基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型研究

第一作者 北京機械工業(yè)自動化研究所 孫嘉玉

第二作者 中國信息安全研究院有限公司 王嘯

Research & Discussion 研究與探討

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型研究

第一作者 北京機械工業(yè)自動化研究所 孫嘉玉

第二作者 中國信息安全研究院有限公司 王嘯

近幾年通訊與信息技術(shù)迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)聯(lián)系日趨緊密，信息物理系統(tǒng)也融入制造業(yè)中來，隨著《中國制造2025》重大發(fā)展戰(zhàn)略的提出，企業(yè)逐步向智能工廠模式轉(zhuǎn)變，由其對于移動終端制造而言，產(chǎn)品的個性化和市場快速變化的需求使移動終端智能工廠的建設成為內(nèi)外研究的前沿課題。本文構(gòu)建了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，為移動終端智能工廠的建設提供了依據(jù)。

1引言

在過去幾十年里，信息技術(shù)革命帶給制造業(yè)巨大變革，工業(yè)制造過程逐漸依托于信息通信技術(shù)，從而帶來一系列產(chǎn)業(yè)變革，為了應對新一輪產(chǎn)業(yè)變革，我國出臺了《中國制造2025》，引領(lǐng)制造業(yè)要走向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、綠色化，企業(yè)也向智能工廠方向邁進。隨著不可阻擋的互聯(lián)網(wǎng)潮流，移動終端作為應用和信息的載體，需求快速增長，功能不斷完善，融合了手機、掌上電腦、相機、電子書等諸多功能，具有廣闊的前景和告訴增長的出貨量，因此移動終端智能工廠的研究成為國內(nèi)外研究熱點。

信息技術(shù)基礎(chǔ)設施建設和服務不斷完善，嵌入式系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡與其他計算機連接并接入英特網(wǎng)，物理世界和網(wǎng)絡空間通過信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡物理系統(tǒng)的形式融合在一起，形成信息物理系統(tǒng)。

智能工廠利用信息物理系統(tǒng)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務，提高生產(chǎn)過程可控性、集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，在智能工廠中，人類、機器和物料互相交流，就如同在一個社會網(wǎng)絡，移動終端智能工廠的框架模型構(gòu)建對移動終端智能工廠的建設具有指導性作用，本文基于信息物理系統(tǒng)，構(gòu)建移動終端智能工廠模型，使移動終端智能工廠有能力管理移動終端復雜的生產(chǎn)經(jīng)營過程，使其不受干擾和破壞并能更加有效地生產(chǎn)產(chǎn)品，完善經(jīng)營。

2移動終端智能工廠模型結(jié)構(gòu)

移動終端具有體積小、耗能少、功能多的特性，向著個性化和定制化方向發(fā)展，多品種小批量成為主要的生產(chǎn)模式，工廠往往有上百種零件需要加工和組裝，在配置、規(guī)劃、制造和運作階段需要滿足個別客戶的特殊需求，甚至為了適應市場變化，需要在最后一分鐘完成改變，這樣零件品種多、批量變化快并且涉及范圍廣的生產(chǎn)模式對生產(chǎn)的柔性要求較高，而基于信息物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡可以動態(tài)配置業(yè)務流程，包涵成本、時間、質(zhì)量、風險等諸多因素，協(xié)助生產(chǎn)過程以及供應鏈微調(diào)，即在較短的時間內(nèi)可以變更計劃、工藝，使得由于供應問題造成的物料暫時短缺問題得以彌補，并使生產(chǎn)過程更為敏捷。

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)有生命周期、系統(tǒng)層級、智能功能三個維度，生命周期維度包括設計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務，系統(tǒng)層級包括設備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層，智能功能維度包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合、新興業(yè)態(tài)。根據(jù)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)、移動終端智能工廠業(yè)務和行業(yè)特點，以打通企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全部流程，提供智能工廠終端到終端的解決方案為著眼點，構(gòu)建了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，借助信息物理系統(tǒng)緊密銜接企業(yè)各個業(yè)務環(huán)節(jié)信息，包括一個公司內(nèi)的采購、產(chǎn)品設計、制造、銷售等業(yè)務以及公司間材料、能源和信息的交換。實現(xiàn)信息綜合集成和數(shù)據(jù)實時共享，選擇功能耦合度高的層級按照業(yè)務規(guī)劃劃分為智能設計、智能經(jīng)營、智能生產(chǎn)、智能服務四個部分。

