基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架

丁 濤，閆光榮，劉愛軍

（1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；2.北京數(shù)碼大方科技股份有限公司，北京 100094；3.智能化協(xié)同制造技術及應用國家工程實驗室，北京 100094）

0 引言

隨著用戶需求的個性化程度越來越高，工業(yè)生產(chǎn)的組織方式也從以前的大規(guī)模批量化生產(chǎn)往多品種個性化定制方向轉(zhuǎn)變，制造需求的多樣化和生產(chǎn)周期的縮短給傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式提出新的挑戰(zhàn)。為了滿足市場的個性化需求，不少學者提出很多新的生產(chǎn)模式，比如并行工程、敏捷制造、網(wǎng)格制造等[1～4]，在一定程度上提升了生產(chǎn)效率和制造資源利用率，但由于缺少生產(chǎn)全生命周期統(tǒng)一的協(xié)同架構平臺，這些新的生產(chǎn)模式并沒有帶來根本性的變革。

隨著信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，以智能協(xié)同制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)革命逐漸興起，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化日益成為制造業(yè)發(fā)展的方向[5]。智能協(xié)同制造模式下，制造企業(yè)將不再自上而下地集中控制生產(chǎn)，不再從事單獨的設計與研發(fā)環(huán)節(jié)，或者單獨的生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)，或者單獨的營銷與服務環(huán)節(jié)。而是從顧客需求開始，到接受產(chǎn)品訂單、尋求合作生產(chǎn)、采購原材料或零部件、共同進行產(chǎn)品設計、生產(chǎn)組裝，整個環(huán)節(jié)都通過智能協(xié)同方式聯(lián)接起來并進行實時通信，從而確保最終產(chǎn)品滿足大規(guī)?？蛻舻膫€性化定制需求。

制定統(tǒng)一的框架平臺是智能協(xié)同制造的關鍵[6,7]。為了更好的實現(xiàn)企業(yè)智能協(xié)同制造各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集成和流程貫通，本文自底向上分析制造生產(chǎn)組織方式，提出基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架，將生產(chǎn)制造過程劃分為硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)流程貫通、云端協(xié)同三個層面進行討論，分別構建了基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺、基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平和基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺，三個層次平臺內(nèi)部橫向集成，層間縱向貫通，從而為企業(yè)構建靈活組織和快速響應的智能協(xié)同制造平臺提供借鑒意義。

1 基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架模型

分析企業(yè)生產(chǎn)制造組織方式及數(shù)據(jù)流向，可以將企業(yè)的生產(chǎn)制造過程分為三個層次：硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通和云端協(xié)同。最底層的制造設備及相關硬件是生產(chǎn)具體的執(zhí)行單元，底層的生產(chǎn)過程通過產(chǎn)品全生命周期（設計、工藝、生產(chǎn)、物流、銷售）的數(shù)據(jù)貫通與企業(yè)內(nèi)其他環(huán)節(jié)實現(xiàn)互聯(lián)互通，近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云制造逐漸成為一種新的生產(chǎn)組織模式[8]，企業(yè)內(nèi)的制造資源和制造能力通過發(fā)布到云端，形成服務于制造需求的基礎公共服務和功能服務，從而實現(xiàn)制造企業(yè)之間及企業(yè)與用戶之間的云端協(xié)同。

針對生成制造過程的三個層次，本文提出基于層次化的智能協(xié)同制造平臺總體框架，如圖1所示?？傮w框架包含三個層次的子框架平臺：1）基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺；2）基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺；3）基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺。三個層次平臺內(nèi)容如下：

1）基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺。構建基于OPC、OPC-UA等標準的交互式生產(chǎn)技術聯(lián)網(wǎng)和基于MODBUS、RS232等協(xié)議的數(shù)據(jù)通信聯(lián)網(wǎng)條件，為數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能傳感器、DCS、PLC等硬件提供互聯(lián)的協(xié)同平臺。

2）基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺。搭建基于產(chǎn)品全生命周期（設計、工藝、生產(chǎn)、物流、銷售、服務）的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)貫通，制定企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)接口標準和規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部各生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的橫向集成和互聯(lián)互通。

