基于泛在網絡技術的智慧車間構建研究

柴俊 徐夏民

摘? 要 針對傳統車間生產管理作用日益突出的問題，為強化車間生產管理，提高車間生產管理水平，基于泛在網絡技術，對智慧車間構建進行研究。通過智能感知技術對車間的信息進行采集，并對采集的信息進行分析處理;構建出智慧車間，在生產計劃的制訂、執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。研究發現，該車間構建具有可行性、創新性和實用價值。

關鍵詞 泛在網絡;智慧車間;智能感知;車間構建

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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，我國大多中小型制造企業面臨品種多樣化、生產批量小、制造過程不集中等問題，而且我國大部分中小型制造企業依然采用需人工干預的被動信息交互的方法，難以滿足制造過程信息化的需求，制約了企業的穩定、快速發展。針對這些問題，基于網絡技術構建智慧車間成為必然的趨勢。

近年來，國內外對于智慧車間的研究逐漸增多，提出過若干解決方案。文獻[1]主要是介紹了工業4.0的概念，以及制藥工業在工業4.0智慧工廠中運用的相關技術的概要等，但沒有深入探討所需技術。文獻[2-3]分析了汽車制造行業與CNC規模化生產中目前使用的智能化制造方案，探討了其優劣，并提出一種基于CNC智慧工廠的“自動化+互聯網+精益生產=智慧工廠”的生產模式，但未考慮實際生產的復雜程度。文獻[4]提出一種基于工廠設計為主要環節的智慧工廠參考模型，定義了智慧工廠組成域及各個組成元素的內外聯系，并對該模型進行了驗證，但并未對具體的生產組織方式進行設計。文獻[5-6]基于物聯網技術，深入分析了物聯網、云計算及大數據技術在智慧工廠建設中的地位，提出基于大數據驅動的“關聯+預測+調控”的車間運行、分析和決策的生產新模式。文獻[7]針對國內目前未形成有效合理的智慧工廠模式這一問題，分析工廠建模重難點，運用多種傳感器技術設計了一種應用于工業企業的智慧工廠綜合管理信息系統。

本文針對傳統型車間加工制造管理中存在的困難，結合上述論文的方法，以高職院校實習車間為藍本，提出一種基于泛在網絡技術的智慧車間構建研究。研究發現，基于泛在網絡技術的智慧車間構建可呈現出生產的可視化，為管理和操作人員提供各種分析服務，對于降低生產成本，提高實習效率，改善車間管理，具有顯著效果，具有較高的實用價值。

2 智慧車間

智慧車間的概念? 隨著物聯網、云計算、大數據等新技術的興起，智慧概念逐漸滲透到生產生活的方方面面。IBM最早提出“智慧城市”的概念，已逐漸被國內外廣泛接受，而后德國主導的“工業4.0”概念進一步將“智慧制造”這一概念帶入生產制造領域。目前，我國工業企業都在逐步進行智慧化升級改造，多種多樣的智慧工廠概念、方法、模式在不斷涌現，進一步促進了國內企業向智慧化方面的轉型。

智慧車間是在數字化、信息化的基礎之上增加了智能感知和智能分析的車間，運用智能感知技術對車間的信息進行采集，并對采集的信息進行分析處理，為管理和操作人員進行生產計劃制訂、執行和跟蹤提供分析服務，并可呈現生產的可視化信息。

智慧車間可行性分析? 工業自動化的發展經歷了兩個主要階段：第一個階段是單一化階段，解決了直接與人力接觸的、生產單一的問題，針對工人勞動強度大、成本高的環節，開發出功能較為單一的、離散的自動化生產設備;第二階段是將現場實體設備進行連接，將工廠內生產過程進行整體設計規劃，降低了車間內的人力物流成本，開發出自動化流水線等技術，將工廠內原本離散的生產設備、工位等有效地連接，減少了中間環節，提高了生產效率，進一步降低了成本及中間損耗。經過這兩個階段的發展，工廠自動化的發展日趨成熟，全面加強了規模工業化生產的實力。流水線自動化設備的大量使用以及工業機器人的逐漸投入，大大降低了工業生產中的人力需求，為解決企業“用工難”等問題發揮了重大作用。

建立智慧車間，是為了提升企業生產效率以及資源的利用率，創造出不斷發掘企業工業化潛力的生產環境，以原先的自動化技術作為基礎，將車間設備及管理系統通過網絡連接，建立“自動化+互聯網+精益生產”的智慧循環系統（圖1），將原有的生產要素一并融入網絡中，進行實時的數據采集，并通過有線或無線網絡，交換信息，對生產進行集中分析管理，保持生產的持續高效穩定。

3 基于泛在網絡技術的智慧車間構建

泛在網絡技術概述? 以感知技術和智能技術為特點的泛在技術的提出，成為推動制造業技術發展的一個新的動力，制造技術也將由傳統的信息有限時代進入信息豐富的新階段。泛在（Ubiquitous）一詞源自拉丁語，其意思是存在于任意地方。泛在網絡是指把先進的計算技術及數字處理技術和智能網絡等其他先進技術結合而成的技術社會形態。泛在網絡以“無所不包”“無所不在”“無所不能”為主要特點，使人們達到任何地點（anywhere）、任何時間（anytime）、任何物（anything）、任何人（anyone）都可以順暢通信的4A化通信。

泛在計算是由美國Xerox PAPC實驗室的Mark Weiser于1991年提出的一種超越傳統桌面計算而存在的全新的計算模式。泛在計算有兩個關鍵特點：一是不可見性;二是具有能隨時隨地訪問到信息的能力。通過在環境中安插大量傳感器、處理器、通信設備和其他信息處理設備，在用戶無須察覺的情況下進行各種計算、通信、信息處理服務，最大限度減少用戶對系統的介入。

