基于信息物理系統(tǒng)新特性的智能工廠部署策略研究

陳 明,劉江山,李杰林,劉晉飛

(1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804; 2.同濟大學(xué) 中德工程學(xué)院,上海 201804)

基于信息物理系統(tǒng)新特性的智能工廠部署策略研究

陳 明1,2,劉江山1,李杰林1,劉晉飛2

(1.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804; 2.同濟大學(xué) 中德工程學(xué)院,上海 201804)

智能制造中離散制造過程是將計算、通信和控制融為一體的生產(chǎn)過程,每個生產(chǎn)階段均獨立,且所用生產(chǎn)設(shè)備和原材料均不同,這就使整個生產(chǎn)過程的控制和管理變得復(fù)雜化、多樣化.為解決此問題,結(jié)合智能制造中過程控制和云服務(wù)的特點,提出了基于信息物理系統(tǒng)(CPSs)新特性的智能工廠部署模型.首先,描述了CPSs的新需求和新特性,根據(jù)新特性和新需求構(gòu)建基于服務(wù)的CPSs運行模型;其次,構(gòu)建了基于服務(wù)的CPSs功能需求模型,并根據(jù)功能需求模型,形成基于CPSs新特性、新需求的設(shè)備及服務(wù)的部署策略;最后,以離散制造業(yè)中智能工廠CPSs部署為例,驗證構(gòu)建的基于服務(wù)的CPSs模型.結(jié)果表明,研究具有可行性.

離散制造(MD); 智能工廠; 信息物理系統(tǒng)(CPSs); 部署策略

智能制造是指運用信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPSs)技術(shù)將生產(chǎn)過程中的諸如供應(yīng)鏈、制造、銷售等方面的信息數(shù)據(jù)化、智能化,從而實現(xiàn)快速、高效、個性化的產(chǎn)品生產(chǎn).智能制造由傳統(tǒng)的集中式控制向分散式控制轉(zhuǎn)變,其目的是為數(shù)值化、智能化的產(chǎn)品和服務(wù)建立一個高度柔性的生產(chǎn)模式.

在智能制造領(lǐng)域中,其產(chǎn)品和智能化的生產(chǎn)過程面臨著巨大挑戰(zhàn),而CPSs和云服務(wù)是解決這種困擾的重要技術(shù)路徑[1].CPSs是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng),通過“3C”(控制、通信、計算)技術(shù)的有機融合實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)[2].云服務(wù)是一種新興的基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的服務(wù)模式,為用戶提供至下而上的3層服務(wù):基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)[3].將這兩種技術(shù)相結(jié)合,將會產(chǎn)生一種新的生產(chǎn)方式和服務(wù)模式.

在智能制造模式下,與流程工業(yè)相比,離散制造業(yè)(Discrete Manufacturing,DM)更需要這兩種技術(shù)的結(jié)合.MD一般包括零部件的加工及產(chǎn)品的裝配,從產(chǎn)品的生產(chǎn)過程來看,MD產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是由不同零部件加工子過程組成的復(fù)雜過程,其過程相對存在較多變化和不確定因素,從這個意義上來說,MD生產(chǎn)過程的控制更為復(fù)雜和多變.現(xiàn)有的CPSs模型已不能解決MD中智能工廠中的這些問題,需要結(jié)合CPSs新特性和云服務(wù)模式來部署智能工廠中的物理設(shè)備.