3）基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺。基于工業(yè)云、云存儲和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，構建企業(yè)制造能力共享和企業(yè)間制造協(xié)同的生態(tài)服務平臺，將企業(yè)內(nèi)部的制造資源和能力價值通過云端服務延伸到用戶和其他企業(yè)之間，構建價值鏈協(xié)同平臺。

基于層次化的智能協(xié)同制造平臺總體框架，實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)制造橫向集成和縱向貫通，并通過工業(yè)云將制造資源和制造能力價值鏈延伸到用戶及其他企業(yè)，針對行業(yè)形成服務于行業(yè)應用的公共基礎服務和功能服務，從而形成智能化協(xié)同制造生態(tài)，提升企業(yè)生產(chǎn)響應效率和協(xié)作能力。下面對總體框架涉及的層次子框架及關鍵技術進行詳細描述。

2 智能協(xié)同制造平臺關鍵技術

本節(jié)對總體框架涉及到的三個層次子框架及各自的關鍵技術進行詳細描述，從生產(chǎn)組織的硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通、云端協(xié)同三個層面闡述協(xié)同制造平臺構建過程中的關鍵技術。

2.1 構建基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺

基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同是指制造過程的數(shù)控機床、工業(yè)機器人和其他自動化設備在OPC、OPC-UA的采集標準和MODBUS、RS232通信協(xié)議的支撐下，實現(xiàn)設備物聯(lián)和數(shù)據(jù)通信，在硬件層下達和反饋制造信息，形成硬件互聯(lián)互通的協(xié)同平臺，實現(xiàn)硬件層的協(xié)同效率倍增效應?；诠I(yè)物聯(lián)的硬件平臺層次架構如圖2所示。

圖中硬件控制系統(tǒng)包括PLC、驅(qū)動器、機器人、電機、傳感器、網(wǎng)關、通信服務器等，采集標準包括OPC、OPC-UA等，通信標準包括MODBUS、TCP等。圖中以紅色框內(nèi)的部分是為對硬件采集通信數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。該平臺框架按對象化、層次化的結構設計，關鍵技術包含設備接入與數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)管理與基礎服務、設備間協(xié)同控制、可視化展示和與第三方軟件數(shù)據(jù)接口等五個方面。

1）設備接入與數(shù)據(jù)交互

圖1 智能化協(xié)同制造技術與應用平臺

圖2 硬件平臺協(xié)同框架

框架底層部分為彈性的接口框架，可以開發(fā)插件式驅(qū)動程序，以適配不同的接口協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，從而與不同類型的設備進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互的內(nèi)容包括設備自身信息、生產(chǎn)統(tǒng)計類信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)實際值、質(zhì)量類信息、生產(chǎn)設備狀態(tài)、報警類信息、可視化信息、維保類信息、核心部件類信息、能耗類信息、生產(chǎn)工單、換型指令、生產(chǎn)工藝參數(shù)、設備工作模式、對時信息、信息安全、設備專用的數(shù)據(jù)信息等。

2）數(shù)據(jù)管理與基礎服務

數(shù)據(jù)管理與基礎服務是框架底層平臺的核心，包括內(nèi)容實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、設備數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、設備信息模型、產(chǎn)品信息模型、報警&事件服務、協(xié)同控制服務、腳本引擎服務、日志服務、權限服務、時鐘同步服務、可視化展示服務、報表管理服務、打印管理服務、信息安全服務等。

3）設備間協(xié)同控制

在單體設備管控的基礎上，對由多臺相關設備、傳感器、儀器儀表、識別設備等組成的單一或多條相關生產(chǎn)線，以及分屬不同系統(tǒng)的相關儀表和設備進行聯(lián)動控制等。

4）可視化展示

在設備數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的基礎上，根據(jù)需求對各個層次的對象進行統(tǒng)一的可視化展示。包括工廠、產(chǎn)線、設備、人員、樓宇、工業(yè)視頻。除了常規(guī)的大屏、操作終端電腦屏幕、語音/廣播等方式外，也可以通過郵件、短信息、Web服務等支持移動端設備。