圖2 CPS的層次演進

3移動終端智能工廠模型功能

3.1 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間的人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。

信息物理系統(tǒng)CPS支撐移動終端企業(yè)縱向集成、橫向集成與端到端集成，實現(xiàn)工業(yè)體系與信息體系的深度融合以及全面智能化。通過物聯(lián)網(wǎng)、服務網(wǎng)將企業(yè)設施、設備、組織、人互通互聯(lián)，集計算機、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)對物理世界安全、可靠、實時、協(xié)同感知和控制，對物理世界實現(xiàn)“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”。信息物理系統(tǒng)從技術(shù)維度可分為五層：

1）感知執(zhí)行層: 包括以感知裝置和智能設備為代表的生產(chǎn)物理實體、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與命令執(zhí)行以及現(xiàn)場設備安全防護等。

2）適配控制層：解決不同系統(tǒng)及設備間的兼容通訊問題，并對生產(chǎn)裝備與系統(tǒng)的健康、工況等狀態(tài)進行綜合評估；接受下發(fā)的本地控制執(zhí)行模型，進行自組織、自適應的控制適配調(diào)整。

3) 網(wǎng)絡傳輸層：承擔數(shù)據(jù)、信息與指令的傳輸與通訊，包括ICT物理實體與系統(tǒng)軟件部分、網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)安全部分、基礎(chǔ)網(wǎng)絡與設備集群間通訊部分等。

4）認識決策層：認知決策層是CPS信息物理系統(tǒng)中的管理決策中樞，包括信息認知與挖掘，計算與數(shù)據(jù)管理，根據(jù)決策的需求建立控制執(zhí)行模型庫，進行決策分析。

5）服務平臺層：服務平臺層提供安全環(huán)境下的工業(yè)協(xié)同價值網(wǎng)絡。包括管理安全，在工業(yè)協(xié)同環(huán)境下，協(xié)同過程中的可用性、可靠性、機密性、完整性、操作安全和身份確認是保障智能制造體系下協(xié)同安全的重要主題。

從應用維度來講，信息物理系統(tǒng)CPS具有層次性，CPS可劃分為單元級、系統(tǒng)級、SOS級三個層次。單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS總線）構(gòu)成更高層次的CPS，即系統(tǒng)級CPS，系統(tǒng)級CPS可以通過工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)等平臺構(gòu)成SOS級的CPS，實現(xiàn)企業(yè)級層面的數(shù)字化運營。CPS的層次演進如圖2所示。

3.2 智能設計

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠可以提供設備終端到終端的實時透明度，實現(xiàn)智能設計決策的早期驗證，移動終端智能工廠的設計包括工業(yè)設計、結(jié)構(gòu)設計、硬件設計、軟件設計四類內(nèi)容，產(chǎn)品及其設計制造的流程較為復雜，由于移動終端功能的增加,產(chǎn)品定制的增加, 移動終端往往具有越來越動態(tài)交付要求,面對這種日益增長的復雜性因素，模型化的方式是一個很好的解決辦法，設計人員在規(guī)劃模型中明確給出創(chuàng)意，這些創(chuàng)意組成復雜的設計樣例，解釋性模型描述現(xiàn)有系統(tǒng)并獲取系統(tǒng)知識，從而使用模擬仿真等分析手段，可以驗證設計人員的選擇，數(shù)字世界通過規(guī)劃模型對現(xiàn)實世界的設計產(chǎn)生重大影響,現(xiàn)實世界又通過解釋的模型來影響數(shù)字模型，因此智能設計包括基于模型的設計、基于模型的分析、模擬仿真、基于模型的工藝過程設計、作業(yè)指導書、質(zhì)量要求和基于模型的計算機輔助編程，基于模型的設計需要高效的軟件工具，如CAD、CAE、CAPP、CAM等，這些軟件能夠提供必要的功能,實現(xiàn)軟件工具和流程的結(jié)合，將設計信息和工藝信息共同定義到MBD三維數(shù)字化模型中，可以保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性，智能設計也包括設計知識庫和專家系統(tǒng)，涵蓋開發(fā)流程、設計、工藝的標準、規(guī)范等信息，用于提升設計的質(zhì)量和效率，工藝流程、工藝規(guī)則和工藝裝備等信息則集成在工藝知識庫和專家系統(tǒng)中，從整個生產(chǎn)流程視角來看，設計制造所使用的資源需要進行規(guī)劃和管理，包括技術(shù)文檔、產(chǎn)品BOM、零件信息和檔案等的產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM最后需要與制圖、分析和工藝過程設計系統(tǒng)集成，完成對移動終端產(chǎn)品從創(chuàng)建到報廢的全生命周期的產(chǎn)品數(shù)字信息管理。

