基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型研究

第一作者 北京機械工業(yè)自動化研究所 孫嘉玉

第二作者 中國信息安全研究院有限公司 王嘯

Research & Discussion 研究與探討

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型研究

第一作者 北京機械工業(yè)自動化研究所 孫嘉玉

第二作者 中國信息安全研究院有限公司 王嘯

近幾年通訊與信息技術(shù)迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)聯(lián)系日趨緊密，信息物理系統(tǒng)也融入制造業(yè)中來，隨著《中國制造2025》重大發(fā)展戰(zhàn)略的提出，企業(yè)逐步向智能工廠模式轉(zhuǎn)變，由其對于移動終端制造而言，產(chǎn)品的個性化和市場快速變化的需求使移動終端智能工廠的建設(shè)成為內(nèi)外研究的前沿課題。本文構(gòu)建了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，為移動終端智能工廠的建設(shè)提供了依據(jù)。

1引言

在過去幾十年里，信息技術(shù)革命帶給制造業(yè)巨大變革，工業(yè)制造過程逐漸依托于信息通信技術(shù)，從而帶來一系列產(chǎn)業(yè)變革，為了應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)變革，我國出臺了《中國制造2025》，引領(lǐng)制造業(yè)要走向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化，企業(yè)也向智能工廠方向邁進。隨著不可阻擋的互聯(lián)網(wǎng)潮流，移動終端作為應(yīng)用和信息的載體，需求快速增長，功能不斷完善，融合了手機、掌上電腦、相機、電子書等諸多功能，具有廣闊的前景和告訴增長的出貨量，因此移動終端智能工廠的研究成為國內(nèi)外研究熱點。

信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和服務(wù)不斷完善，嵌入式系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)與其他計算機連接并接入英特網(wǎng)，物理世界和網(wǎng)絡(luò)空間通過信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的形式融合在一起，形成信息物理系統(tǒng)。

智能工廠利用信息物理系統(tǒng)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，在智能工廠中，人類、機器和物料互相交流，就如同在一個社會網(wǎng)絡(luò)，移動終端智能工廠的框架模型構(gòu)建對移動終端智能工廠的建設(shè)具有指導(dǎo)性作用，本文基于信息物理系統(tǒng)，構(gòu)建移動終端智能工廠模型，使移動終端智能工廠有能力管理移動終端復(fù)雜的生產(chǎn)經(jīng)營過程，使其不受干擾和破壞并能更加有效地生產(chǎn)產(chǎn)品，完善經(jīng)營。

2移動終端智能工廠模型結(jié)構(gòu)

移動終端具有體積小、耗能少、功能多的特性，向著個性化和定制化方向發(fā)展，多品種小批量成為主要的生產(chǎn)模式，工廠往往有上百種零件需要加工和組裝，在配置、規(guī)劃、制造和運作階段需要滿足個別客戶的特殊需求，甚至為了適應(yīng)市場變化，需要在最后一分鐘完成改變，這樣零件品種多、批量變化快并且涉及范圍廣的生產(chǎn)模式對生產(chǎn)的柔性要求較高，而基于信息物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)配置業(yè)務(wù)流程，包涵成本、時間、質(zhì)量、風(fēng)險等諸多因素，協(xié)助生產(chǎn)過程以及供應(yīng)鏈微調(diào)，即在較短的時間內(nèi)可以變更計劃、工藝，使得由于供應(yīng)問題造成的物料暫時短缺問題得以彌補，并使生產(chǎn)過程更為敏捷。

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)有生命周期、系統(tǒng)層級、智能功能三個維度，生命周期維度包括設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)，系統(tǒng)層級包括設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層，智能功能維度包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合、新興業(yè)態(tài)。根據(jù)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)、移動終端智能工廠業(yè)務(wù)和行業(yè)特點，以打通企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全部流程，提供智能工廠終端到終端的解決方案為著眼點，構(gòu)建了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，借助信息物理系統(tǒng)緊密銜接企業(yè)各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)信息，包括一個公司內(nèi)的采購、產(chǎn)品設(shè)計、制造、銷售等業(yè)務(wù)以及公司間材料、能源和信息的交換。實現(xiàn)信息綜合集成和數(shù)據(jù)實時共享，選擇功能耦合度高的層級按照業(yè)務(wù)規(guī)劃劃分為智能設(shè)計、智能經(jīng)營、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)四個部分。

