基于云制造的智能總裝融合集成架構(gòu)與應(yīng)用研究

周煒 谷牧 楊靈運 王梓淼

摘要：基于云制造技術(shù)，面向航天產(chǎn)品智能總裝生產(chǎn)的計劃、生產(chǎn)、測試、外協(xié)管理等生產(chǎn)運營過程，解決跨系統(tǒng)及應(yīng)用、跨企業(yè)、跨云域、IT與OT的數(shù)據(jù)集成及融合問題。研究新一代信息技術(shù)與專業(yè)技術(shù)深度融合下的企業(yè)數(shù)字化融合集成架構(gòu)。研究多云協(xié)同技術(shù)，解決航天產(chǎn)品裝配過程跨企業(yè)、跨業(yè)務(wù)域生態(tài)協(xié)同場景下統(tǒng)一數(shù)字模型的跨階段傳遞及融合。提高航天器產(chǎn)品裝配效率、質(zhì)量一致性，及運維服務(wù)保障效率。

Abstract： This research is oriented to intelligent assembly process for aerospace products based on cloud manufacturing theory. For sake of solving the syncretic integration across multiple applications， enterprises， cloud service and IT/OT field. Considering syncretic integration structure based on new generation of information technology and subject technology. Based on multi-cloud collaboration technology， this report supporting transmit the unified digital model cross lifecycle. Improve the efficiency of assembly， quality and smart maintenance of aerospace products.

關(guān)鍵詞：融合集成;云制造;多云協(xié)同

Key words： syncretic integration;cloud manufacturing;multi-cloud collaboration

中圖分類號：F407.67 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0181-03

0 ?引言

工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)前正在發(fā)生一場重大變革，如美國等國家相繼出臺了“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，我國提出的新基建戰(zhàn)略，支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新舊動能轉(zhuǎn)換。技術(shù)創(chuàng)新需要結(jié)合圍繞數(shù)據(jù)資源開發(fā)、感知、收集、傳輸、計算、調(diào)用、存儲、分發(fā)、處理和分析，構(gòu)建“萬物智聯(lián)”的信息網(wǎng)絡(luò)體系、戰(zhàn)略計算平臺、開源社區(qū)和數(shù)字孿生體，塑造數(shù)字產(chǎn)業(yè)化及產(chǎn)業(yè)數(shù)字化生態(tài)。在這一過程中，需要通過新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用，引領(lǐng)信息技術(shù)和數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)在智能制造模式中不斷創(chuàng)新，解決航天產(chǎn)品生產(chǎn)模式與數(shù)字化集成平臺的融合升級。

航天產(chǎn)品的集成化、智能化要求以及復(fù)雜度越來越高，其定制化、小批量、高可靠性等特性，對于裝配過程的拉動性及柔性智能要求逐步提高。為此，建立適應(yīng)柔性智能總裝及IT/OT集成的融合集成架構(gòu)，以及基于數(shù)據(jù)與模型融合的多云協(xié)同技術(shù)應(yīng)用，支撐建立高效的全生命周期產(chǎn)品線到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路，促進構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動、自主創(chuàng)新、跨界融合為導(dǎo)向的云制造生態(tài)體系，以及融合集成的社會化協(xié)作云制造模式。

1 ?研究目的

1.1 研究背景

總裝/測試過程涉及的產(chǎn)品品種多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外協(xié)配套生產(chǎn)多，針對系統(tǒng)生產(chǎn)過程中存在的總裝/測試過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集不全、利用率低，數(shù)據(jù)服務(wù)支撐能力弱等問題，通過創(chuàng)新的融合集成架構(gòu)，基于云制造技術(shù)、基于數(shù)據(jù)與模型融合的多云協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)總裝智能生產(chǎn)線系統(tǒng)橫向和縱向的一體化。融合集成平臺提供應(yīng)用系統(tǒng)的集成接口、數(shù)據(jù)接口、流程引擎、模型管理工具等，滿足面向不同應(yīng)用系統(tǒng)（跨階段多類業(yè)務(wù)）間、IT與OT間、企業(yè)間的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、交互，實現(xiàn)總裝生產(chǎn)過程的監(jiān)督管理和核心業(yè)務(wù)的緊密耦合，增強總裝生產(chǎn)核心業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性，提升總裝智能生產(chǎn)線的信息化整合能力。

