社群化工廠的內(nèi)涵、體系架構(gòu)與運(yùn)行邏輯探討*

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

當(dāng)前，在物聯(lián)網(wǎng)IoT、信息物理融合系統(tǒng)CPS、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、社交網(wǎng)絡(luò)媒介等新興信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，以航空制造、3D打印等為代表的制造業(yè)已呈現(xiàn)出以下特征：

（1）產(chǎn)品個(gè)性化：一方面，隨著用戶的個(gè)性化需求越來越被重視，產(chǎn)品生產(chǎn)模式向大規(guī)模個(gè)性化方向發(fā)展，用戶與制造工廠交互，參與個(gè)性化產(chǎn)品全生命周期活動(dòng)，成為“產(chǎn)消者”；另一方面，用戶可通過開源（Open Source）和開放式產(chǎn)品架構(gòu)（Open Product Architecture）的方式，自主配置與設(shè)計(jì)個(gè)性化產(chǎn)品[1]。

（2）制造資源社會(huì)化：爆炸式的個(gè)性化需求催生了大量小微企業(yè)、初創(chuàng)公司、作坊，甚至是個(gè)人創(chuàng)業(yè)者等社會(huì)化制造資源，通過商務(wù)社交和自組織方式形成各類社群，并以社群為依托開展業(yè)務(wù)合作[2]。

（3）互聯(lián)集成化：“互聯(lián)網(wǎng)+制造”環(huán)境下，資源、數(shù)據(jù)/信息、業(yè)務(wù)等與制造過程相關(guān)的要素廣泛互聯(lián)與集成，涵蓋企業(yè)內(nèi)外業(yè)務(wù)信息、人、系統(tǒng)、設(shè)備之間的物物互聯(lián)、信息互聯(lián)、服務(wù)互聯(lián)和社交互聯(lián)[3]。

上述制造業(yè)特征催生了社群化制造模式[2，4-5]（Social Manufacturing,SocialM）的形成。該模式通過社會(huì)化泛在互聯(lián)和商務(wù)社交，將分散的社會(huì)化制造資源以自組織方式聚類形成多形態(tài)的資源社群，以資源社群為主體自主參與分散的個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)。其中，制造工廠或車間作為SocialM的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)之間的信息-物理-社交互聯(lián)與智能化是實(shí)現(xiàn)SocialM的基礎(chǔ)。SocialM模式下的制造工廠或車間應(yīng)滿足以下需求：

（1）制造工廠內(nèi)部人、設(shè)備、工件、損耗性資源（如刀具、夾具等）、傳感器、信息系統(tǒng)等生產(chǎn)要素應(yīng)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)。

（2）客戶與工廠應(yīng)實(shí)現(xiàn)社交互聯(lián)，其個(gè)性化需求能準(zhǔn)確快速地直達(dá)工廠的特定設(shè)備工位或工序。

（3）制造工廠內(nèi)，人、機(jī)、物等生產(chǎn)主體之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)去中心化自主交互與協(xié)作。

（4）對(duì)生產(chǎn)過程中的多源異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)、交互上下文數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與處理，并在個(gè)性化產(chǎn)品制造鏈上進(jìn)行信息共享，應(yīng)輔助各生產(chǎn)主體完成實(shí)時(shí)智能決策。

圍繞上述需求并結(jié)合工業(yè)4.0戰(zhàn)略要求，國內(nèi)外學(xué)者從CPS驅(qū)動(dòng)的制造工廠配置的角度開展了一系列的研究。美國Cincinnati大學(xué)提出了一種面向企業(yè)制造車間CPS互聯(lián)配置的5C架構(gòu)體系[6]；匈牙利科學(xué)院綜述了CPS在制造中的應(yīng)用，并提出了信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的概念（Cyber-Physical Production Systems，CPPS）[7]；美國佐治亞理工大學(xué)提出了通過社交網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)多主體之間基于云的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的方法[8]；西安交通大學(xué)提出了一種用于人機(jī)交互的社交傳感器，并將其與CPS結(jié)合，提出了信息物理社交融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Social Systems，CPSS）的概念[9]。然而，上述研究僅從制造工廠或制造車間的角度進(jìn)行了人-機(jī)-物互聯(lián)的配置，甚少考慮在SocialM模式下外部用戶與制造工廠內(nèi)部人、設(shè)備、數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)的互聯(lián)，用戶個(gè)性化需求與工廠直連以及人-機(jī)-物多主體交互與協(xié)作等需求。在分析上述文獻(xiàn)和作者前期研究[9-10]的基礎(chǔ)上，結(jié)合CPS與社交網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種面向個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的、基于信息-物理-社交互聯(lián)的制造工廠模型——社群化工廠（Social Factory）。