1 CPSs的研究現(xiàn)狀

CPSs是近年來提出的新概念,它是在物與物的基礎(chǔ)上，強調(diào)對物的實時控制與服務(wù),其意義在于緊密聯(lián)系物理世界和現(xiàn)實世界的一個系統(tǒng)[4],很多學(xué)者從不同方面對其進行了研究[5-8].在國外學(xué)者的研究中,Julien等[9]提出了確保CPSs運行性能的實時驗證系統(tǒng),能有效地檢測出分布式調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用CPSs時注入的錯誤.Aiho等[10]提出了一種基于數(shù)據(jù)中心和開放式實時操作系統(tǒng)的實時服務(wù)型體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對給定服務(wù)的互操作性和實時性等進行評價.在國內(nèi)學(xué)者的研究中,張明建[11]在分析智能制造系統(tǒng)各層級功能及其有機融合協(xié)同智能制造的模式與特征的基礎(chǔ)上,討論了構(gòu)建智能制造系統(tǒng)亟需解決的技術(shù)問題及技術(shù)的演進方向，從CPSs基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)模型和安全性等方面闡述了CPSs面臨的挑戰(zhàn).目前,國內(nèi)外學(xué)者對CPSs架構(gòu)模型的研究較少涉及面向服務(wù)的CPSs研究,不能完全體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)與智能制造結(jié)合后對CPSs模型的影響.

將云計算融入到工業(yè)生產(chǎn)中,可實現(xiàn)資源和服務(wù)的實時利用,在基于云服務(wù)的制造模式研究中也有很多成果.Eliasson等[12]提出了面向服務(wù)的參考架構(gòu)范例,虛擬化的服務(wù)模型使工廠轉(zhuǎn)化為云服務(wù),便于資源的動態(tài)分配和交互.李斌勇等[13]利用云服務(wù)理論構(gòu)建了汽車產(chǎn)業(yè)鏈云服務(wù)模型,并對于云服務(wù)體系的數(shù)據(jù)庫內(nèi)核進行設(shè)計.黃沈權(quán)[14]針對制造云服務(wù)按需供應(yīng)模式研究的不足,從模式、技術(shù)和應(yīng)用的層面上研究云制造環(huán)境下云服務(wù)的按需供應(yīng)問題,實現(xiàn)工廠間便捷、動態(tài)的業(yè)務(wù)協(xié)作和廣域范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置.

雖然有很多關(guān)于CPSs和云服務(wù)在智能工廠中的應(yīng)用研究,但是將智能制造模式與云服務(wù)相結(jié)合對CPSs參考架構(gòu)影響的研究較少,本文將從這一角度出發(fā),研究一種新的CPSs模型.

2 智能工廠中CPSs的新需求與新特性

CPSs的本質(zhì)是以“人—機—物”的融合計算技術(shù),以實現(xiàn)人的控制在時間、空間等方面的延伸.而在智能制造模式下的MD中,原有的CPSs已無法應(yīng)對復(fù)雜多變的制造過程,新的制造模式對CPSs提出通信、計算、網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境和控制等多個需求,為了針對這些新需求找出CPSs新的特性[15-17],如表1所示.

根據(jù)智能制造中MD對CPSs性能的新需求,結(jié)合CPSs的功能需求和云服務(wù)的特點,提出了能滿足上述新需求和新特性的智能模式下，MD的基于云服務(wù)的CPSs模型.

3 基于服務(wù)的CPSs模型

3.1 基于服務(wù)的CPSs運行模型

云服務(wù)平臺為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供靈活的部署、運行與管理環(huán)境,屏蔽底層硬件、操作系統(tǒng)的差異,為應(yīng)用提供安全、高性能、可擴展、可管理、可靠、可監(jiān)控和可伸縮的全面保障.因此，將云服務(wù)模式運用于CPSs中,可降低開發(fā)、測試、部署、運行和維護應(yīng)用系統(tǒng)的成本.基于云服務(wù)的CPSs是針對MD中智能制造的特點,以高度智能的形式來實現(xiàn)制造全過程服務(wù).不僅實現(xiàn)了人與產(chǎn)品之間的無縫對接,還可實時獲取產(chǎn)品、設(shè)備等的運行狀態(tài).在整個生產(chǎn)、服務(wù)過程中,人雖然不需要去生產(chǎn)現(xiàn)場,但可通過虛擬系統(tǒng)來參與制造和服務(wù)全過程.基于云服務(wù)模式的CPSs運行模型如圖1所示.