5）與第三方軟件數(shù)據(jù)接口

軟件平臺要與第三方MES、WMS、PDM之間存在數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)集成的方式主要有兩種：中間數(shù)據(jù)庫和基于SOA的服務集成，從而使設備相關數(shù)據(jù)能及時與其他系統(tǒng)進行交互。

2.2 構建基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺

在基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺上提供了設計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）等產(chǎn)品，平臺不僅實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)不同產(chǎn)品間的數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)協(xié)同，還實現(xiàn)與異構CAD、PDM、ERP、MES等系統(tǒng)的集成接口，以及與3D掃描、3D打印及其他企業(yè)數(shù)控設備之間的互聯(lián)互通，協(xié)同平臺框架如圖3所示。

本層次平臺框架的關鍵技術包括：1）基于PLM的接口標準，規(guī)范PLM和CAD、CAPP、CAM、MES、ERP、網(wǎng)絡DNC的集成方式和內(nèi)容，規(guī)范PLM、ERP、網(wǎng)絡DNC、數(shù)控設備等與MES的集成方式和內(nèi)容；2）在標準規(guī)范支持下實現(xiàn)全生命周期里的軟件之間、軟件和硬件之間的互聯(lián)互通和融合創(chuàng)新；3）面向行業(yè)的知識管理，實現(xiàn)基于協(xié)同架構的產(chǎn)品生產(chǎn)知識管理。關鍵技術詳述如下：

1）基于PLM的接口標準

規(guī)范產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的軟件之間及軟硬件之間的數(shù)據(jù)交換接口，軟件之間統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)庫和SOA的方式進行數(shù)據(jù)集成，軟硬件之間的接口標準，應先對硬件的數(shù)控系統(tǒng)接口程序進行升級，并按照平臺架構的設計進行組裝，實現(xiàn)各種接口可按插件形式配置，實現(xiàn)軟硬件之間的接口標準采用統(tǒng)一的規(guī)范。

圖3 基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同架構

2）標準規(guī)范下的軟件及軟硬件間的互聯(lián)互通和融合創(chuàng)新

在設計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）等產(chǎn)品中支持數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并支持按照標準規(guī)范要求以中間數(shù)據(jù)格式或服務的形式與第三方公司的產(chǎn)品軟件進行數(shù)據(jù)集成，并實現(xiàn)軟件與數(shù)控設備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

3）基于協(xié)同架構的產(chǎn)品知識管理

構建基于協(xié)同架構的統(tǒng)一知識管理工具，實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的知識管理和積累。在設計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）各階段增加對產(chǎn)品知識的調(diào)用，如提供在線的設計/工藝/制造手冊，提供設計/工藝/制造知識庫，標準件庫、零件庫、設計模塊庫、產(chǎn)品色彩方案庫，材料、材質(zhì)、設備、工裝、工具等資源庫等，支持設計生產(chǎn)流程導航，支持基于典型工藝的工藝設計和智能生產(chǎn)等。

2.3 構建基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺

基于云制造、云存儲和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，構建以制造資源共享和企業(yè)間制造協(xié)同的融合創(chuàng)新云服務平臺。價值鏈協(xié)同平臺基于個性化定制、柔性制造和服務模式，分為服務運營、云服務平臺、數(shù)據(jù)中心、用戶終端和行業(yè)應用五個部分，數(shù)據(jù)中心完成云端數(shù)據(jù)的存儲和計算，云服務平臺提供云端服務的載體平臺，服務運營對云端的服務進行綜合管理，協(xié)同平臺的運行情況通過用戶終端與用戶進行交互，協(xié)同平臺架構如圖4所示。

基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺將企業(yè)的制造資源價值延伸到云端，企業(yè)及相關應用開通企業(yè)庫，在平臺上展現(xiàn)設計、制造、檢測、工程服務等能力，信息聚合后即可呈現(xiàn)為整個行業(yè)的綜合能力，同時制造企業(yè)之間可以通過工業(yè)云進行制造過程協(xié)作，通過用戶終端承接個性化定制的訂單和需求，在平臺上完成需求與能力的對接，服務或產(chǎn)品交付后，需求方可以進行服務評價，并持續(xù)向企業(yè)反饋意見，從而將資源和能力價值發(fā)揮到最大。