社群化工廠的提出

1 相關(guān)概念與定義

為便于理解社群化工廠的內(nèi)涵，本文對(duì)社群化工廠相關(guān)概念術(shù)語進(jìn)行了定義。

定義1——社交傳感器（Social Sensor，S2ensor）：指輔助完成個(gè)性化產(chǎn)品制造過程中的人-機(jī)-物生產(chǎn)主體的社交交互，并對(duì)交互過程中的主觀數(shù)據(jù)和客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算/處理、傳輸和存儲(chǔ)的一類軟硬件結(jié)合體。S2ensor的硬件部分包括：移動(dòng)終端設(shè)備、可穿戴式設(shè)備、嵌入式物理傳感器、嵌入式智能面板以及藍(lán)牙/無線網(wǎng)絡(luò)模塊等；S2ensor的軟件部分包括：各類移動(dòng)APPs、嵌入智能設(shè)備中的中間件、視頻/語音/圖片/文字處理與識(shí)別的各類算法與應(yīng)用。

定義2——信息-物理-社交融合節(jié)點(diǎn)（Cyber-Physical-Social Node, CPSN）：以加工設(shè)備、運(yùn)輸小車、工件等制造資源為基體，通過將傳感器、執(zhí)行器、控制器、嵌入式智能面板以及S2ensor等模塊異構(gòu)互聯(lián)與集成，形成的一類可對(duì)外主動(dòng)感知與通訊交互的個(gè)體。CPSN能與其他CPSN以及人員進(jìn)行自主交互與決策，在社群化工廠具體體現(xiàn)為加工工位CPSN、運(yùn)輸小車CPSN、智能工件CPSN等。

定義3——信息-物理-社交互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Cyber-Physical-Social-Interconnected Network）： 指 在SocialM模式下，產(chǎn)消者、制造工廠內(nèi)部人員以及各類制造資源CPSN通過在信息空間、物理空間和社交空間3個(gè)維度建立數(shù)據(jù)/信息互聯(lián)、業(yè)務(wù)互聯(lián)、服務(wù)互聯(lián)等互聯(lián)互通關(guān)系，形成的個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程交互與協(xié)作的“社交網(wǎng)絡(luò)”。

圖1 社群化工廠體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of social factory

定義4——社群化工廠（Social Factory）：指建立在信息-物理-社交互聯(lián)基礎(chǔ)上的、面向用戶個(gè)性化需求與深度參與的制造工廠。社群化工廠是個(gè)性化產(chǎn)品制造鏈中的節(jié)點(diǎn)，用以完成產(chǎn)品全生命周期特定階段的制造任務(wù)。

2 社群化工廠的體系架構(gòu)

如圖1所示，社群化工廠的體系架構(gòu)分為4個(gè)層次，包括：

（1）物理連接層：該層為社群化工廠的人-機(jī)-物交互與協(xié)作提供物理硬件層面的異構(gòu)互聯(lián)支持。根據(jù)個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的具體要求與制造邏輯，為加工機(jī)床工位、運(yùn)輸小車、工件等配置傳感器、控制/執(zhí)行模塊、人機(jī)交互接口HMI、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等，形成各類制造資源CPSN。CPSN之間通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與相關(guān)通訊協(xié)議（如 MTConnect、TCP/IP等）進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)資源間的即時(shí)通訊和資源的即插即生產(chǎn)（Plug-and-Produce）配置。