在圖1中,通過布置在物理執(zhí)行層的各種智能傳感器,智能掃描單元來獲取設(shè)備和產(chǎn)品的信息,對其進行數(shù)字化提取,并進行分析和處理,最后輸入賽博服務(wù)層中的各種云服務(wù)模塊中,完成遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和處理等任務(wù).而用戶也可以通過賽博服務(wù)層中的云服務(wù)模塊來控制物理執(zhí)行層中的傳感器、執(zhí)行器等運行及檢測其運行狀態(tài),實現(xiàn)個性化訂制服務(wù).物理執(zhí)行層和賽博服務(wù)層之間通過各種邊界條件,如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和映射規(guī)則等來實現(xiàn)無縫對接.

表1 智能工廠中CPSs的新特點Tab.1 New characteristics of CPSs in smart factory

圖1 基于云服務(wù)模式的CPSs運行模型Fig.1 Running model of CPSs based on cloud services

3.2 基于服務(wù)的CPSs功能需求模型

根據(jù)智能制造模式下MD的制造過程對CPSs的要求,可將基于云服務(wù)的CPSs功能需求模型分為物理執(zhí)行系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)、資源池化及安全策略,如圖2所示.在物理執(zhí)行系統(tǒng)層面,可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場將其細分為現(xiàn)場物理設(shè)備層和業(yè)務(wù)控制層.現(xiàn)場設(shè)備層負責(zé)生產(chǎn)、物流、檢測、倉儲等過程,業(yè)務(wù)控制層負責(zé)對生產(chǎn)過程中所有設(shè)備和系統(tǒng)的控制及建模仿真過程等.物理執(zhí)行系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)經(jīng)過資源池化系統(tǒng)的分類和整理后,傳輸給虛擬信息系統(tǒng)中的工廠集成管理層和企業(yè)層,對產(chǎn)品進行生產(chǎn)管理和人員管理,并對數(shù)據(jù)進行分析、控制和監(jiān)測等.用戶接觸層為用戶提供各種應(yīng)用服務(wù),在信息系統(tǒng)中還為用戶提供了各種個性化訂制、體驗等服務(wù),客戶直接享受價值鏈頂端服務(wù).同時,還需要通過安全策略來保證生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)安全和人生安全等,以減少不必要的損失.

3.3 基于服務(wù)的CPSs物理配置模型

根據(jù)基于云服務(wù)的CPSs功能需求模型,實現(xiàn)其物理設(shè)備的配置模型,如圖3所示.

在物理執(zhí)行系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備層中,配備有智能倉儲、AGV及機器人、智能加工設(shè)備、智能識別設(shè)備、智能檢測設(shè)備等,用以完成生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與采集等.業(yè)務(wù)控制層與現(xiàn)場設(shè)備層之間,通過一定的通信協(xié)議或標準實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的信息交互,該層運用PLC和網(wǎng)絡(luò)交換機等來控制現(xiàn)場設(shè)備層的運行.

圖2 基于云服務(wù)的CPSs功能需求模型Fig.2 Function need model of CPSs based on cloud services

圖3 基于云服務(wù)的CPSs物理配置模型Fig.3 Physical configuration model of CPSs based on cloud services

物理執(zhí)行系統(tǒng)與虛擬信息系統(tǒng)之間,需要通過一定的映射規(guī)則來實現(xiàn)互通.在集成管理層,通過車間服務(wù)器和生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫,提供基于CAD、仿真等軟件平臺的產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)及組態(tài)配置服務(wù).在企業(yè)管理層,部署在企業(yè)內(nèi)部的管理服務(wù)器提供計算服務(wù),企業(yè)數(shù)據(jù)庫和信息流數(shù)據(jù)庫作為存儲庫,提供基于平臺的安全策略服務(wù)、虛擬仿真服務(wù)等.

企業(yè)層和用戶接觸層之間通過數(shù)據(jù)庫平臺、文件傳輸協(xié)議、超文本傳輸協(xié)議等搭建信息通訊渠道,提供所需的各種云服務(wù)模式.用戶接觸層可為用戶提供網(wǎng)站、售后等服務(wù).