圖2 CPS的層次演進

3移動終端智能工廠模型功能

3.1 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間的人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。

信息物理系統(tǒng)CPS支撐移動終端企業(yè)縱向集成、橫向集成與端到端集成，實現(xiàn)工業(yè)體系與信息體系的深度融合以及全面智能化。通過物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)將企業(yè)設(shè)施、設(shè)備、組織、人互通互聯(lián)，集計算機、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)對物理世界安全、可靠、實時、協(xié)同感知和控制，對物理世界實現(xiàn)“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”。信息物理系統(tǒng)從技術(shù)維度可分為五層：

1）感知執(zhí)行層: 包括以感知裝置和智能設(shè)備為代表的生產(chǎn)物理實體、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與命令執(zhí)行以及現(xiàn)場設(shè)備安全防護等。

2）適配控制層：解決不同系統(tǒng)及設(shè)備間的兼容通訊問題，并對生產(chǎn)裝備與系統(tǒng)的健康、工況等狀態(tài)進行綜合評估；接受下發(fā)的本地控制執(zhí)行模型，進行自組織、自適應(yīng)的控制適配調(diào)整。

3) 網(wǎng)絡(luò)傳輸層：承擔數(shù)據(jù)、信息與指令的傳輸與通訊，包括ICT物理實體與系統(tǒng)軟件部分、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全部分、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備集群間通訊部分等。

4）認識決策層：認知決策層是CPS信息物理系統(tǒng)中的管理決策中樞，包括信息認知與挖掘，計算與數(shù)據(jù)管理，根據(jù)決策的需求建立控制執(zhí)行模型庫，進行決策分析。

5）服務(wù)平臺層：服務(wù)平臺層提供安全環(huán)境下的工業(yè)協(xié)同價值網(wǎng)絡(luò)。包括管理安全，在工業(yè)協(xié)同環(huán)境下，協(xié)同過程中的可用性、可靠性、機密性、完整性、操作安全和身份確認是保障智能制造體系下協(xié)同安全的重要主題。

從應(yīng)用維度來講，信息物理系統(tǒng)CPS具有層次性，CPS可劃分為單元級、系統(tǒng)級、SOS級三個層次。單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS總線）構(gòu)成更高層次的CPS，即系統(tǒng)級CPS，系統(tǒng)級CPS可以通過工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)等平臺構(gòu)成SOS級的CPS，實現(xiàn)企業(yè)級層面的數(shù)字化運營。CPS的層次演進如圖2所示。

3.2 智能設(shè)計

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠可以提供設(shè)備終端到終端的實時透明度，實現(xiàn)智能設(shè)計決策的早期驗證，移動終端智能工廠的設(shè)計包括工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計四類內(nèi)容，產(chǎn)品及其設(shè)計制造的流程較為復(fù)雜，由于移動終端功能的增加,產(chǎn)品定制的增加, 移動終端往往具有越來越動態(tài)交付要求,面對這種日益增長的復(fù)雜性因素，模型化的方式是一個很好的解決辦法，設(shè)計人員在規(guī)劃模型中明確給出創(chuàng)意，這些創(chuàng)意組成復(fù)雜的設(shè)計樣例，解釋性模型描述現(xiàn)有系統(tǒng)并獲取系統(tǒng)知識，從而使用模擬仿真等分析手段，可以驗證設(shè)計人員的選擇，數(shù)字世界通過規(guī)劃模型對現(xiàn)實世界的設(shè)計產(chǎn)生重大影響,現(xiàn)實世界又通過解釋的模型來影響數(shù)字模型，因此智能設(shè)計包括基于模型的設(shè)計、基于模型的分析、模擬仿真、基于模型的工藝過程設(shè)計、作業(yè)指導(dǎo)書、質(zhì)量要求和基于模型的計算機輔助編程，基于模型的設(shè)計需要高效的軟件工具，如CAD、CAE、CAPP、CAM等，這些軟件能夠提供必要的功能,實現(xiàn)軟件工具和流程的結(jié)合，將設(shè)計信息和工藝信息共同定義到MBD三維數(shù)字化模型中，可以保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性，智能設(shè)計也包括設(shè)計知識庫和專家系統(tǒng)，涵蓋開發(fā)流程、設(shè)計、工藝的標準、規(guī)范等信息，用于提升設(shè)計的質(zhì)量和效率，工藝流程、工藝規(guī)則和工藝裝備等信息則集成在工藝知識庫和專家系統(tǒng)中，從整個生產(chǎn)流程視角來看，設(shè)計制造所使用的資源需要進行規(guī)劃和管理，包括技術(shù)文檔、產(chǎn)品BOM、零件信息和檔案等的產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM最后需要與制圖、分析和工藝過程設(shè)計系統(tǒng)集成，完成對移動終端產(chǎn)品從創(chuàng)建到報廢的全生命周期的產(chǎn)品數(shù)字信息管理。

