目前采用的大數(shù)據(jù)主要集中于社會和商業(yè)領(lǐng)域，包括：銷售預(yù)測、用戶挖掘和集群、意見挖掘等，涉及的大數(shù)據(jù)來自“人為產(chǎn)生或與人類有關(guān)的數(shù)據(jù)”，而不是“機(jī)器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（工業(yè)數(shù)據(jù)）”，涉及的機(jī)器數(shù)據(jù)來自機(jī)器控制器、傳感器及制造系統(tǒng).在工業(yè)4.0時代中，智能分析與物聯(lián)網(wǎng)的緊密結(jié)合將改造現(xiàn)有的生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行方式.機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的大量工業(yè)數(shù)據(jù)被傳感器等裝置及時存貯和提取，還能夠挖掘機(jī)器產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù).所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過合并，整合成“大數(shù)據(jù)”，轉(zhuǎn)化平臺將海量的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息.傳送與集成平臺、預(yù)測分析和可視化工具組成一個完整的轉(zhuǎn)化平臺.海量的大數(shù)據(jù)經(jīng)過智能提煉后，并將少量信息轉(zhuǎn)化為有用的實(shí)際處理信息，是工業(yè)4.0工廠的關(guān)鍵.

3 機(jī)器的自我意識和自我維護(hù)

工業(yè)大數(shù)據(jù)環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的發(fā)展把系統(tǒng)和人類緊密連接在一起，物-人交互產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)屬于制造業(yè)的大數(shù)據(jù)環(huán)境.未來工業(yè)將實(shí)現(xiàn)一個機(jī)器機(jī)組范圍內(nèi)的信息系統(tǒng)傳輸與運(yùn)算，先進(jìn)分析技術(shù)（云計算和Cyber-PhysicalSystems）的出現(xiàn)將有助于機(jī)器獲得自我意識，并能夠預(yù)防潛在的性能問題.將一個具有自我意識和自我維持機(jī)器的系統(tǒng)定義為一個完整系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自我評估自身的健康和運(yùn)行狀況，此外，該系統(tǒng)還能夠根據(jù)其他同行的類似智能信息，通過智能分析，進(jìn)行優(yōu)化后的決策，從而避免出現(xiàn)潛在問題.以上自我評估過程屬于機(jī)器的智能過程，需要在個體和機(jī)組中使用智能分析.在數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法分析前提下，在自我意識的控制下機(jī)械系統(tǒng)能夠評估機(jī)器在當(dāng)前及過去的健康狀況，并能夠?qū)υu估結(jié)果輸出反應(yīng)，將機(jī)器的實(shí)時狀況反饋到機(jī)器控制器，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，同時有利于獲得機(jī)器管理員的維修.然而，在目前大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，自我意識的機(jī)器遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)，診斷或預(yù)測算法通常只是針對特定機(jī)器或應(yīng)用程序.一個具有自我意識的機(jī)器沒有完全實(shí)現(xiàn)的原因主要為：（1）缺乏人機(jī)交互緊密耦合，目前機(jī)器只能被動地服從命令，被分配的任務(wù)往往并不是最適合的狀態(tài).智能化機(jī)器系統(tǒng)能夠根據(jù)提供的建議安排任務(wù)，及時調(diào)整運(yùn)營參數(shù)，最大限度地提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量；（2）缺乏適應(yīng)性學(xué)習(xí)和充分利用信息，在大多數(shù)情況下，工業(yè)4.0系統(tǒng)算法的數(shù)據(jù)僅從機(jī)器實(shí)際使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲得，因?yàn)闄C(jī)器實(shí)時采集數(shù)據(jù)通常為多個機(jī)器單元，這樣的數(shù)據(jù)來源遠(yuǎn)非最佳.

4 工業(yè)大數(shù)據(jù)的服務(wù)化

大數(shù)據(jù)在工業(yè)4.0體系中的應(yīng)用包括三個層面：首先，定義數(shù)據(jù)和信息記錄和管理來自物理空間收集的信息；其次，網(wǎng)絡(luò)空間被設(shè)計成積累的知識，在智能控制下將此應(yīng)用于機(jī)器健康的評估；最后，健康評估結(jié)果反饋至物理空間，并采取相應(yīng)的行動，實(shí)現(xiàn)智能化操作.

4.1 機(jī)器健康的自我評估.工業(yè)4.0體系中，根據(jù)獲得的大數(shù)據(jù)及其相關(guān)算法，機(jī)器能夠評估自身健康水平及其在物理世界中的表現(xiàn).在自適應(yīng)學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法的基礎(chǔ)上，機(jī)器健康自我評估能夠?qū)崟r反饋機(jī)器性能和機(jī)器的健康水平.隨著新的數(shù)據(jù)的大量增長，機(jī)器健康的大數(shù)據(jù)也同步增長，其保真度以及應(yīng)對現(xiàn)實(shí)復(fù)雜工作的能力也同時提高.機(jī)器在收集發(fā)出的數(shù)據(jù)后，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)挖掘算法，在比較橫向數(shù)據(jù)（機(jī)器設(shè)備對機(jī)器設(shè)備）和縱向數(shù)據(jù)（時間對時間）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器健康的自我評估.在預(yù)設(shè)的預(yù)測算法基礎(chǔ)上，對特定機(jī)器的健康信息評估也極為重要，智能控制將從其數(shù)據(jù)庫中提取必要的信息，然后進(jìn)行相應(yīng)機(jī)器的健康評估.