在泛在計算發展的基礎上進一步衍生出泛在網絡。泛在網絡是一種無所不在的網絡，建立泛在網絡是要在建立人與人、物與物、人與計算機、物與計算機廣泛連接的網絡架構基礎上，加載各類應用以提高人們生活的效率和便利性。泛在網絡的體系標準研究內容主要包括泛在網絡的系統架構、泛在網絡技術特點、泛在網絡體系中各個組件和功能模塊及各個模塊間的接口、應用服務標準等。

泛在網絡與智慧車間的聯系? 對于將制造作為首要功能的智慧車間，其泛在網絡是將工業級傳感器及其網絡、工廠控制網絡、面向管理的RFID網絡和企業信息互聯網的融合和集成，是未來制造之中將人和人、機器和機器以及人和機器有機關聯、交互信息的有效手段。

對于智慧車間的生產設計，要求通過傳感器收集現場信息，并實時通過網絡傳輸到監控終端，遠程了解現場生產狀況;對于設備方面，要求持續監控現場設備的磨損老化狀況，預計設備可能出現的故障，及時控制風險，合理安排維護，減少維修成本;對于控制方面，全面詳盡地獲取數據和產品信息，以便為控制提供最優策略;對于管理，要求持續不斷地取得現場各個設備的運行狀況，監控跟蹤資產信息，收集車間作業人員各項相關信息，以提高智慧車間的自動化水準。

基于泛在網絡的智慧車間的實現? 傳統加工制造車間制造環境復雜，底層加工設備的差異性過大，在車間中無法將設備聯動，生產加工狀態成為企業管理的信息盲點。泛在網絡的出現，提供了一種車間信息傳遞的新方法，使得智慧車間的實現成為可能。

本文根據智慧車間的要求標準以及泛在網絡的特點，設計了一種具有三層構架的設備監控及信息交換系統。

1）數據采集層。數據采集層是設備監控及信息交換系統的最底層，其功能是采集設備當前的工序和狀態信息。對于開放系統的設備，可以直接通過開放的接口獲得設備數據，其余的可以通過在設備上大量安置傳感器的方式獲取。

C/S架構是一個車間聯網框架，是以設備（傳感器）為核心構建的框架，設備（傳感器）的協議無關性，可以隨意掛載設備驅動在框架下運行。所以其本質上可以協調設備驅動（協議）、IO通道（COM和NET）、運行機制（模式）之間的關系，使之無縫結合、運行。同時，C/S架構具有實時通信速率高、信息處理能力強及操作頁面形式多樣等特點，故采用其實現對現場級別采集軟件的設計與程序編寫，從而有效協調設備驅動、IO通道、控制模式和實際硬件設備。

串口和網絡通信時，采集軟件架構通過輪詢模式對系統進行控制。將機床等設備都虛擬成IDevice設備驅動，當有多個設備連接到通信平臺時，通信平臺會輪詢調度設備進行通信任務，保證每一時刻只有一個設備發送請求命令并等待接收返回數據。應用場景下，服務端與設備均遵循呼叫應答的方式進行通信，即在IO可用的情況下，服務端發出通信命令請求后，設備根據命令信息返回數據給服務端，實現數據更新。智慧車間數據采集流程如圖2所示。

2）數據處理層。數據處理層用于對機床、工況等信息的實時掌握，從而實現從環境、資源到運作的全部數字化。以車間工作人員為核心，在傳統工廠的基礎上構建一個數字空間，方便對資源利用的最大化和高效化，實現有效的人機互動。數據處理層包括管理人員、機床、班級、學生和物料五個基本模塊。通過查詢管理人員資源和機床資源，提供數據依據，完成對數據的采集分析，通過對工作過程產生的數據進行統計分析，進而判斷不同時間段、不同人的工作情況。該數據管理層可以用于輔助車間管理，提高日常管理效率，進行進一步的人機智能化管理，是實現精細化管理的有效工具。

數據處理過程中，首先要將這些通過采集層獲得的數據統一傳輸到處理平臺，因車間內環境較為復雜，應選用無線通信方式進行數據的傳輸;將信息整合后需要進行分析處理并過濾分類，進而判斷當前設備狀態并為接下來的運作提供編排依據。為了記錄實際產品內部每個操作的真實情況，機臺一旦開始實操，就要記錄之后的每個過程的數據，并將所有數據保存于獨立文件內，用于后期的其他分析。同時，每次試驗完成后，應對導入獨立文件的數據以曲線或散點形式進行分析。具體數據處理流程如圖3所示。

3）數據應用層。數據應用層處于此系統頂端，其功能是對已取得的監控結果進行應用。應用層分為常規管理級和實時報警級：常規管理級用于日常教學班級和學生的管理和統計，讓車間管理人員對生產車間的生產狀況進行掌控，實現監管的實時化、細節化;實時報警級用于加強教師與實習學生的實時聯系，方便教師和工作人員及時處理實習時發生的故障和困難。

基于以上對數據采集層、數據處理層和數據應用層的描述，可以得到圖4所示的基于泛在網絡技術的智慧車間理論模型。

4 結論

本文基于泛在網絡技術，提出一種應用于高職院校智慧車間的構建方法，設計了一種具有數據采集層、數據處理層和數據應用層的三層架構系統，及基于此系統的理論模型框圖。該系統可在生產實習計劃的制訂、執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，有效提高生產實習的效率，提升車間管理的信息化程度，具有一定的實用和參考價值。■

參考文獻

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