基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建研究

柴俊 徐夏民

摘? 要 針對(duì)傳統(tǒng)車間生產(chǎn)管理作用日益突出的問(wèn)題，為強(qiáng)化車間生產(chǎn)管理，提高車間生產(chǎn)管理水平，基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)智慧車間構(gòu)建進(jìn)行研究。通過(guò)智能感知技術(shù)對(duì)車間的信息進(jìn)行采集，并對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理;構(gòu)建出智慧車間，在生產(chǎn)計(jì)劃的制訂、執(zhí)行和跟蹤的制成等方面為車間管理和操作人員提供分析服務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，該車間構(gòu)建具有可行性、創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 泛在網(wǎng)絡(luò);智慧車間;智能感知;車間構(gòu)建

中圖分類號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）20-0019-03

Research on Structure of Smart Workshop based on Ubiquitous Network Technology//CHAI Jun， XU Xiamin

Abstract In order to solve the increasingly prominent issues of work-

shop production management， strengthen the workshop production management and improve the workshop production management level， the paper studies the smart workshop construction based on the

ubiquitous network technology. It uses intelligent perception tech-nology to collect information of the workshop， and carries out the collection of information. Through building a smart workshop，it pro-

vides analysis service for workshop management and operation per-sonnel on the production plan preparation， execution， tracking and so on. The study shows that the workshop construction is feasible， innovative and practical.

Key words ubiquitous network; smart workshop; intelligent percep-tion; workshop construction

1 引言

目前，我國(guó)大多中小型制造企業(yè)面臨品種多樣化、生產(chǎn)批量小、制造過(guò)程不集中等問(wèn)題，而且我國(guó)大部分中小型制造企業(yè)依然采用需人工干預(yù)的被動(dòng)信息交互的方法，難以滿足制造過(guò)程信息化的需求，制約了企業(yè)的穩(wěn)定、快速發(fā)展。針對(duì)這些問(wèn)題，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建智慧車間成為必然的趨勢(shì)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于智慧車間的研究逐漸增多，提出過(guò)若干解決方案。文獻(xiàn)[1]主要是介紹了工業(yè)4.0的概念，以及制藥工業(yè)在工業(yè)4.0智慧工廠中運(yùn)用的相關(guān)技術(shù)的概要等，但沒(méi)有深入探討所需技術(shù)。文獻(xiàn)[2-3]分析了汽車制造行業(yè)與CNC規(guī)?；a(chǎn)中目前使用的智能化制造方案，探討了其優(yōu)劣，并提出一種基于CNC智慧工廠的“自動(dòng)化+互聯(lián)網(wǎng)+精益生產(chǎn)=智慧工廠”的生產(chǎn)模式，但未考慮實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[4]提出一種基于工廠設(shè)計(jì)為主要環(huán)節(jié)的智慧工廠參考模型，定義了智慧工廠組成域及各個(gè)組成元素的內(nèi)外聯(lián)系，并對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，但并未對(duì)具體的生產(chǎn)組織方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5-6]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，深入分析了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧工廠建設(shè)中的地位，提出基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“關(guān)聯(lián)+預(yù)測(cè)+調(diào)控”的車間運(yùn)行、分析和決策的生產(chǎn)新模式。文獻(xiàn)[7]針對(duì)國(guó)內(nèi)目前未形成有效合理的智慧工廠模式這一問(wèn)題，分析工廠建模重難點(diǎn)，運(yùn)用多種傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的智慧工廠綜合管理信息系統(tǒng)。

本文針對(duì)傳統(tǒng)型車間加工制造管理中存在的困難，結(jié)合上述論文的方法，以高職院校實(shí)習(xí)車間為藍(lán)本，提出一種基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建研究。研究發(fā)現(xiàn)，基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建可呈現(xiàn)出生產(chǎn)的可視化，為管理和操作人員提供各種分析服務(wù)，對(duì)于降低生產(chǎn)成本，提高實(shí)習(xí)效率，改善車間管理，具有顯著效果，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2 智慧車間

