基于信息流的智能裝配及監(jiān)控平臺(tái)

白子龍 胡曉睿 錢(qián)佳慧

（中國(guó)兵器第二一○研究所，北京，100089）

1 基于信息流的智能裝配監(jiān)控需求分析

智能制造是一種高度網(wǎng)絡(luò)連接、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的制造模式，它優(yōu)化了企業(yè)全部業(yè)務(wù)和作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力可持續(xù)增長(zhǎng)、能源可持續(xù)利用、高經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。智能制造結(jié)合信息技術(shù)、工程技術(shù)和人類(lèi)智慧，從根本上改變產(chǎn)品研發(fā)、制造、運(yùn)輸和銷(xiāo)售過(guò)程，通過(guò)零排放、零事故制造提高人身安全、保護(hù)環(huán)境。在工業(yè)3.0的數(shù)字化制造時(shí)期，人們已經(jīng)意識(shí)到數(shù)據(jù)信息是保障產(chǎn)品制造高效率、高質(zhì)量、低成本而不可或缺的因素。工業(yè)4.0時(shí)代是在工業(yè)3.0充分解決了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，將人類(lèi)長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)和信息，使得裝備能夠動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行。工業(yè)4.0的主要任務(wù)是在解決質(zhì)量問(wèn)題的前提下充分解放人力、使得機(jī)器具有“思考”的能力，最終達(dá)到全面解放人類(lèi)腦力的目標(biāo)。未來(lái)的制造系統(tǒng)需要靈活的生產(chǎn)力，可持續(xù)和安全的競(jìng)爭(zhēng)力，并能將數(shù)據(jù)充分利用起來(lái)。在一定程度上，幾乎所有的數(shù)據(jù)都是有用的，將低層次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的高層次信息來(lái)提供智能服務(wù)、智能決策是制造業(yè)從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

在智能裝配過(guò)程中，由于零部件的多樣性、裝配工藝過(guò)程繁瑣，其裝配過(guò)程的監(jiān)測(cè)就顯得特別重要。建立可覆蓋裝配全過(guò)程的數(shù)字化測(cè)量與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器、RFID、工業(yè)云網(wǎng)絡(luò)等實(shí)時(shí)感知、監(jiān)控、分析裝配狀態(tài)，并利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)收集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，做出判斷并下達(dá)相應(yīng)指令，可以實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的描述、監(jiān)控、跟蹤和反饋，提高裝配精度、效率、靈活性和質(zhì)量。

2 基于信息流的智能裝配監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)

信息采集是信息流運(yùn)行的起點(diǎn)，信息感知是信息的基礎(chǔ)屬性，也是采集信息的基本方法。采集到的可感知信息的質(zhì)量，即信息的可靠性、及時(shí)性，決定著信息是否達(dá)到預(yù)定的目的和滿足需要。在生產(chǎn)線裝配監(jiān)控中，信息流是監(jiān)控策略的核心與紐帶，只有對(duì)信息流進(jìn)行理性的組織和分析，物流、資金流等才能有序運(yùn)行。因此，如何采集、傳遞和共享信息，建立合理的信息流驅(qū)動(dòng)裝配模式，將企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程和各部門(mén)的職能合理調(diào)配，是裝配監(jiān)控策略所要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

2.1 信息流融合框架（information flow framework）

信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展是智能制造時(shí)代產(chǎn)品全生命周期信息全過(guò)程記錄的血液。目前，企業(yè)將制造過(guò)程信息化、數(shù)字化的意識(shí)已經(jīng)越來(lái)越強(qiáng)，然而如何從海量的數(shù)據(jù)中提取對(duì)產(chǎn)品制造真正有用的信息仍然是一大難點(diǎn)，也是未來(lái)智能制造急需解決的問(wèn)題。