（2）信息聚合層：該層在中間件、制造數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器的共同作用下完成對(duì)物理連接層的制造過程實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)、應(yīng)用層的生產(chǎn)指令數(shù)據(jù)和交互上下文數(shù)據(jù)的聚合。其中，中間件是對(duì)物理連接層的CPSN進(jìn)行虛擬化封裝，并為應(yīng)用層提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口；制造數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)各生產(chǎn)主體之間的社交數(shù)據(jù)、制造過程數(shù)據(jù)、規(guī)則/知識(shí)庫等；Web服務(wù)器保障中間件和制造數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）應(yīng)用層：社群化工廠運(yùn)行的各種應(yīng)用集合，包括生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)運(yùn)行、質(zhì)量控制等應(yīng)用模塊，每個(gè)模塊以若干Webapp的形式呈現(xiàn)。

（4）社群交互層：產(chǎn)消者和社群化工廠內(nèi)的員工圍繞個(gè)性化產(chǎn)品的制造過程，通過Webapp與CPSN進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤、生產(chǎn)運(yùn)行管控等。

以上4個(gè)層次在資源描述與虛擬化封裝、CPSN自主交互與決策機(jī)制、制造數(shù)據(jù)及社交上下文數(shù)據(jù)挖掘等運(yùn)行保障機(jī)制的支撐下，從制造系統(tǒng)的角度出發(fā)構(gòu)成了社群化工廠的體系架構(gòu)。

3 社群化工廠的特征

區(qū)別于傳統(tǒng)制造工廠，社群化工廠具有以下3個(gè)方面的顯著特征：

（1）個(gè)性化用戶需求直達(dá)工廠與用戶深度參與制造過程：社群化工廠聚焦于滿足用戶的個(gè)性化需求，通過S2ensor實(shí)時(shí)接收用戶的需求，并將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)指令，直接介入個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程。用戶通過與社群化工廠內(nèi)的員工、CPSN等的交互，獲取參與感、情懷和價(jià)值體現(xiàn)。

（2）信息-物理-社交互聯(lián)的生產(chǎn)環(huán)境：基于社群化工廠內(nèi)部的信息-物理-社交互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了員工、設(shè)備、物料、信息系統(tǒng)之間協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)管控；基于社群化工廠外部的信息-物理-社交互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了用戶與社群化工廠的實(shí)時(shí)交互與反饋，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)柔性生產(chǎn)和即時(shí)響應(yīng)。

（3）人-機(jī)-物動(dòng)態(tài)交互、協(xié)作與共享：信息-物理-社交互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)包含有產(chǎn)消者、社群化工廠內(nèi)部的人員、各類CPSN的“社交網(wǎng)絡(luò)”。網(wǎng)絡(luò)中的成員通過S2ensor進(jìn)行人人、人機(jī)、機(jī)機(jī)、機(jī)人等方式交互與決策，自組織形成了圍繞個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)自治生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，各類CPSN與人員自主交互、協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，處理生產(chǎn)過程中的非預(yù)期性事件或擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)去中心化地生產(chǎn)控制。

社群化工廠的運(yùn)行邏輯

社群化工廠是個(gè)性化產(chǎn)品生命周期中生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，產(chǎn)消者通過S2ensor與社群化工廠內(nèi)的管理者、員工以及加工工位、質(zhì)檢工位等制造資源CPSN進(jìn)行交互，把產(chǎn)品制造需求直接傳遞給社群化工廠內(nèi)的CPSN，并接收社群化工廠在個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)質(zhì)量、實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)等。同時(shí)，在社群化工廠內(nèi)部，管理者、員工與加工工位、質(zhì)檢工位等CPSN作為自主交互主體，在S2ensor多種交互模式支持下根據(jù)產(chǎn)消者需求（轉(zhuǎn)化為智能工件加工需求）以及加工設(shè)備能力，進(jìn)行自主交互、協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，完成個(gè)性化產(chǎn)品的生產(chǎn)。如圖2所示，多主體去中心化的自主交互與協(xié)作的主要流程包括：

