面向智能工廠建設(shè)的汽車制造運(yùn)行管理系統(tǒng)方案研究

林錦州， 于英杰， 趙彥春

（北京卡達(dá)克數(shù)據(jù)有限公司， 北京　100172）

1　汽車生產(chǎn)智能工廠建設(shè)現(xiàn)狀

目前，我國汽車生產(chǎn)智能工廠的建設(shè)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，在汽車零部件生產(chǎn)和整車制造的環(huán)節(jié)中都得到了一定的應(yīng)用。例如江淮汽車在生產(chǎn)制造中應(yīng)用了RFID、工廠和生產(chǎn)線規(guī)劃仿真以及自動(dòng)化生產(chǎn)調(diào)度等技術(shù)[1]。但總體而言，我國在汽車生產(chǎn)智能工廠的建設(shè)方面尚處在起步階段，主要存在汽車制造生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化程度不夠高、機(jī)械化和數(shù)字化融合核心技術(shù)受制于人等問題。

根據(jù)《中國汽車智能制造技術(shù)路線圖》中提到的我國汽車智能制造的總體發(fā)展規(guī)劃，我國汽車智能制造在未來15年的發(fā)展目標(biāo)為：到2020年，全面夯實(shí)汽車制造工業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化基礎(chǔ)；到2025年，智能決策軟件和智能裝備在骨干汽車企業(yè)大量使用；到2030年，在全面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，汽車制造實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流到服務(wù)的全過程智能化[2-3]。

2　汽車生產(chǎn)智能工廠建設(shè)主要技術(shù)

2.1　制造運(yùn)行管理（MOM）系統(tǒng)

在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的基礎(chǔ)上，IEC/ISO-622 64標(biāo)準(zhǔn)首先正式確立了制造運(yùn)行管理（Manufacturing Operations Management，MOM）的概念；MOM 不是一個(gè)物理實(shí)體的概念，而是一個(gè)框架性的概念，它通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、人員、物料等的管理，把原材料或零件轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。該標(biāo)準(zhǔn)以美國普度大學(xué)企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)（PERA）為基礎(chǔ)，給出了如圖1所示的制造企業(yè)功能層次模型。

圖1　制造企業(yè)功能層次模型

由模型圖可知，制造運(yùn)行管理位于該模型的第三層，它定義了為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)最終產(chǎn)品的工作流活動(dòng)，包括了生產(chǎn)記錄的維護(hù)和生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)與優(yōu)化等，明確界定了與上層企業(yè)管理層和下層設(shè)備控制層之間的邊界，起到了企業(yè)管理系統(tǒng)和車間自動(dòng)化控制設(shè)備之間的信息集成和信息傳遞的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃管理、人力資源協(xié)調(diào)、原材料消耗統(tǒng)計(jì)、指令下達(dá)、設(shè)備監(jiān)控和成本控制等功能[4-5]。

通過MOM可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行層、裝備控制層和智能管控層的高度集成，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的主動(dòng)感知和生產(chǎn)車間高度物理信息融合的目標(biāo)，并為生產(chǎn)車間各層次的管理人員提供具備一定智能化水平的輔助決策支持；目前MOM的主要發(fā)展方向有各應(yīng)用模塊功能的進(jìn)一步強(qiáng)化、優(yōu)化算法的進(jìn)一步發(fā)展和制造運(yùn)行管理內(nèi)部評(píng)價(jià)體系的確立完善等。

2.2　智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳感器智能化是當(dāng)今傳感器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向，得益于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器在原有的傳感變送功能的基礎(chǔ)上，吸收先進(jìn)的信息技術(shù)手段，逐步具備了信息化傳輸和網(wǎng)絡(luò)化集成的功能，形成了智能傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]。

