智慧工廠的信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

虞文進(jìn)　黎勇　徐元根　王軍

摘 要： 分析了CPS的概念、基本功能和特性，針對工廠的實際情況，提出一種CPS五層體系結(jié)構(gòu)，包括泛在感知層、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、語義信息層、模型計算層、服務(wù)代理層。并對各個層次的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。通過一個卷煙工廠落地應(yīng)用實例，證明了體系結(jié)構(gòu)符合工廠的信息化水平和應(yīng)用現(xiàn)狀，對工廠走向智慧化起到基礎(chǔ)性支撐作用。

關(guān)鍵詞： 信息物理融合系統(tǒng)； 體系結(jié)構(gòu)； 智慧工廠； 卷煙

中圖分類號： TN98?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）05?0151?04

Abstract： The concept， basic function and characteristics of the cyber?physical system （CPS） are analyzed. According the practical situation of the factory， a five?layer architecture of CPS is proposed， including the perception layer， network layer， semantic information layer， model computing layer and service agent layer. The key technology and structure of each layer were designed in detail. It is proved that the architecture conforms with the informatization level and application status of the factory with an application example of the cigarette factory， and plays a basic supporting function for the construction of the smart factory.

Keywords： cyber?physical system； architecture； smart factory； cigarette

0 引 言

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber?Physical System，CPS）是最近幾年出現(xiàn)的一個新概念，是指計算和物理要素之間緊密結(jié)合與協(xié)作的系統(tǒng)[1]。有文獻(xiàn)指出，CPS的影響將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越20世紀(jì)的IT革命，就像Internet改變了人與人交互的方式一樣，CPS的出現(xiàn)將改變?nèi)伺c物理世界交互的方式[2]。CPS一經(jīng)出現(xiàn)便立即引起各國的重視。美國2007年的研究中便將CPS列入重要領(lǐng)域[3]，德國將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)之一[4]。我國863技術(shù)也于2010年開展CPS的相關(guān)研究[3]。

CPS的落地應(yīng)用與研究是按行業(yè)開展的，具有明顯的領(lǐng)域相關(guān)（Domain?Specific）特征[3]。文獻(xiàn)[5]描述了CPS在電力領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[6]描述了CPS在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[7]描述了CPS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[8]描述了CPS在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，但其在制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究較為少見。

本文對CPS體系結(jié)構(gòu)和適用于智慧工廠的系統(tǒng)特性進(jìn)行研究與分析，給出了CPS五層體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計，并應(yīng)用于實際案例。

1 CPS概述

1.1 CPS定義

CPS是通過計算（Computation）、通信（Communication）與控制（Control）技術(shù)的有機(jī)深度融合，實現(xiàn)計算資源與物理資源緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代智能系統(tǒng)。在微觀上，CPS通過在物理系統(tǒng)中嵌入計算與通信內(nèi)核實現(xiàn)計算進(jìn)程與物理進(jìn)程的一體化。計算進(jìn)程與物理進(jìn)程通過反饋循環(huán)方式相互影響，實現(xiàn)嵌入式計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對物理進(jìn)程可靠、實時和高效的監(jiān)測、協(xié)調(diào)與控制。在宏觀上，CPS是由運行在不同時間和空間范圍的分布式、異步的異構(gòu)系統(tǒng)組成的動態(tài)混合系統(tǒng)，包括感知、決策和控制等各種不同類型的資源和可編程組件。各個子系統(tǒng)之間通過有線或無線通信技術(shù)，依托網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對物理與工程系統(tǒng)的實時感知、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)、精確的動態(tài)控制和信息服務(wù)[3]。一般來說，開展智能化設(shè)備研究及開發(fā)多采用微觀描述，而對諸如生產(chǎn)、交通這樣的系統(tǒng)性工程多采用宏觀描述。