4 基于CPSs新特性的部署策略應(yīng)用

前面分別提出了基于云服務(wù)的CPSs的運行模型、功能模型、物理配置模型,為了驗證設(shè)計CPSs模型的合理性和可用性,本節(jié)以智能制造模式下MD中CPSs的部署策略為例,搭建了基于CPSs新特性的部署策略模型,如圖4所示.

圖4 基于CPSs新特性的部署策略模型Fig.4 Deployment strategy model of CPSs based on new features

在基于云服務(wù)的CPSs模型的部署中,現(xiàn)場物理設(shè)備層由智能識別單元、智能拍攝單元、智能加工單元、智能立體庫單元等組成,并利用智能機器人完成生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的搬運和拾取工作.PROFINET和IEEE 802.11等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,可連接現(xiàn)場物理設(shè)備層和業(yè)務(wù)控制層.

在虛擬信息系統(tǒng)的集成管理層中,生產(chǎn)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由部署在同步交互通信服務(wù)器上的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來執(zhí)行操作.而對于企業(yè)層,仿真和物聯(lián)網(wǎng)等過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),由中量級的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫儲存,管理者可通過動態(tài)仿真平臺遠程控制和管理產(chǎn)品定制的可視化動態(tài)生產(chǎn)進程;通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺可追尋產(chǎn)品零部件基本信息;同時,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫可為用戶提供一些數(shù)據(jù)分析服務(wù),并能根據(jù)需求進行優(yōu)化.在用戶接觸層,用戶可通過操作電腦終端和手機終端等應(yīng)用程序來跟蹤訂單的生產(chǎn)過程,并可實時參與產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程.

5 結(jié)語

本文根據(jù)智能制造模式下MD生產(chǎn)過程CPSs的特點,結(jié)合云服務(wù)的優(yōu)勢,提出了基于服務(wù)的CPSs部署策略模型.首先根據(jù)MD中CPSs新需求和新特性,建立了基于云服務(wù)的CPSs運行模型以及功能需求模型、物理配置模型;然后對系統(tǒng)模型中的各個模塊進行了詳細分析;最后以MD中智能工廠的CPSs部署為例,利用所建立部署策略搭建了智能工廠中基于云服務(wù)的CPSs模型,在一定程度上提高了生產(chǎn)效率,并解決了生產(chǎn)過程中設(shè)備信息不暢通的問題.本文未來的研究可從如何確保各子系統(tǒng)充分發(fā)揮群體智慧作用,在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)真正的制造智能化,并將人類從簡單的智力活動中解放出來,發(fā)揮更多的主觀創(chuàng)造力.

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Research of smart factory deployment strategy based on new characteristics of cyber-physical system

CHENMing1，2,LIUJiangshan1,LIJielin1,LIUJinfei2

(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Sino-German College of Applied Sciences,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The discrete manufacturing process in the area of intelligent manufacturing is a production process that integrates computing, communication and control. Each stage of production is independent, the equipment and raw materials are used differently, which let the control and management of the entire production process become more complicate and diversified. To solve these problems, the paper combines the characteristics of the process control with the cloud service of intelligent manufacturing. A new deployment model of smart factory is proposed. This model is based on cyber-physical system (CPSs). Firstly, it describes the new requirements and new features of the new CPSs, then it builds the running model of CPSs, based on the service of the new characteristics and new requirements. Secondly, the function needs of CPSs model are based on the deployment strategy. New characteristics and new requirements of CPSs are formed according to the functional system. Finally, the CPSs uses the deployment strategy of smart factory in discrete manufacturing as an example, to verify the constructed model of CPSs. The result shows that the research is feasible.

discrete manufacturing(DM); smart factory; cyber-physical system(CPSs); deployment strategy

國家自然科學(xué)基金資助項目(71601144)

陳 明(1964—),男,教授,博士.E-mail:chen.ming@#edu.cn

TP 302; TH 181

A

1672-5581(2017)05-0383-06