4.2 自我維護(hù)的決策分析.機(jī)器設(shè)計、控制和決策的主要目標(biāo)是滿足其生產(chǎn)目標(biāo)，以及高效率的生產(chǎn)計劃、設(shè)備維修及生產(chǎn)調(diào)度.在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，設(shè)備停機(jī)以及機(jī)器故障大都是由系統(tǒng)性能引起的，降低了生產(chǎn)效率以及運(yùn)營效率.影響機(jī)器系統(tǒng)性能的兩個關(guān)鍵因素為：（1）減少非計劃停機(jī)時間，提高機(jī)器的運(yùn)營效率；（2）檢測影響生產(chǎn)的瓶頸組件，高效利用系統(tǒng)的有限資源，提高機(jī)器的應(yīng)用效率.

4.3 CPS架構(gòu).Cyber-PhysicalSystems（CPS架構(gòu)）通過結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)以及機(jī)器機(jī)組的信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自我意識和自我維護(hù).CPS架構(gòu)的策略可以挖掘隱藏在大數(shù)據(jù)中的有用信息.工業(yè)大數(shù)據(jù)下的CPS架構(gòu)的特點(diǎn)主要包括：（1）架構(gòu)的統(tǒng)一性.統(tǒng)一性能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器對機(jī)器狀況的建模，工業(yè)4.0 中CPS涉及的數(shù)據(jù)不僅來源自單一機(jī)器，而且絕大部分來自機(jī)器組合和人工操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù).CPS架構(gòu)下的系統(tǒng)從特定機(jī)器、密切相關(guān)的其他機(jī)器，以及操作人員等周圍的環(huán)境收集信息數(shù)據(jù).智能控制下的機(jī)器還能夠分析其他機(jī)器的過去歷史的數(shù)據(jù)，并且通過與自身數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評估自身機(jī)器的運(yùn)行狀況；（2）自我意識和自我維護(hù)，該功能主要通過自學(xué)習(xí)PHM算法實(shí)現(xiàn)，低強(qiáng)度和無效處理是PHM算法應(yīng)用的主要障礙；（3）智能決策系統(tǒng)維護(hù)，根據(jù)每個機(jī)器機(jī)體健康狀況，通過平衡和補(bǔ)償工作負(fù)荷等措施使機(jī)器性能達(dá)到最大化.

4.4 工業(yè)大數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng).監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)于智能制造和工業(yè)大數(shù)據(jù)環(huán)境，監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)器運(yùn)行狀況的預(yù)測能夠減少停機(jī)時間.預(yù)測系統(tǒng)的信息支持ERP系統(tǒng)具有優(yōu)化生產(chǎn)管理、維修調(diào)度以及保證機(jī)器安全的功能.監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)線中的信息流和供應(yīng)鏈管理，使企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營更加透明化和組織化.此外，監(jiān)測系統(tǒng)有利于降低勞動力成本，并為操作人員和管理者提供了一個更好的工作環(huán)境.監(jiān)測系統(tǒng)還能夠通過節(jié)能措施降低成本，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化檢修計劃和供應(yīng)鏈管理.

5 小結(jié)

第四代工業(yè)革命工業(yè)4.0是未來工業(yè)的發(fā)展方向，在整個產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的所有機(jī)器通過網(wǎng)絡(luò)和智能控制形成一個協(xié)作團(tuán)隊(duì)，相互聯(lián)系，緊密銜接，實(shí)現(xiàn)智能化操作.面對由機(jī)器產(chǎn)生的龐大的數(shù)據(jù)，需要采用預(yù)測工具，使得大量雜亂無章的數(shù)據(jù)被系統(tǒng)地處理成可用的信息，并且可用來解釋某些不確定性，從而做出更多“知情”決定，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的智能控制.伴隨著即將到來的工業(yè)4.0時代，制造業(yè)不僅僅包括單個機(jī)械設(shè)備或者生產(chǎn)線，還包括制造業(yè)服務(wù)化，服務(wù)化的深入將改變整個制造商的價值.工業(yè)大數(shù)據(jù)的急劇增大使得制造分析的服務(wù)業(yè)比過去更為重要，另外，自我意識和機(jī)器自我維護(hù)也是在工業(yè)大數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)的基礎(chǔ)上實(shí)施的.CPS架構(gòu)包括Cyber-PhysicalSystems和決策支持系統(tǒng)，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的服務(wù)業(yè)實(shí)施的有效手段，CPS架構(gòu)策略能夠挖掘隱藏的大數(shù)據(jù)信息，并提煉有用的信息.

〔1〕Jay Lee，Hung-An Kao，Shanhu Yang.Service innovation and smart analytics for Industry4.0and big data environment.Procedia CIRP，2014，16：3-8.

〔2〕王喜文.工業(yè)4.0：智能工業(yè)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（12）：1-3.

〔3〕李杰.“工業(yè)4.0”環(huán)境下的預(yù)測型制造［J］.世界科學(xué)，2014 （5）：13-16.

TP311.13

A

1673-260X（2015）04-0014-02

級別：省級，安徽省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于CDIO的“教產(chǎn)結(jié)合、工學(xué)一體”高職理工類人才培養(yǎng)模式的研究；主持人：程曉蕾；項(xiàng)目編號：2014jyxm655