1.2 CPS在智慧工廠中的地位

基于工業(yè)4.0的智慧工廠是以全面感知的CPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建，如圖1所示。CPS將融合物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)，是智慧工廠的基礎(chǔ)及核心技術(shù)之一。文獻(xiàn)[9]給出了智慧工廠實現(xiàn)的五大關(guān)鍵因素，但同時指出最為基本的是建立在CPS之上。

1.3 智慧工廠環(huán)境下CPS特性要求

智慧工廠是數(shù)字化工廠之后新一代的制造模式，包括多種核心特征，具體如下：

智慧工廠的異構(gòu)性：智慧工廠將包括多種控制系統(tǒng)、智能裝備和傳感設(shè)備。作為智慧工廠基礎(chǔ)的CPS應(yīng)當(dāng)采用開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，集成許多功能與結(jié)構(gòu)各異的子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間通過有線或無線的通信方式相互協(xié)調(diào)工作。

智慧工廠的實時性：智慧工廠必須對工廠實時的事件做出正確、合理的反應(yīng)。要求CPS系統(tǒng)基于事件驅(qū)動機(jī)制，具有強(qiáng)實時特征和時間全局一致性。

智慧工廠的數(shù)據(jù)驅(qū)動：數(shù)據(jù)驅(qū)動是新一代工廠區(qū)別于傳統(tǒng)工廠的本質(zhì)特征。要實現(xiàn)工業(yè)4.0提出的三個維度數(shù)據(jù)驅(qū)動流程，在底層落地需要CPS體現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的特征要求。

智慧工廠的模型驅(qū)動：工廠數(shù)字模型是智慧工廠數(shù)據(jù)驅(qū)動的內(nèi)在動力，體現(xiàn)物理模型、邏輯模型、資源模型等相關(guān)內(nèi)容。CPS也必須是該模型的承載平臺和運行環(huán)境，要求具備全局一致的虛擬模型。

智慧工廠的工業(yè)特征：作為制造工廠，現(xiàn)實要求的高度安全性、高度可靠性、領(lǐng)域相關(guān)性都是對CPS的要求。

2 CPS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 CPS體系結(jié)構(gòu)

CPS體系結(jié)構(gòu)是CPS的核心技術(shù)，是CPS的骨架和基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[10]給出一套CPS結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計，并將其應(yīng)用在智能交通領(lǐng)域。分析認(rèn)為，這種層次結(jié)構(gòu)表達(dá)的概念是清晰的，但過于粗略，細(xì)節(jié)描述不夠，不利于后期的實施。本文在結(jié)合國內(nèi)外大量研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合制造工廠的實際情況，提出一套符合現(xiàn)實應(yīng)用的五層CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 泛在感知層

泛在感知層是實現(xiàn)深度嵌入到制造全流程而設(shè)計的，通過感知節(jié)點實現(xiàn)。一個典型的感知節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括軟件、硬件兩大部分。其中硬件包括與物理對象相一致的傳感器、執(zhí)行單元和對應(yīng)的驅(qū)動裝置。軟件包括傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、執(zhí)行單元的控制模塊，節(jié)點自身的計算模塊（包括緩存、地址管理等功能），以及與網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行通信的模塊。一個感知節(jié)點應(yīng)當(dāng)還包括一個能夠全局同步的本地時鐘，滿足CPS所要求的時間一致性。

針對工廠的物理對象，感知節(jié)點需實現(xiàn) “人、機(jī)、料、法、環(huán)、測、時間、空間”等八大物理要素的數(shù)字化感知。

人：采用移動互聯(lián)技術(shù)，結(jié)合RFID，NFC等近場通信技術(shù)，實現(xiàn)人與系統(tǒng)的對接。

機(jī)：設(shè)備采用統(tǒng)一的資產(chǎn)代碼，主要是利用二維碼和RFID電子標(biāo)簽。

料：針對連續(xù)生產(chǎn)過程，采用溫度計、水分儀、皮帶秤表征物料特性。

法：結(jié)合生產(chǎn)規(guī)范要求，建立各個工序的工藝采集點，建設(shè)車間集控系統(tǒng)為超級節(jié)點。

環(huán)：采用無線組網(wǎng)技術(shù)，如Zigbee協(xié)議、WiFi協(xié)議實現(xiàn)全廠動能及環(huán)境的采集與計量。