3.3 智能經(jīng)營

移動終端智能工廠的智能經(jīng)營模塊在傳統(tǒng)的管理信息化基礎(chǔ)上，運用實時信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈上的業(yè)務(wù)協(xié)同、計劃優(yōu)化和控制，支持智能工廠和智能產(chǎn)品生命周期的所有方面的協(xié)作、業(yè)務(wù)流程的整合和相關(guān)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的連通，將銷售管理、計劃管理、采購管理和質(zhì)量管理等協(xié)調(diào)組合，以供應(yīng)商、客戶、企業(yè)設(shè)計、工藝、采購、物流、生產(chǎn)、交付、服務(wù)業(yè)務(wù)管理為核心，實現(xiàn)企業(yè)資源計劃ERP、供應(yīng)鏈管理SCM、客戶關(guān)系管理CRM、全面質(zhì)量管理QMS等信息系統(tǒng)的集成應(yīng)用，完成對工廠物流、信息流、資金流的優(yōu)化與管控，及時響應(yīng)需求變動，縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，全面、安全、可靠的管理全價值鏈，為生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)信息集成和優(yōu)化調(diào)度提供支持。具體而言，企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)涵蓋銷售、采購、生產(chǎn)、財務(wù)、人力、倉庫、設(shè)備、項目管理等模塊的業(yè)務(wù)應(yīng)用及集成，實現(xiàn)公司內(nèi)部資源的統(tǒng)一管理，供應(yīng)鏈管理SCM具有供應(yīng)鏈計劃、供應(yīng)商關(guān)系、電子采購、招投標管理等功能，對生產(chǎn)資源以及訂單狀態(tài)進行實時跟蹤，客戶關(guān)系管理CRM包含客戶關(guān)懷管理、市場信息管理、合同管理、售后服務(wù)管理等部分，實現(xiàn)對客戶、市場、資金資源的綜合管理和實時控制。全面質(zhì)量管理QMS覆蓋研發(fā)、采購、制造及售后全過程質(zhì)量信息體系，涵蓋質(zhì)量標準體系、到貨檢驗、生產(chǎn)過程檢驗、成品檢驗以及質(zhì)量信息的統(tǒng)計分析等過程。

3.4 智能生產(chǎn)

信息物理系統(tǒng)通過整個價值網(wǎng)絡(luò)對制造過程進行動態(tài)優(yōu)化，提高資源利用效率，提升產(chǎn)品產(chǎn)量。在生產(chǎn)柔性高的移動終端智能工廠中，生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)無法被固定和預(yù)定義，而需要定義一組的配置規(guī)則，用于在不同種類訂單基礎(chǔ)上為每一種情況自動生成一個特定的生產(chǎn)拓撲結(jié)構(gòu)包括所有相關(guān)的模型、數(shù)據(jù)、制造資源、通信和算法方面的需求。