本文提出的信息流融合框架涉及到五個(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)來(lái)源、信息交互平臺(tái)、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息應(yīng)用。該信息流融合框架（如圖1所示）認(rèn)為所有的數(shù)據(jù)在某種特定環(huán)境下都有可能是有用的，因此盡可能的將信息存儲(chǔ)在工業(yè)云中，并在某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)根據(jù)工藝需求提取其中有幫助的部分。該信息流融合框架的數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專(zhuān)家積累經(jīng)驗(yàn)等人工知識(shí)，還包括例如PLM、ERP、MES等企業(yè)現(xiàn)有的信息系統(tǒng)。通過(guò)信息交互平臺(tái)（例如mySQL數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建平臺(tái)、protégé本體管理工具等）對(duì)冗雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘管理，生成數(shù)據(jù)文件（例如SQL、XML等）存儲(chǔ)在智能裝配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，最后運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備中，對(duì)裝配工作臺(tái)進(jìn)行工藝、故障檢測(cè)等指導(dǎo)。

2.2 基于信息流的智能裝配系統(tǒng)

圖1 信息流融合框架

圖2 基于信息流的智能裝配系統(tǒng)工作流程

基于信息流的智能裝配系統(tǒng)工作流程如圖2所示，客戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行個(gè)性化定制，該需求通過(guò)服務(wù)中心平臺(tái)對(duì)訂單進(jìn)行分析并對(duì)工作人員進(jìn)行任務(wù)分配。企業(yè)工業(yè)數(shù)據(jù)云利用工作人員唯一對(duì)應(yīng)的RFID身份信息對(duì)其進(jìn)行管理，智能裝配控制中心是整個(gè)智能裝配系統(tǒng)的信息控制中樞，基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、裝配案例、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的裝配知識(shí)庫(kù)為該系統(tǒng)提供了大量的知識(shí)儲(chǔ)備，在人工干預(yù)的基礎(chǔ)上為后續(xù)的操作過(guò)程中提供指導(dǎo)。結(jié)合PLM系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品集合信息，在裝配知識(shí)庫(kù)的指導(dǎo)下，分別進(jìn)行裝配序列生成、工裝夾具選擇、裝配路線確定、裝配參數(shù)確定等步驟。在裝配過(guò)程中，對(duì)智能感知元件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，以達(dá)到裝配系統(tǒng)自感知、自分析、自決策的目的，最后對(duì)出廠產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析檢驗(yàn)總結(jié)出產(chǎn)品不合格原因，并將其總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)更新至裝配知識(shí)庫(kù)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)自完善功能。

2.3 智能監(jiān)控平臺(tái)

本文基于Auto-ID的智能監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)對(duì)操作人員、產(chǎn)品材料、待裝配零件、裝配工具及自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的唯一身份管理，使得物理世界的物體能夠在信息系統(tǒng)里得到一一對(duì)應(yīng)。智能監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)對(duì)具有數(shù)字標(biāo)識(shí)的對(duì)象（Objec t）進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化信息讀取和反饋，再通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)決策和實(shí)時(shí)管控（planning and control），其總體框架如圖3所示，在裝配系統(tǒng)空間內(nèi)布有監(jiān)控相機(jī)和掃碼槍?zhuān)瑤в猩矸菪畔⒌奈矬w在經(jīng)過(guò)掃碼槍時(shí)，該智能監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)記錄操作人員、物料、裝配設(shè)備的時(shí)間信息和空間位姿信息，另外在力傳感器、監(jiān)控相機(jī)等智能感知元件的輔助作用下，控制中心能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析和決策來(lái)判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，防止誤裝、漏裝及故障現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

在制造企業(yè)內(nèi)部，上下級(jí)之間計(jì)劃指令的傳達(dá)、各個(gè)部門(mén)之間的溝通等等都是信息流的表現(xiàn)形式。在裝配操作過(guò)程完成后，代表操作結(jié)果的信息都將作用、反饋并融入到信息流中。本文針對(duì)裝配生產(chǎn)過(guò)程，提出了基于信息流的裝配系統(tǒng)和裝配平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間計(jì)劃的優(yōu)化排產(chǎn)與調(diào)度、生產(chǎn)全過(guò)程的數(shù)據(jù)信息集成與監(jiān)控、控制中心的分析和決策，提高設(shè)備利用率。以制造執(zhí)行系統(tǒng)為監(jiān)控策略的工具，并運(yùn)用信息流分析和決策的思想，使生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)處理高效準(zhǔn)確，提高了車(chē)間生產(chǎn)管理效率。

圖3 智能監(jiān)控平臺(tái)