通過各個系統(tǒng)集成建設(shè)，快速實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同應(yīng)用，實現(xiàn)面向云制造融合集成架構(gòu)的應(yīng)用，實現(xiàn)橫向和縱向的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)交換需求。

1.2 現(xiàn)狀與問題

總裝產(chǎn)品品種多且結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，外協(xié)配套生產(chǎn)單位多，跨企業(yè)間、跨云域協(xié)同管理應(yīng)用場景多、提升數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用的需求強。同時，產(chǎn)品總裝/測試過程涉及各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)集成及數(shù)據(jù)集成，產(chǎn)生海量多元異構(gòu)的數(shù)據(jù)，包含成本、計劃、工藝、質(zhì)量等，目前大多各自存儲、應(yīng)用、各業(yè)務(wù)之間、應(yīng)用系統(tǒng)之間具有孤島效應(yīng)，未形成基于統(tǒng)一集成平臺的數(shù)據(jù)清洗、處理及分析應(yīng)用，缺乏模型跨階段連續(xù)傳遞、數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動的虛實融合的能力。研究面向智能總裝生產(chǎn)線的融合集成架構(gòu)研究及應(yīng)用，以支撐跨域協(xié)同研發(fā)管理體系，實現(xiàn)跨企業(yè)、跨地域的全面研發(fā)協(xié)同，提升總裝過程生產(chǎn)效率、提升質(zhì)量管控能力。

1.3 研究目標

研究設(shè)計融合集成架構(gòu)及其應(yīng)用驗證，解決數(shù)據(jù)、服務(wù)、消息、設(shè)備等多種集成方式配合使用，研究跨云域的數(shù)據(jù)與模型融合協(xié)同，打通云上云下企業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、設(shè)備及合作伙伴之間的信息孤島。提供集成、共享、協(xié)同的工作環(huán)境，最大限度地實現(xiàn)信息化與業(yè)務(wù)工作的融合，使信息系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。同時將各部門之間的試驗業(yè)務(wù)流進行整合，使各個部門能夠基于統(tǒng)一的平臺在試驗各階段進行協(xié)同配合，并將各單位的試驗方法、項目管理、流程管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘等諸多方面提升到一個全新的管理水平;實現(xiàn)模型跨階段連續(xù)傳遞、數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動的虛實融合的能力，跨域協(xié)同研發(fā)管理體系，實現(xiàn)跨企業(yè)、跨地域的全面研發(fā)協(xié)同。推動航天產(chǎn)品裝配作業(yè)的生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、加快產(chǎn)品創(chuàng)新速度。

2 ?研究內(nèi)容

2.1 基于云制造的智能總裝集成應(yīng)用

通過對總裝、測試過程多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時動態(tài)感知及接入云平臺，應(yīng)用融合集成架構(gòu)進行數(shù)據(jù)分類、清洗等數(shù)據(jù)處理，建立數(shù)據(jù)與工藝指標的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，提高優(yōu)化決策依據(jù)。

通過總裝全生產(chǎn)流程中所有供應(yīng)商-企業(yè)的集成，實現(xiàn)物流信息與資源共享、物流過程跟蹤與監(jiān)控、物流服務(wù)能力評價、物流信息安全傳輸?shù)?，減少物流活動中的錯誤發(fā)生率，提升物流效率，推動精益智能物流管理水平提升。