構建基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺的關鍵技術包含云服務框架、資源庫建設、軟件服務和平臺安全體系建設。以下對涉及到的四個關鍵技術進行詳細描述。

1）協(xié)同制造平臺云服務框架

平臺基于底層彈性云基礎設施，以虛擬化技術為主要支撐、對平臺的軟硬件及虛擬機等各類資源進行服務化管理，滿足靈活管理和高效利用資源的需要。

基于IaaS平臺，實現(xiàn)資源虛擬化、動態(tài)規(guī)模擴展、自動化部署、負載管理、數(shù)據(jù)管理、性能故障管理、配置管理等服務，構建PaaS層，實現(xiàn)中間件層面統(tǒng)一，支持SaaS應用層面擴展。部署統(tǒng)一模型服務、文倉服務、工作流服務、會話服務、認證授權服務、測試服務、部署服務等。重點建設行業(yè)能力供應平臺，包括企業(yè)庫能力呈現(xiàn)與搜索、交易機制，構建創(chuàng)新設計與協(xié)同制造云服務模式、體系架構、標準規(guī)范等。

圖4 基于工業(yè)云價值鏈協(xié)同平臺

2）資源庫建設

資源服務圍繞行業(yè)，建設包括2D/3D設計零部件庫、專業(yè)應用構件庫、產(chǎn)品模型庫、設計標準和手冊、工藝知識庫、制造資源庫、行業(yè)應用模板等。

資源庫建設本著資源共享、有效利用的原則，在現(xiàn)有資源基礎上進行“填平補齊”，建立一個豐富的軟硬件資源體系，建設一個能有效支持異地協(xié)作的網(wǎng)絡環(huán)境，同時根據(jù)行業(yè)共性需求特點，建設若干設計數(shù)據(jù)庫以及協(xié)同工具，實現(xiàn)平臺內(nèi)部的資源共享和設計信息互通。主要建設策略為：規(guī)劃平臺的資源布局，填平補齊軟硬件工具，建設專業(yè)設計資源庫。

3）SaaS軟件和服務

SaaS應用層面，包括軟件和能力交易平臺，提供工業(yè)設計工具和軟件，資源庫，3D打印，數(shù)控編程，仿真分析等工程服務，以及交易對接服務、對接后的供應鏈協(xié)作項目管理服務。具體的，云平臺主要有以下十方面的建設內(nèi)容，包括軟件服務系統(tǒng)、設計資料庫系統(tǒng)、培訓和社區(qū)交流服務系統(tǒng)、搜索服務系統(tǒng)、項目管理服務系統(tǒng)、交易服務系統(tǒng)、認證服務系統(tǒng)、廣服務系統(tǒng)、定制服務系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)呈現(xiàn)服務。

4）平臺安全體系建設

為有效保障云計算應用的安全，針對平臺SaaS應用安全層、PaaS網(wǎng)絡安全層、PaaS系統(tǒng)安全層、IaaS基礎設施安全層、管理安全層五個層次，從安全接入、權限管理、安全存儲、安全傳輸、安全審計、服務安全六個方面保障云服務平臺的安全。

3 結束語

用戶需求個性化定制程度的提高給傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式帶來挑戰(zhàn)，隨著信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能協(xié)同制造模式逐漸成為制造業(yè)發(fā)展的方向。本文從硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通、云端協(xié)同三個層面分析了制造企業(yè)的生產(chǎn)組織方式，并構建了基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架。自底向上提出支持平臺架構的三個子平臺框架，即基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺、基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺和基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺，文中詳細探討了平臺涉及到的核心關鍵技術，三個層次內(nèi)部橫向集成，層間縱向貫通，從而構成基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架，為企業(yè)構建靈活高效的生產(chǎn)組織模式提供了有益的參考。

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