傳感器能夠?qū)⑽锢硇盘?hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓/電流信號(hào)輸出，是實(shí)現(xiàn)物理信息系統(tǒng)融合的關(guān)鍵元件，一個(gè)真正意義上的智能傳感器應(yīng)具備自校準(zhǔn)自標(biāo)定、數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)輸出、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、自調(diào)整自適應(yīng)、存儲(chǔ)識(shí)別和算法判斷決策等功能，同時(shí)應(yīng)具有體積小、成本低和連接方便等特點(diǎn)。目前在智能傳感器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)有紅外技術(shù)、RFID技術(shù)和生物傳感器技術(shù)等，主要應(yīng)用的算法有濾波算法、回歸分析算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域主要有基于Internet/Ethernet的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等[7]。

2.3　多傳感器信息融合技術(shù)

信息融合技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，早期主要應(yīng)用于軍事目標(biāo)的定位、跟蹤與控制，隨著工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜化和智能化，該技術(shù)已經(jīng)逐漸推廣到生產(chǎn)車間設(shè)備控制及運(yùn)行調(diào)度等工業(yè)領(lǐng)域。多傳感器信息融合技術(shù)通過對(duì)多類同構(gòu)或異構(gòu)傳感器的冗余信息和互補(bǔ)信息進(jìn)行綜合從而得到對(duì)被測對(duì)象更加精確的評(píng)估。相比于單傳感器，多傳感器信息融合能夠增加測量的維度和置信度，實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)內(nèi)部的信息互補(bǔ)，有利于提高系統(tǒng)的資源利用率。

多傳感器信息融合的關(guān)鍵問題是融合模型的設(shè)計(jì)，融合模型主要分為功能模型和結(jié)構(gòu)模型兩類。功能模型方面，何友等在早期用于美國軍事的JDL模型的基礎(chǔ)上提出了五級(jí)模型，將模型分為檢測級(jí)融合、位置級(jí)融合、目標(biāo)識(shí)別級(jí)融合、態(tài)勢估計(jì)和威脅估計(jì)五級(jí)。前三級(jí)適用于任意的多傳感器信息融合系統(tǒng)，后兩級(jí)主要用于軍事的C3I（Communication,Command，Control and Intelligence）系統(tǒng)；對(duì)于結(jié)構(gòu)模型，檢測級(jí)的結(jié)構(gòu)模型有：并行結(jié)構(gòu)、分散結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)。位置級(jí)的結(jié)構(gòu)模型有：集中式、分布式、混合式和多級(jí)式。屬性級(jí)的結(jié)構(gòu)模型有：對(duì)應(yīng)決策層模型、特征層模型和數(shù)據(jù)層模型。

多傳感器信息融合涉及到的主要算法有貝葉斯估計(jì)、Kalman濾波、D-S證據(jù)推理、模糊估計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等，未來主要的研究方向有多傳感器信息融合統(tǒng)一理論模型的建立、異類傳感器信息融合技術(shù)的研究和人工智能技術(shù)在信息融合中的應(yīng)用等。

3　面向智能工廠建設(shè)的汽車制造運(yùn)行管理系統(tǒng)構(gòu)建方案

基于制造運(yùn)行管理（MOM）系統(tǒng)，在汽車生產(chǎn)車間底端設(shè)備控制層構(gòu)建智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將采集到的數(shù)據(jù)、圖像、特征等信息送入信息融合層，分別在數(shù)據(jù)層面、特征層面與決策層面實(shí)現(xiàn)信息融合，建立企業(yè)生產(chǎn)管理、智能制造與數(shù)字化技術(shù)在不同業(yè)務(wù)層的綜合集成與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)車間的生產(chǎn)、設(shè)備、物料及質(zhì)量等信息的綜合智能管控功能，優(yōu)化生產(chǎn)流程，達(dá)到汽車生產(chǎn)車間底端設(shè)備控制層、中間執(zhí)行層與上端企業(yè)管理層的高度集成，構(gòu)建汽車生產(chǎn)智能工廠。