產(chǎn)品交付后的遠程運維及智能服務(wù)系統(tǒng)，通過分析產(chǎn)品交付后的檢驗、維護、測試數(shù)據(jù)等，為客戶提供產(chǎn)品維護預(yù)警及遠程運維指導(dǎo)，實現(xiàn)廠內(nèi)航天產(chǎn)品智能總裝生產(chǎn)線的價值提升。

2.2 面向智能總裝生產(chǎn)線的融合集成架構(gòu)設(shè)計

面向智能總裝生產(chǎn)線的的融合集成架構(gòu)，解決數(shù)據(jù)、服務(wù)、消息、設(shè)備等多種集成方式配合使用，研究跨云域的數(shù)據(jù)與模型融合協(xié)同，打通云上云下企業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、設(shè)備及合作伙伴之間的信息孤島。提供集成、共享、協(xié)同的工作環(huán)境。通過基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層的融合集成設(shè)計。聯(lián)接企業(yè)內(nèi)所有分布在不同云域的內(nèi)部IT、OT數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)一的標準化規(guī)范開放至其他應(yīng)用系統(tǒng)。建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的核心數(shù)據(jù)鏈融通，反哺業(yè)務(wù)的閉環(huán)。解決多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)（ERP、物聯(lián)網(wǎng)平臺、互聯(lián)網(wǎng)高清地圖），多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源（MySQL、MongoDB、Restful API等）采集數(shù)據(jù)，為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)層匯聚數(shù)據(jù)。

2.3 基于數(shù)據(jù)及模型融合的多云協(xié)同研究

基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)及模型融合，研究跨云域的多云協(xié)同。解決不同云域間數(shù)據(jù)集成、互聯(lián)與協(xié)同。面向航天器總裝跨企業(yè)（云域）、跨地域、跨業(yè)務(wù)階段的協(xié)同場景，基于消息分布式集成，打通地域限制實現(xiàn)，實現(xiàn)區(qū)域業(yè)務(wù)集成自治。基于融合集成平臺及融合節(jié)點，實現(xiàn)與下游配套企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)跨網(wǎng)絡(luò)對接，打通上下游銷售、供應(yīng)用鏈、服務(wù)等業(yè)務(wù)集成，解決數(shù)據(jù)孤島。

3 ?基于云制造總裝拉動協(xié)同應(yīng)用

基于云制造的總裝拉動協(xié)同場景（圖1），實現(xiàn)面向融合集成架構(gòu)的集成應(yīng)用。

建立外協(xié)配套廠商與廠級數(shù)據(jù)中心的集成，對生產(chǎn)計劃訂單以及訂單計劃完成情況進行監(jiān)控和管理，對外協(xié)配套廠商的質(zhì)量數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，實現(xiàn)對測試、總裝過程的產(chǎn)品一致性等分析，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

建立產(chǎn)品總裝智能生產(chǎn)線的設(shè)備信息、質(zhì)量信息、計劃信息等與融合集成平臺的對接，對融合集成平臺設(shè)備信息、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品測試等信息進行分析，實現(xiàn)對產(chǎn)品系統(tǒng)總裝、測試等環(huán)節(jié)的在關(guān)鍵指標采集分析，實現(xiàn)總裝/測試過程可視化分析和輔助決策管理。

建立產(chǎn)品客戶與云制造服務(wù)平臺的產(chǎn)品維護服務(wù)信息集成，生成售后維護計劃，縮短產(chǎn)品維護服務(wù)響應(yīng)周期，提高產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量;完成產(chǎn)品維護數(shù)據(jù)與融合集成平臺對接，對產(chǎn)品維護質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息進行統(tǒng)計、分析。

4 ?基于統(tǒng)一數(shù)字模型的融合集成架構(gòu)