智慧車間的概念? 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的興起，智慧概念逐漸滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。IBM最早提出“智慧城市”的概念，已逐漸被國(guó)內(nèi)外廣泛接受，而后德國(guó)主導(dǎo)的“工業(yè)4.0”概念進(jìn)一步將“智慧制造”這一概念帶入生產(chǎn)制造領(lǐng)域。目前，我國(guó)工業(yè)企業(yè)都在逐步進(jìn)行智慧化升級(jí)改造，多種多樣的智慧工廠概念、方法、模式在不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了國(guó)內(nèi)企業(yè)向智慧化方面的轉(zhuǎn)型。

智慧車間是在數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)之上增加了智能感知和智能分析的車間，運(yùn)用智能感知技術(shù)對(duì)車間的信息進(jìn)行采集，并對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理，為管理和操作人員進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃制訂、執(zhí)行和跟蹤提供分析服務(wù)，并可呈現(xiàn)生產(chǎn)的可視化信息。

智慧車間可行性分析? 工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)主要階段：第一個(gè)階段是單一化階段，解決了直接與人力接觸的、生產(chǎn)單一的問(wèn)題，針對(duì)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)出功能較為單一的、離散的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備;第二階段是將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體設(shè)備進(jìn)行連接，將工廠內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)規(guī)劃，降低了車間內(nèi)的人力物流成本，開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化流水線等技術(shù)，將工廠內(nèi)原本離散的生產(chǎn)設(shè)備、工位等有效地連接，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低了成本及中間損耗。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)階段的發(fā)展，工廠自動(dòng)化的發(fā)展日趨成熟，全面加強(qiáng)了規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)力。流水線自動(dòng)化設(shè)備的大量使用以及工業(yè)機(jī)器人的逐漸投入，大大降低了工業(yè)生產(chǎn)中的人力需求，為解決企業(yè)“用工難”等問(wèn)題發(fā)揮了重大作用。

建立智慧車間，是為了提升企業(yè)生產(chǎn)效率以及資源的利用率，創(chuàng)造出不斷發(fā)掘企業(yè)工業(yè)化潛力的生產(chǎn)環(huán)境，以原先的自動(dòng)化技術(shù)作為基礎(chǔ)，將車間設(shè)備及管理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，建立“自動(dòng)化+互聯(lián)網(wǎng)+精益生產(chǎn)”的智慧循環(huán)系統(tǒng)（圖1），將原有的生產(chǎn)要素一并融入網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，交換信息，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行集中分析管理，保持生產(chǎn)的持續(xù)高效穩(wěn)定。

3 基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建

泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述? 以感知技術(shù)和智能技術(shù)為特點(diǎn)的泛在技術(shù)的提出，成為推動(dòng)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的動(dòng)力，制造技術(shù)也將由傳統(tǒng)的信息有限時(shí)代進(jìn)入信息豐富的新階段。泛在（Ubiquitous）一詞源自拉丁語(yǔ)，其意思是存在于任意地方。泛在網(wǎng)絡(luò)是指把先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)及數(shù)字處理技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)等其他先進(jìn)技術(shù)結(jié)合而成的技術(shù)社會(huì)形態(tài)。泛在網(wǎng)絡(luò)以“無(wú)所不包”“無(wú)所不在”“無(wú)所不能”為主要特點(diǎn)，使人們達(dá)到任何地點(diǎn)（anywhere）、任何時(shí)間（anytime）、任何物（anything）、任何人（anyone）都可以順暢通信的4A化通信。

泛在計(jì)算是由美國(guó)Xerox PAPC實(shí)驗(yàn)室的Mark Weiser于1991年提出的一種超越傳統(tǒng)桌面計(jì)算而存在的全新的計(jì)算模式。泛在計(jì)算有兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)：一是不可見(jiàn)性;二是具有能隨時(shí)隨地訪問(wèn)到信息的能力。通過(guò)在環(huán)境中安插大量傳感器、處理器、通信設(shè)備和其他信息處理設(shè)備，在用戶無(wú)須察覺(jué)的情況下進(jìn)行各種計(jì)算、通信、信息處理服務(wù)，最大限度減少用戶對(duì)系統(tǒng)的介入。