測：構(gòu)建超級節(jié)點，實現(xiàn)實驗室數(shù)據(jù)采集、綜合測試臺數(shù)據(jù)采集。

時間：建立全廠統(tǒng)一的時間服務(wù)器，同步各個采集點的時鐘。

空間：建立全廠采集點地址及命名字典。有條件的工廠建議采用IPv6協(xié)議。

2.3 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層

CPS的異構(gòu)性包括網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)及應(yīng)用的異構(gòu)。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層將泛在感知層的大量異構(gòu)感知節(jié)點實現(xiàn)互聯(lián)互通，并支持感知節(jié)點之間的互操作，支持M2M（設(shè)備到設(shè)備）的通信。當(dāng)前工廠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，絕大多數(shù)采用TCP作為傳輸層通信協(xié)議。但眾所周知，TCP協(xié)議是一個非實時的協(xié)議，需要在語義信息層實現(xiàn)自定義的會話協(xié)議，或針對實時數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議。

2.4 語義信息層

CPS是以數(shù)據(jù)為中心，工廠的數(shù)據(jù)分為測量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)單據(jù)數(shù)據(jù)。對于實時測量數(shù)據(jù)，采用OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC?UA）協(xié)議作為語義層協(xié)議。對于業(yè)務(wù)單據(jù)數(shù)據(jù)，采用自定義XML結(jié)構(gòu)描述。XML文檔的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)完全分離、互操作性強(qiáng)、規(guī)范統(tǒng)一、支持多種編碼及可擴(kuò)展性的特點[11]。

工廠生產(chǎn)信息模型符合ISA95標(biāo)準(zhǔn)給出描述[12]，只是在實例化過程中增加具體生產(chǎn)工廠的特殊屬性。圖4所示為針對一般工廠抽象形成的核心生產(chǎn)信息模型，包括生產(chǎn)能力模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)信息模型。該模型將實現(xiàn)全局一致性的視圖，支持MES系統(tǒng)、MES系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的集成、MES系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的集成（智慧工廠的三個集成）。通過該模型使CPS成為以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)。

2.5 模型計算層

物理與信息的融合過程，核心是通過在CPS系統(tǒng)中嵌入物理對象的模型來實現(xiàn)（有些研究稱之為數(shù)字孿生體）。這個模型包括物理設(shè)備對象模型（物理模型）以及物理設(shè)備對象在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出來的服務(wù)邏輯模型構(gòu)成。模型計算層除了管理這兩大模型之外，還包括一個高可靠的模型引擎，實現(xiàn)CPS特性給出的事件驅(qū)動要求，如圖5所示。

物理模型：工廠設(shè)備一般組織成分層形式，包括工廠（Plant）、車間（Area）、工段（Cell）、設(shè)備（Unit）四個層次[12]，這是一個面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛶臁Ｃ總€層次的設(shè)備對象中嵌入感知節(jié)點及對應(yīng)的感知數(shù)據(jù)。

邏輯模型：邏輯模型是表征物理模型在生產(chǎn)過程中提供的服務(wù)以及制造過程的核心流程管控，包括生產(chǎn)操作模型、質(zhì)量管理模型、維護(hù)操作模型、庫存操作模型[10]。

模型引擎：模型引擎是一個基于SOA架構(gòu)的計算環(huán)境，包括運行服務(wù)管理、流程引擎、安全管理、服務(wù)管理、服務(wù)及接口協(xié)議、物理模型管理。