面向智能總裝生產(chǎn)線的的融合集成架構(gòu)（圖2），解決數(shù)據(jù)、服務(wù)、消息、設(shè)備等多種集成方式配合使用，研究跨云域的數(shù)據(jù)與模型融合協(xié)同，打通云上云下企業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、設(shè)備及合作伙伴之間的信息孤島。提供集成、共享、協(xié)同的工作環(huán)境。通過基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層的融合集成設(shè)計。通過應(yīng)用與數(shù)據(jù)鏈接、業(yè)務(wù)關(guān)系鏈接，實現(xiàn)面向不同業(yè)務(wù)場景和業(yè)務(wù)應(yīng)用的資產(chǎn)匯聚、沉淀，支持基于數(shù)據(jù)和模型的統(tǒng)一業(yè)務(wù)流、資金流一體化管理。

一是聯(lián)接企業(yè)內(nèi)所有分布在不同云域的內(nèi)部IT、OT數(shù)據(jù)，實現(xiàn)IT、OT集成，不同應(yīng)用之間集成，設(shè)備數(shù)據(jù)、供產(chǎn)銷數(shù)據(jù)可通過融合集成平臺匯聚到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)層里，提高生產(chǎn)過程的安全性、可預(yù)測性及可持續(xù)性。

二是支持通過統(tǒng)一的標準化規(guī)范開放至其他應(yīng)用系統(tǒng)。建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的核心數(shù)據(jù)鏈融通，反哺業(yè)務(wù)的閉環(huán)。解決多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)（ERP、MES、物聯(lián)網(wǎng)平臺等），多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源（MySQL、MongoDB、Restful API等）采集數(shù)據(jù)，為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)層匯聚數(shù)據(jù)。

5 ?基于數(shù)據(jù)及模型融合的多云協(xié)同技術(shù)

基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)及模型融合，探索跨云域的多云協(xié)同（圖3）。解決不同云域間數(shù)據(jù)集成、互聯(lián)與協(xié)同。面向航天器總裝跨企業(yè)（云域）、跨地域、跨業(yè)務(wù)階段的協(xié)同場景，一是探索跨域集成，基于消息分布式集成，打通地域限制實現(xiàn)，實現(xiàn)區(qū)域業(yè)務(wù)集成自治。二是基于融合集成平臺及融合節(jié)點，實現(xiàn)跨云集成，打通與下游配套企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、云間核心業(yè)務(wù)、SaaS、等業(yè)務(wù)間無縫對接。

基于總體思路，多云架構(gòu)融合集成平臺上使用時，采用RPC 框架，以及基于 RPC 框架做的服務(wù)治理能力，包括服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn)、熔斷容錯、限流等機制。技術(shù)選型上使用微服務(wù)框架的技術(shù)底座，都可以基于 Spring、 Spring Boot技術(shù)棧來構(gòu)建。

多云協(xié)同平臺的構(gòu)建方法及系統(tǒng)，可將系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能提煉封裝成固件以作為構(gòu)建平臺的基礎(chǔ)設(shè)施，部署方式、集群、性能、用戶、權(quán)限、協(xié)作授權(quán)等基礎(chǔ)功能的開發(fā)，簡化了開發(fā)難度、工作量又能實現(xiàn)平臺式統(tǒng)一管理，實現(xiàn)多云協(xié)同管理和場景應(yīng)用。

6 ?應(yīng)用構(gòu)想與結(jié)語

在融合集成平臺上，面向航天產(chǎn)品裝配過程的計劃、排程、庫存、測試、外協(xié)過程管控、質(zhì)量管理等跨階段業(yè)務(wù)，基于開放接口向下接入制造資源、服務(wù)，全面感知制造過程狀態(tài)，向上承載各類應(yīng)用，打通全鏈條數(shù)據(jù)通路，復(fù)用工具組件靈活構(gòu)建APP，基于人工智能模型和算法，進行異地協(xié)同設(shè)計仿真、動態(tài)調(diào)度生產(chǎn)、智能服務(wù)管理等關(guān)鍵過程，提升產(chǎn)品設(shè)計效率、縮短研制周期、降低運營成本、降低產(chǎn)品不良率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化、智能化管理，助推企業(yè)構(gòu)建智慧云制造生產(chǎn)模式。

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