在泛在計(jì)算發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)一步衍生出泛在網(wǎng)絡(luò)。泛在網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)，建立泛在網(wǎng)絡(luò)是要在建立人與人、物與物、人與計(jì)算機(jī)、物與計(jì)算機(jī)廣泛連接的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，加載各類應(yīng)用以提高人們生活的效率和便利性。泛在網(wǎng)絡(luò)的體系標(biāo)準(zhǔn)研究?jī)?nèi)容主要包括泛在網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)、泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)、泛在網(wǎng)絡(luò)體系中各個(gè)組件和功能模塊及各個(gè)模塊間的接口、應(yīng)用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等。

泛在網(wǎng)絡(luò)與智慧車間的聯(lián)系? 對(duì)于將制造作為首要功能的智慧車間，其泛在網(wǎng)絡(luò)是將工業(yè)級(jí)傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、工廠控制網(wǎng)絡(luò)、面向管理的RFID網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息互聯(lián)網(wǎng)的融合和集成，是未來(lái)制造之中將人和人、機(jī)器和機(jī)器以及人和機(jī)器有機(jī)關(guān)聯(lián)、交互信息的有效手段。

對(duì)于智慧車間的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，要求通過(guò)傳感器收集現(xiàn)場(chǎng)信息，并實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況;對(duì)于設(shè)備方面，要求持續(xù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的磨損老化狀況，預(yù)計(jì)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn)，合理安排維護(hù)，減少維修成本;對(duì)于控制方面，全面詳盡地獲取數(shù)據(jù)和產(chǎn)品信息，以便為控制提供最優(yōu)策略;對(duì)于管理，要求持續(xù)不斷地取得現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，監(jiān)控跟蹤資產(chǎn)信息，收集車間作業(yè)人員各項(xiàng)相關(guān)信息，以提高智慧車間的自動(dòng)化水準(zhǔn)。

基于泛在網(wǎng)絡(luò)的智慧車間的實(shí)現(xiàn)? 傳統(tǒng)加工制造車間制造環(huán)境復(fù)雜，底層加工設(shè)備的差異性過(guò)大，在車間中無(wú)法將設(shè)備聯(lián)動(dòng)，生產(chǎn)加工狀態(tài)成為企業(yè)管理的信息盲點(diǎn)。泛在網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，提供了一種車間信息傳遞的新方法，使得智慧車間的實(shí)現(xiàn)成為可能。

本文根據(jù)智慧車間的要求標(biāo)準(zhǔn)以及泛在網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有三層構(gòu)架的設(shè)備監(jiān)控及信息交換系統(tǒng)。

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層是設(shè)備監(jiān)控及信息交換系統(tǒng)的最底層，其功能是采集設(shè)備當(dāng)前的工序和狀態(tài)信息。對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng)的設(shè)備，可以直接通過(guò)開(kāi)放的接口獲得設(shè)備數(shù)據(jù)，其余的可以通過(guò)在設(shè)備上大量安置傳感器的方式獲取。

C/S架構(gòu)是一個(gè)車間聯(lián)網(wǎng)框架，是以設(shè)備（傳感器）為核心構(gòu)建的框架，設(shè)備（傳感器）的協(xié)議無(wú)關(guān)性，可以隨意掛載設(shè)備驅(qū)動(dòng)在框架下運(yùn)行。所以其本質(zhì)上可以協(xié)調(diào)設(shè)備驅(qū)動(dòng)（協(xié)議）、IO通道（COM和NET）、運(yùn)行機(jī)制（模式）之間的關(guān)系，使之無(wú)縫結(jié)合、運(yùn)行。同時(shí)，C/S架構(gòu)具有實(shí)時(shí)通信速率高、信息處理能力強(qiáng)及操作頁(yè)面形式多樣等特點(diǎn)，故采用其實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別采集軟件的設(shè)計(jì)與程序編寫，從而有效協(xié)調(diào)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、IO通道、控制模式和實(shí)際硬件設(shè)備。