3.3 智能經(jīng)營

移動終端智能工廠的智能經(jīng)營模塊在傳統(tǒng)的管理信息化基礎(chǔ)上，運用實時信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)整個供應鏈上的業(yè)務協(xié)同、計劃優(yōu)化和控制，支持智能工廠和智能產(chǎn)品生命周期的所有方面的協(xié)作、業(yè)務流程的整合和相關(guān)業(yè)務網(wǎng)絡的連通，將銷售管理、計劃管理、采購管理和質(zhì)量管理等協(xié)調(diào)組合，以供應商、客戶、企業(yè)設計、工藝、采購、物流、生產(chǎn)、交付、服務業(yè)務管理為核心，實現(xiàn)企業(yè)資源計劃ERP、供應鏈管理SCM、客戶關(guān)系管理CRM、全面質(zhì)量管理QMS等信息系統(tǒng)的集成應用，完成對工廠物流、信息流、資金流的優(yōu)化與管控，及時響應需求變動，縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，全面、安全、可靠的管理全價值鏈，為生產(chǎn)網(wǎng)絡信息集成和優(yōu)化調(diào)度提供支持。具體而言，企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)涵蓋銷售、采購、生產(chǎn)、財務、人力、倉庫、設備、項目管理等模塊的業(yè)務應用及集成，實現(xiàn)公司內(nèi)部資源的統(tǒng)一管理，供應鏈管理SCM具有供應鏈計劃、供應商關(guān)系、電子采購、招投標管理等功能，對生產(chǎn)資源以及訂單狀態(tài)進行實時跟蹤，客戶關(guān)系管理CRM包含客戶關(guān)懷管理、市場信息管理、合同管理、售后服務管理等部分，實現(xiàn)對客戶、市場、資金資源的綜合管理和實時控制。全面質(zhì)量管理QMS覆蓋研發(fā)、采購、制造及售后全過程質(zhì)量信息體系，涵蓋質(zhì)量標準體系、到貨檢驗、生產(chǎn)過程檢驗、成品檢驗以及質(zhì)量信息的統(tǒng)計分析等過程。

3.4 智能生產(chǎn)

信息物理系統(tǒng)通過整個價值網(wǎng)絡對制造過程進行動態(tài)優(yōu)化，提高資源利用效率，提升產(chǎn)品產(chǎn)量。在生產(chǎn)柔性高的移動終端智能工廠中，生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)無法被固定和預定義，而需要定義一組的配置規(guī)則，用于在不同種類訂單基礎(chǔ)上為每一種情況自動生成一個特定的生產(chǎn)拓撲結(jié)構(gòu)包括所有相關(guān)的模型、數(shù)據(jù)、制造資源、通信和算法方面的需求。