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠中智能生產(chǎn)系統(tǒng)由智能裝備、智能控制、智能物流、制造執(zhí)行四個分系統(tǒng)組成。智能裝備包括操作設(shè)備、服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、智能自動化設(shè)備，例如自動組裝設(shè)備、自動檢測設(shè)備、自動貼片設(shè)備、總裝自動線等，建立基于信息物理系統(tǒng)的可配置的動態(tài)生產(chǎn)線，可以使產(chǎn)品在裝配車間里由一個裝配模塊自動的移動到下一個裝配模塊，完成智能終端在各個相關(guān)的工作中心間的自動轉(zhuǎn)移。制造執(zhí)行包括生產(chǎn)計劃調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、物料跟蹤、生產(chǎn)能力分析、過程監(jiān)視、目視化管理、設(shè)備監(jiān)控及維護等功能，用于支持高效的生產(chǎn)執(zhí)行過程。智能控制包括現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工業(yè)無線控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)等，運用傳感器采集數(shù)據(jù)，進行順序控制，連續(xù)控制，循環(huán)控制，處理操作數(shù)據(jù)、機器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，進行歸檔、趨勢分析、規(guī)劃與優(yōu)化功能等，采用遞階控制的形式，由企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)ERP管控多個制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，再由MES管控多個柔性制造系統(tǒng)。智能物流主要由智能立體倉儲系統(tǒng)、智能物流配送系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和庫存效能分析系統(tǒng)等部分組成，用于全面采集物流過程數(shù)據(jù)，監(jiān)控物流資源實時狀態(tài)，管控物流過程，輔助物流計劃決策的制定，使生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定高效。

智能生產(chǎn)系統(tǒng)互聯(lián)互通的運行，需要確保不同層次的驅(qū)動器和傳感器中終端到終端的數(shù)字集成到ERP層，這也需要開發(fā)模塊化和重用策略，來實現(xiàn)終端特設(shè)網(wǎng)絡(luò)和可重構(gòu)的生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)正向可控的、可管理的、靈敏的、自適應(yīng)的系統(tǒng)集成和發(fā)展，在這個過程中功能性信息物理系統(tǒng)組件可以通過自我協(xié)同組合配置到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中，長遠來看，模塊化信息物理系統(tǒng)和相應(yīng)的組件將成為模型化智能工廠的關(guān)鍵部分。

3.5 智能服務(wù)

在信息物理系統(tǒng)CPS的支持下，移動終端智能工廠的智能服務(wù)包括售后服務(wù)與增值服務(wù)兩項，售后服務(wù)著眼于產(chǎn)品全生命周期，記錄發(fā)生的設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、維修等各種業(yè)務(wù)處理過程信息，進行全過程的服務(wù)管理，通過售后服務(wù)、進行產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、追溯、分析以及維修服務(wù)。增值服務(wù)包括產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品效能、產(chǎn)品交易便捷化和產(chǎn)品集成的增值服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展進一步激發(fā)了機械制造系統(tǒng)的潛能從而也進一步提高了生產(chǎn)力，遠程服務(wù)利用遠程技術(shù)以及控制硬件去為人類提供更高效、更快捷的服務(wù)，建立在智能工廠和客戶、供應(yīng)商之間，支持以消費者為中心的個性化定制設(shè)計服務(wù)，智能工廠服務(wù)系統(tǒng)可以通過私人網(wǎng)絡(luò)安全地訪問客戶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這種方法能夠讓生產(chǎn)商遠程的對客戶的制造系統(tǒng)進行控制以及診斷修理，從而減少了維修的時間，提高了生產(chǎn)效率，隨著移動終端智能化工廠進一步的發(fā)展，技術(shù)人員在維修機器時將不再手動連接到機器，制造系統(tǒng)會自動連接到基于云的遠程平臺，以尋找合適的專家來處理有關(guān)情況。然后，專家們能夠使用集成知識平臺，視頻會議工具和工程方法，通過移動設(shè)備更有效地執(zhí)行傳統(tǒng)的遠程維護服務(wù)，記錄歷史數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析，從而提高產(chǎn)品效能、降低維修成本。在移動終端市場，客戶往往需要打包的產(chǎn)品和服務(wù)，移動終端智能工廠則需按照客戶需求整體規(guī)劃，提供集成的服務(wù)和解決方案。

4結(jié)語

本文從智能設(shè)計、智能經(jīng)營、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)四個功能模塊闡述了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，智能工廠的資源、過程和產(chǎn)品都由信息物理系統(tǒng)進行特征定義，形成協(xié)同工作模式，使智能工廠在質(zhì)量、時間、成本上比傳統(tǒng)制造更有優(yōu)勢，具有更高的生產(chǎn)效率，移動終端智能工廠模型對制造業(yè)其他智能工廠的規(guī)劃建設(shè)也有一定的參考意義，智能工廠的建設(shè)有利于提高我國制造業(yè)水平，從而在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中更好發(fā)展。