串口和網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，采集軟件架構(gòu)通過(guò)輪詢模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。將機(jī)床等設(shè)備都虛擬成IDevice設(shè)備驅(qū)動(dòng)，當(dāng)有多個(gè)設(shè)備連接到通信平臺(tái)時(shí)，通信平臺(tái)會(huì)輪詢調(diào)度設(shè)備進(jìn)行通信任務(wù)，保證每一時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求命令并等待接收返回?cái)?shù)據(jù)。應(yīng)用場(chǎng)景下，服務(wù)端與設(shè)備均遵循呼叫應(yīng)答的方式進(jìn)行通信，即在IO可用的情況下，服務(wù)端發(fā)出通信命令請(qǐng)求后，設(shè)備根據(jù)命令信息返回?cái)?shù)據(jù)給服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。智慧車間數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層用于對(duì)機(jī)床、工況等信息的實(shí)時(shí)掌握，從而實(shí)現(xiàn)從環(huán)境、資源到運(yùn)作的全部數(shù)字化。以車間工作人員為核心，在傳統(tǒng)工廠的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)數(shù)字空間，方便對(duì)資源利用的最大化和高效化，實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)互動(dòng)。數(shù)據(jù)處理層包括管理人員、機(jī)床、班級(jí)、學(xué)生和物料五個(gè)基本模塊。通過(guò)查詢管理人員資源和機(jī)床資源，提供數(shù)據(jù)依據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集分析，通過(guò)對(duì)工作過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而判斷不同時(shí)間段、不同人的工作情況。該數(shù)據(jù)管理層可以用于輔助車間管理，提高日常管理效率，進(jìn)行進(jìn)一步的人機(jī)智能化管理，是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的有效工具。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先要將這些通過(guò)采集層獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)教幚砥脚_(tái)，因車間內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)選用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸;將信息整合后需要進(jìn)行分析處理并過(guò)濾分類，進(jìn)而判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)并為接下來(lái)的運(yùn)作提供編排依據(jù)。為了記錄實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)部每個(gè)操作的真實(shí)情況，機(jī)臺(tái)一旦開(kāi)始實(shí)操，就要記錄之后的每個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)保存于獨(dú)立文件內(nèi)，用于后期的其他分析。同時(shí)，每次試驗(yàn)完成后，應(yīng)對(duì)導(dǎo)入獨(dú)立文件的數(shù)據(jù)以曲線或散點(diǎn)形式進(jìn)行分析。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)應(yīng)用層處于此系統(tǒng)頂端，其功能是對(duì)已取得的監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用。應(yīng)用層分為常規(guī)管理級(jí)和實(shí)時(shí)報(bào)警級(jí)：常規(guī)管理級(jí)用于日常教學(xué)班級(jí)和學(xué)生的管理和統(tǒng)計(jì)，讓車間管理人員對(duì)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)狀況進(jìn)行掌控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管的實(shí)時(shí)化、細(xì)節(jié)化;實(shí)時(shí)報(bào)警級(jí)用于加強(qiáng)教師與實(shí)習(xí)學(xué)生的實(shí)時(shí)聯(lián)系，方便教師和工作人員及時(shí)處理實(shí)習(xí)時(shí)發(fā)生的故障和困難。

基于以上對(duì)數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層的描述，可以得到圖4所示的基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間理論模型。

4 結(jié)論

本文基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種應(yīng)用于高職院校智慧車間的構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)了一種具有數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層的三層架構(gòu)系統(tǒng)，及基于此系統(tǒng)的理論模型框圖。該系統(tǒng)可在生產(chǎn)實(shí)習(xí)計(jì)劃的制訂、執(zhí)行和跟蹤等方面為車間管理和操作人員提供管理和分析服務(wù)，有效提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)的效率，提升車間管理的信息化程度，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值?！?/p>

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