方案構(gòu)建的汽車智能生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中汽車生產(chǎn)的底端設(shè)備控制層主要包含PLC、DCS等一系列自動(dòng)化控制設(shè)備和儀表，具備將生產(chǎn)過程中的位置、溫度和壓力等物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的功能，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；位于中間執(zhí)行層的制造運(yùn)行管理（MOM）系統(tǒng)接受底端設(shè)備層傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)排程、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和物流動(dòng)態(tài)等信息的一體化協(xié)同管理，并通過業(yè)務(wù)流程組態(tài)和工廠基礎(chǔ)信息建模實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；上端企業(yè)管理層主要包含ERP等涉及到企業(yè)資源計(jì)劃和管理的軟件，與中間執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，為汽車生產(chǎn)車間各層次的管理人員提供具備一定智能化水平的輔助決策支持。

圖2　汽車智能生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)

方案將實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)、質(zhì)量和物流的智能化綜合管理。在生產(chǎn)方面，將主要實(shí)現(xiàn)全局柔性生產(chǎn)計(jì)劃排程與生產(chǎn)協(xié)同、高效生產(chǎn)派工管理、實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與工序控制、生產(chǎn)過程監(jiān)控與敏捷異常處置和在制品跟蹤與生產(chǎn)防錯(cuò)等功能。在生產(chǎn)任務(wù)開工前，能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場人、機(jī)、料情況的檢查，確保生產(chǎn)任務(wù)正確開展。同時(shí)，根據(jù)工廠物理建模平臺(tái)，借助與車間數(shù)字化控制層的集成，通過大屏幕、智能終端等方式，能夠圖形化實(shí)時(shí)展現(xiàn)生產(chǎn)情況，并通過RFID、條碼等手段準(zhǔn)確跟蹤物料的物理位置，實(shí)時(shí)跟蹤單件/批次在制品的流轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在生產(chǎn)質(zhì)量方面，方案將實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與跟蹤、質(zhì)量異常預(yù)警與快速響應(yīng)、防錯(cuò)防漏和質(zhì)量檔案建模等功能，并可基于實(shí)時(shí)反饋信息對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過設(shè)備集成、終端采集等多種方式，根據(jù)質(zhì)量建模要求，記錄生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備加工過程中的設(shè)備參數(shù)以及產(chǎn)品返修記錄等，建立數(shù)字化產(chǎn)品質(zhì)量檔案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的雙向追溯和質(zhì)量檔案查詢等功能；并基于車間物聯(lián)網(wǎng)與生產(chǎn)執(zhí)行的實(shí)時(shí)反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行進(jìn)度的滾動(dòng)刷新，并對(duì)超期情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。最后根據(jù)需求變更、內(nèi)部的生產(chǎn)異常和產(chǎn)品工藝變化等情況，借助可視化平臺(tái)，進(jìn)行輔助的決策調(diào)整。

在物流方面，方案構(gòu)建的系統(tǒng)將具備多策略物料拉動(dòng)與配送、自動(dòng)化物流執(zhí)行與跟蹤、準(zhǔn)時(shí)制物料計(jì)劃與物流協(xié)同、現(xiàn)場物料預(yù)警與監(jiān)控以及路徑、時(shí)間及倉儲(chǔ)低成本擴(kuò)展建模等功能，針對(duì)企業(yè)不同的物料類型，按照不同的物料運(yùn)輸、配送模式，建立物流路徑、運(yùn)輸時(shí)間和存儲(chǔ)空間的關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)行配置優(yōu)化擴(kuò)展，打造“物料—倉庫—生產(chǎn)”的端到端閉環(huán)工廠體系。

4　結(jié)語

汽車生產(chǎn)企業(yè)智能工廠的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)汽車智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著汽車生產(chǎn)自動(dòng)化水平的日益提高，制造自動(dòng)化的概念在原有基礎(chǔ)上逐漸擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。通過在汽車生產(chǎn)車間構(gòu)建智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的高度融合，并通過制造運(yùn)行管理（MOM）系統(tǒng)的綜合管控功能，實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)車間底端設(shè)備控制層、中間執(zhí)行層和上端企業(yè)管理層的信息共享與協(xié)同，全面提升汽車生產(chǎn)過程管控的精細(xì)化和數(shù)字化程度，構(gòu)建高效、有序、柔性化的汽車生產(chǎn)智能工廠。

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