Step1：產(chǎn)消者與社群化工廠中各生產(chǎn)主體進(jìn)行交互，確認(rèn)在質(zhì)量、交貨期等方面的具體需求。

Step2：倉庫CPSN與智能工件CPSN交互，并向智能工件CPSN寫入工序、工藝、質(zhì)量、完工期等信息。

Step3：智能工件CPSN向所有的加工工位CPSN廣播加工需求（工藝、質(zhì)量、完工期等信息），每個(gè)加工工位CPSN接收到廣播信息后，根據(jù)目前的加工任務(wù)隊(duì)列以及加工需求評(píng)估自身是否滿足加工能力和生產(chǎn)能力，所有滿足要求的加工工位CPSN在云服務(wù)器的協(xié)助下從成本、完工時(shí)間等方面進(jìn)行匹配、談判與決策，確定合適的加工工位。

Step4：被確定的加工工位CPSN向運(yùn)輸小車CPSN發(fā)送運(yùn)輸指令，將智能工件運(yùn)輸至工位的入緩存處等待加工。

Step5：在該工序加工完成后，智能工件CPSN廣播質(zhì)量檢測需求，每個(gè)質(zhì)量檢測工位CPSN收到廣播信息后，根據(jù)目前的質(zhì)檢任務(wù)隊(duì)列以及檢測需求，評(píng)估自身是否滿足質(zhì)檢要求，所有滿足要求的質(zhì)檢工位CPSN在云服務(wù)器的協(xié)助下從成本、檢測時(shí)間等方面進(jìn)行匹配、談判與決策，確定合適的質(zhì)檢工位。

圖2 信息-物理-社交互聯(lián)驅(qū)動(dòng)的社群化工廠Fig.2 Cyber-physical-social interconnected driven social factory

Step6：完成質(zhì)檢任務(wù)后，質(zhì)檢工位CPSN向運(yùn)輸小車CPSN發(fā)送運(yùn)輸指令，將智能工件運(yùn)輸至下一個(gè)加工工位。若已完成最后一道工序，則運(yùn)輸至倉庫。

社群化工廠關(guān)鍵使能技術(shù)

本部分從信息-物理-社交互聯(lián)環(huán)境的配置、制造過程數(shù)據(jù)/交互上下文數(shù)據(jù)分析與處理、多主體去中心化自主交互與協(xié)作3個(gè)方面對(duì)社群化工廠的關(guān)鍵使能技術(shù)進(jìn)行闡述，它們之間的關(guān)系如圖3所示。

1 信息-物理-社交互聯(lián)環(huán)境的配置

實(shí)現(xiàn)信息-物理-社交互聯(lián)是社群化工廠運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過對(duì)物理空間的資源進(jìn)行連接、信息空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合、社交空間的交互關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)建信息-物理-社交互聯(lián)生產(chǎn)環(huán)境。從信息-物理-社交互聯(lián)硬件配置角度，關(guān)鍵技術(shù)包括異構(gòu)設(shè)備物理互聯(lián)、統(tǒng)一描述模型、Web化封裝技術(shù)等；從信息-物理-社交互聯(lián)軟件配置角度，關(guān)鍵技術(shù)包括制造數(shù)據(jù)推/拉采集機(jī)制、制造數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口設(shè)計(jì)等。

2 制造過程數(shù)據(jù)/交互上下文數(shù)據(jù)分析與處理

在個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的過程數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些混雜無序的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗去噪、關(guān)聯(lián)融合，形成制造數(shù)據(jù)集，然后采用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)其進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備預(yù)警、訂單完工期預(yù)測、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制等智能決策。該關(guān)鍵技術(shù)為多主體自主交互與協(xié)作提供決策支持，包括多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、制造數(shù)據(jù)多維度關(guān)聯(lián)建模、基于自然語言處理的交互上下文數(shù)據(jù)挖掘等。

3 多主體去中心化自主交互與協(xié)作

圍繞個(gè)性化產(chǎn)品的生產(chǎn)，產(chǎn)消者、社群化工廠中的管理者、員工以及各類制造資源CPSN通過S2ensor進(jìn)行自主交互與協(xié)作，滿足了產(chǎn)消者個(gè)性化需求，同時(shí)也優(yōu)化了生產(chǎn)過程的資源配置。該關(guān)鍵技術(shù)包括交互主體統(tǒng)一的交互協(xié)議與數(shù)據(jù)格式、生產(chǎn)指令生成機(jī)制、制造資源自組織機(jī)制、交互過程死鎖預(yù)防與沖突消解策略等。