基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠中智能生產(chǎn)系統(tǒng)由智能裝備、智能控制、智能物流、制造執(zhí)行四個分系統(tǒng)組成。智能裝備包括操作設備、服務器、工作站、網(wǎng)絡接入設備、智能自動化設備，例如自動組裝設備、自動檢測設備、自動貼片設備、總裝自動線等，建立基于信息物理系統(tǒng)的可配置的動態(tài)生產(chǎn)線，可以使產(chǎn)品在裝配車間里由一個裝配模塊自動的移動到下一個裝配模塊，完成智能終端在各個相關(guān)的工作中心間的自動轉(zhuǎn)移。制造執(zhí)行包括生產(chǎn)計劃調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、物料跟蹤、生產(chǎn)能力分析、過程監(jiān)視、目視化管理、設備監(jiān)控及維護等功能，用于支持高效的生產(chǎn)執(zhí)行過程。智能控制包括現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工業(yè)無線控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)等，運用傳感器采集數(shù)據(jù)，進行順序控制，連續(xù)控制，循環(huán)控制，處理操作數(shù)據(jù)、機器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，進行歸檔、趨勢分析、規(guī)劃與優(yōu)化功能等，采用遞階控制的形式，由企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)ERP管控多個制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，再由MES管控多個柔性制造系統(tǒng)。智能物流主要由智能立體倉儲系統(tǒng)、智能物流配送系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和庫存效能分析系統(tǒng)等部分組成，用于全面采集物流過程數(shù)據(jù)，監(jiān)控物流資源實時狀態(tài)，管控物流過程，輔助物流計劃決策的制定，使生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定高效。

智能生產(chǎn)系統(tǒng)互聯(lián)互通的運行，需要確保不同層次的驅(qū)動器和傳感器中終端到終端的數(shù)字集成到ERP層，這也需要開發(fā)模塊化和重用策略，來實現(xiàn)終端特設網(wǎng)絡和可重構(gòu)的生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)正向可控的、可管理的、靈敏的、自適應的系統(tǒng)集成和發(fā)展，在這個過程中功能性信息物理系統(tǒng)組件可以通過自我協(xié)同組合配置到現(xiàn)有基礎(chǔ)設施中，長遠來看，模塊化信息物理系統(tǒng)和相應的組件將成為模型化智能工廠的關(guān)鍵部分。

3.5 智能服務

在信息物理系統(tǒng)CPS的支持下，移動終端智能工廠的智能服務包括售后服務與增值服務兩項，售后服務著眼于產(chǎn)品全生命周期，記錄發(fā)生的設計、工藝、生產(chǎn)、維修等各種業(yè)務處理過程信息，進行全過程的服務管理，通過售后服務、進行產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、追溯、分析以及維修服務。增值服務包括產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品效能、產(chǎn)品交易便捷化和產(chǎn)品集成的增值服務。

網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展進一步激發(fā)了機械制造系統(tǒng)的潛能從而也進一步提高了生產(chǎn)力，遠程服務利用遠程技術(shù)以及控制硬件去為人類提供更高效、更快捷的服務，建立在智能工廠和客戶、供應商之間，支持以消費者為中心的個性化定制設計服務，智能工廠服務系統(tǒng)可以通過私人網(wǎng)絡安全地訪問客戶的網(wǎng)絡系統(tǒng)，這種方法能夠讓生產(chǎn)商遠程的對客戶的制造系統(tǒng)進行控制以及診斷修理，從而減少了維修的時間，提高了生產(chǎn)效率，隨著移動終端智能化工廠進一步的發(fā)展，技術(shù)人員在維修機器時將不再手動連接到機器，制造系統(tǒng)會自動連接到基于云的遠程平臺，以尋找合適的專家來處理有關(guān)情況。然后，專家們能夠使用集成知識平臺，視頻會議工具和工程方法，通過移動設備更有效地執(zhí)行傳統(tǒng)的遠程維護服務，記錄歷史數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析，從而提高產(chǎn)品效能、降低維修成本。在移動終端市場，客戶往往需要打包的產(chǎn)品和服務，移動終端智能工廠則需按照客戶需求整體規(guī)劃，提供集成的服務和解決方案。

4結(jié)語

本文從智能設計、智能經(jīng)營、智能生產(chǎn)、智能服務四個功能模塊闡述了基于信息物理系統(tǒng)的移動終端智能工廠模型，智能工廠的資源、過程和產(chǎn)品都由信息物理系統(tǒng)進行特征定義，形成協(xié)同工作模式，使智能工廠在質(zhì)量、時間、成本上比傳統(tǒng)制造更有優(yōu)勢，具有更高的生產(chǎn)效率，移動終端智能工廠模型對制造業(yè)其他智能工廠的規(guī)劃建設也有一定的參考意義，智能工廠的建設有利于提高我國制造業(yè)水平，從而在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中更好發(fā)展。