2.6 服務(wù)代理層

CPS與智慧工廠服務(wù)網(wǎng)之間的連接是通過制造服務(wù)代理層實現(xiàn)的，這是一個典型的SOA與多Agent環(huán)境。同時，該層也實現(xiàn)CPS與異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)之間的連接。

工業(yè)4.0背景下智慧工廠的業(yè)務(wù)應(yīng)用將呈現(xiàn)App化的特征。一個典型的App將滿足工廠管理的某一個領(lǐng)域的功能要求。但這些單一業(yè)務(wù)需要流程的集成，共同實現(xiàn)以產(chǎn)品為中心的某一特定的生產(chǎn)任務(wù)，比如生產(chǎn)換模過程。每一個App通過它的代理服務(wù)接入到CPS模型引擎中，如圖6所示。模型引擎具有一個Agent容器管理功能，實現(xiàn)Agent服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、注冊、變更及有效性檢驗，符合CPS高度自主性的特性。

3 典型應(yīng)用

卷煙工業(yè)企業(yè)在整體制造業(yè)信息化中具有較高水平。寧波卷煙廠在全行業(yè)較早開展信息化建設(shè)，基本完成了數(shù)字工廠建設(shè)[13]。通過分析智慧工廠的核心要求，明確智慧工廠建設(shè)的核心是在工廠導(dǎo)入CPS系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)的融合?；贑PS系統(tǒng)，重新構(gòu)建工廠一體化核心數(shù)據(jù)平臺，重新梳理三項集成（工廠與集團(tuán)的集成、研發(fā)與生產(chǎn)的集成、制造與服務(wù)的集成）。寧波卷煙廠CPS實施技術(shù)路線如圖7所示。

工廠利用新引進(jìn)設(shè)備的機(jī)會，完成了智慧工廠所需的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境建設(shè)。自動化系統(tǒng)采用OPC?UA協(xié)議共享CPS全局一致的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。同時，根據(jù)智慧工廠的業(yè)務(wù)要求增加少量的無線感知節(jié)點，主要應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。在建模及模型引擎方面，采用西門子公司的Simatic IT建模平臺實現(xiàn)模型在線運行。而服務(wù)代理則采用工廠已建成的SOA總線平臺（IBM產(chǎn)品Message Broker）實現(xiàn)模型驅(qū)動與服務(wù)組件的集成。服務(wù)集成所用的協(xié)議為廣泛采用的WebServices標(biāo)準(zhǔn)。通過優(yōu)化及完善以MES系統(tǒng)為核心的工廠應(yīng)用系統(tǒng)，完善App形式的業(yè)務(wù)管理功能。

基于CPS的生產(chǎn)信息監(jiān)控界面如圖8所示。通過導(dǎo)入CPS系統(tǒng)，一是實現(xiàn)了全局一致的核心數(shù)據(jù)庫；二是實現(xiàn)生產(chǎn)資源的對象模型，建立透明工廠；三是邏輯模型支持生產(chǎn)管控流程的靈活修改，提高生產(chǎn)柔性；四是生產(chǎn)服務(wù)代理化，實現(xiàn)即插即用；五是實現(xiàn)控制層與管理層的深度融合，提升管理精細(xì)化水平。

4 結(jié) 語

CPS是智慧工廠的核心技術(shù)。本文從CPS國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合CPS的基本功能及特性要求，提出一種應(yīng)用于工廠的五層CPS體系結(jié)構(gòu)，包括泛在感知層、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、語義信息層、模型計算層、服務(wù)代理層。該體系自下而上實現(xiàn)了物理對象、生產(chǎn)信息、生產(chǎn)對象模型以及服務(wù)模型的抽象。最后，本文給出了一個卷煙工廠的實施案例，列出了每一層所采用的技術(shù)路線。應(yīng)用案例表明，本文提出的五層CPS體系結(jié)構(gòu)符合卷煙工廠的信息化水平及應(yīng)用需求，對智慧卷煙工廠的建設(shè)能起到基礎(chǔ)性支撐。

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