圖3 社群化工廠關(guān)鍵使能技術(shù)及其關(guān)系Fig.3 Key enabling technologies of social factory and their relations

圖4 社群化工廠運(yùn)行案例Fig.4 Operation case of social factory

案例簡介

以某制造企業(yè)生產(chǎn)的可配置開源硬件桌面級(jí)3D打印機(jī)為例，來驗(yàn)證社群化工廠的運(yùn)行邏輯。首先，對(duì)加工工位、質(zhì)檢工位、運(yùn)輸小車、加工工件、倉庫等制造資源配置傳感器（能耗、振動(dòng)、溫濕度、噪聲等）、RFID設(shè)備（天線、標(biāo)簽、讀寫器）、測量設(shè)備（三坐標(biāo)測量儀、粗糙度測量儀、數(shù)顯卡尺等）、智能嵌入式面板（如 Raspberry Pi）、HMI、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備、執(zhí)行器等，并通過異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)技術(shù)、設(shè)備統(tǒng)一描述模型等構(gòu)建信息-物理-社交互聯(lián)的硬件環(huán)境。然后，在資源Web化封裝技術(shù)、制造數(shù)據(jù)采集推/拉機(jī)制與預(yù)處理方法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)支撐下開發(fā)部署相關(guān)中間件、Webapps、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等，構(gòu)建信息-物理-社交的軟件環(huán)境，如圖4（a）所示。在此基礎(chǔ)上，社群化工廠與產(chǎn)消者通過社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)終端進(jìn)行交互，并采用基于自然語言處理的交互上下文數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的需求信息，組織個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)；同時(shí)，為了更好地獲取用戶需求，社群化工廠建立了一個(gè)產(chǎn)品用戶的交流論壇，從中提取交互上下文，用于挖掘產(chǎn)消者的個(gè)性化產(chǎn)品需求，如圖4（b）所示。在生產(chǎn)過程中，一方面，制造資源CPSN、產(chǎn)消者、社群化工廠管理者與員工等通過統(tǒng)一的交互協(xié)議與數(shù)據(jù)格式以及交互過程的死鎖預(yù)防與沖突消解策略進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)過程的交互；另一方面，在多傳感器數(shù)據(jù)融合、制造數(shù)據(jù)多維關(guān)聯(lián)模型以及制造數(shù)據(jù)分析處理等關(guān)鍵技術(shù)支撐下，開發(fā)了產(chǎn)品生產(chǎn)過程各類移動(dòng)Webapp，產(chǎn)消者可以利用其查看產(chǎn)品的加工進(jìn)度與加工質(zhì)量信息，社群化工廠管理者與員工可以利用其遠(yuǎn)程查看設(shè)備的狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，如設(shè)備的日均有效工作時(shí)間、設(shè)備故障率等，如圖4（c）所示。置流程、運(yùn)行邏輯以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討和研究。目前國內(nèi)外尚未對(duì)社群化工廠進(jìn)行系統(tǒng)化的研究，許多理論方法還不夠完善，但社群化工廠作為當(dāng)前社群化制造中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)揭示社群化制造在制造節(jié)點(diǎn)層面的組織形態(tài)、配置機(jī)理、運(yùn)行邏輯等方面具有指導(dǎo)意義。特別是在工業(yè)4.0與“中國制造2025”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，社群化工廠與新興信息技術(shù)的結(jié)合，將迸發(fā)出旺盛的生命力，并為未來工廠的構(gòu)建提供了一種思路。

結(jié)束語

本文基于當(dāng)前社群化制造背景下的產(chǎn)品個(gè)性化、制造資源社會(huì)化、生產(chǎn)組織分散化、互聯(lián)集成化等特征，提出一種信息-物理-社交互聯(lián)的、面向個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的社群化工廠概念，并對(duì)社群化工廠的內(nèi)涵、配

參 考 文 獻(xiàn)

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