智慧工廠園區信息系統研究

吳燁琪

摘 要 在國家智能制造的產業大背景下，作者對物聯網、大數據、人工智能等新興技術進行研究，提出了基于工業信息安全、無線網絡、機器人、圖像智能識別、大數據、設備遠程在線診斷等技術，助力現代化工廠園區的智慧管理和融合應用，最后以作者參與的智慧工廠項目實際案例，對構建這類型集生產、運營、決策、管理和運維于一體的智慧工廠園區信息系統進行了實踐。

關鍵詞 智慧園區;智能制造;物聯網;5G

引言

為加速我國制造業轉型升級、提質增效，2016年5月國務院發布了中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領《中國制造2025》，將智能制造作為主攻方向，加速培育我國新的經濟增長動力，搶占新一輪產業競爭制高點。

伴隨著以5G為代表信息化新技術的高速發展，物聯網、車聯網、大數據、云計算等技術的應用也將助力生產制造企業，改變落后的管理和經營模式，實現實時、可視、互聯、智能的管理，合理分配物料、節約企業資源，融合制造與環保、排放和新能源利用，形成生態工廠，對設備全生命周期實現全方位管控和預防性維護，重視能源管理，建立系統平臺，打破信息孤島，實現設備互聯。

1 應用技術分析

1.1 系統架構

典型的智慧工廠園區信息系統包括三層，即基礎層、訪問層、應用程序層。

（1）基礎層。主要包括不同類型的智能設備和信息化、智能化系統，例如用于訪問生產控制的子系統，用于園區各類型業務管理的子系統，用于生產線直接管理的MES智能生產執行系統、用于精細化制造管理的Andon電子看板管理系統、用于生產調度的指揮和會議會商管理系統、用于園區消防、用于空調管理和照明管理的設備管理系統、甚至用于園區安全的安防和訪客管理系統等等。這些基礎結構層的各類信息化系統為工廠園區智慧化運行和管理提供基礎支持。

（2）接入層。接入層是應用程序層和基礎層之間的一層，它的主要功能是基于計算機網絡、各類IOT物聯網、5G等通訊方式，提供下層協議定制，跨系統鏈接和鏈接控制。

（3）應用層。是智慧工廠園區信息管理平臺的功能和服務表示層，為用戶提供使用智慧工廠園區服務的渠道。

1.2 傳輸網絡技術分析

網絡通信是所有信息數據交互的重要紐帶。網絡通信技術是物聯網設備感知周圍，進行數據通信不可替代的核心技術，網絡通信技術可分為有線通信、無線通信如5G、WIFI6、ZigBee、Corba、藍牙等。設備與設備之間的M2M通信是物聯網高效運行的基礎，包括設備和用戶、用戶和系統、系統和設備、設備和設備之間的連接和通信。

網絡通信技術為物聯網傳輸數據提供了一條流暢的通道，使得智能制造生態互聯大數據得以應用，通過全過程品質數據追蹤、信息反饋及品質解析，實現質量風險全面預防性管理。

如上圖所示，通過生產內網WIFI6和5G網絡全覆蓋以及物聯網技術，為實現生產線機器人、智能預警/巡檢/報修/視頻對講系統、無紙化pad、VR/AR技術應用、MES系統應用云部署、UWB定位等智慧工廠應用場景，提供穩定、低延時無線高速傳輸和云端存儲傳輸和技術實現。例如采用云服務器，把MES系統應用程序和數據庫部署在云端，通過在終端設備增加5G模塊或通過集中的交互設備，進行數據傳送，通過云PLC方式將計劃下發到生產線，為定制化、個性化生產和服務提供技術可能[1]。

2 智慧工廠園區信息系統案例的分析和實踐

2.1 整體設計規劃

智慧園區是實現工廠融合管理的核心工程，通過云計算、物聯網、大數據、人工智能等技術，實現從監測-預警-決策-行動的閉環。

智慧園區建設目標：管理高效、全局掌控、數據智能、業務協同。智慧工廠園區信息系統總體規劃如下圖所示：

智慧工廠園區信息系統的建設內容包括三維可視化管理平臺、綜合應用管理平臺、物聯網平臺。公司總部可通過統一的智慧園區平臺對各廠區進行統一管控，實現全廠區、跨業務部門、甚至跨地區（不同廠區間）智能化管理，實現總部統一管控、本地業務自治的智慧工廠管理新模式。

2.2 功能介紹

基于GIS地理信息系統將多源數據通過圖、表、三維建模等形式支撐工廠運營管理調度指揮的可視化展示，實現數據指標的可視化呈現及二、三維場景的交互聯動功能。在園區可視化駕駛艙，實現園區管理可視化、服務可視化、運營可視化，實現指標數據在大屏的呈現，并且對指標進行提取、融合并導向分析，實時數據動態刷新。

另外，還能在可視化駕駛艙快速切換調取能源監控系統、生產管理信息如MES、QMS、SAP、LES、設備管理系統等，解決傳統車企生產管控中生產信息封閉、車間聯動不足、異常解決低效、信息傳遞緩慢等痛點。

綜合應用管理平臺是集成服務、數據、應用于一體，以打破平臺（臺）、地域與系統邊界（邊），設備前端（端）的限制，消滅信息孤島，打通業務流，實現業務數字化全連接協同。主要包括服務連接、消息連接、數據連接能力，整合綜合安防、便捷通行、園區管理、園區服務四大塊內容。

物聯網平臺為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下滿足連接海量設備，支撐設備數據采集上云;向上提供云端API，指令數據通過API調用下發至設備端，實現遠程控制。此外，物聯網平臺具備設備管理、規則引擎、數據分析、邊緣計算等能力，為各類IoT場景和應用提供基礎支撐。

另外，為了更好地挖掘園區數據價值，借助大數據技術為未來園區及應用建立打好基礎，項目還構建了園區的數據資產管理平臺。數據資產管理平臺是集合了數據接入、數據治理、數據存儲、數據計算以及數據建模、數據可視化的綜合管理體系。通過專有云的部署，實現對智慧園區各類數據的接入和管理。借助數據資產管理平臺大規模數據處理服務，為智慧園區提供海量數據的高效存儲、計算和分析能力，打通信息孤島，實現數據價值深挖。

MES系統是實現數字化、全智能智慧工廠、智能制造的關鍵系統。在技術層面利用園區信息系統平臺建立與ERP，PLM，BOM，SRM，CRM，QMS，DMS等系統的全方位互通互聯，在業務層面實現由設計到制造到供應鏈再到銷售直至客戶體驗反饋的全鏈條打通，建立具備柔性化、自動化、可追溯、可視化、高智能、更高效的新工廠智慧化生產體系。

視頻安防監控系統通過SDK開發包，與平臺進行交互。MES系統通過平臺調用生產線監控攝像機圖像，可實時監看生產線情況，還可聯動Andon系統，一旦有Andon呼叫，可直接在相應車間的MES監控電腦和園區生產指揮中心調看到生產線工位的監控圖像。另外，通過MES給出的車身碼和關鍵工藝的時間點，視頻監控系統通過時間和車身碼來將截取好的視頻發給營銷端服務器，并且依據車身碼建立視頻檔案[2]。

通過平臺整合，還將視頻安防監控與消防報警、防盜報警、門禁報警等多系統協同，報警發生時，在3D可視化界面上可自動彈出相關報警信息，并顯示相關區域視頻畫面，系統還可聯動緊急廣播進行人群疏導，通過攝像機人臉識別，可實時掌握大家的疏散情況，有效確保安全。

整個平臺對智慧的實時性要求很高，這里充分利用了5G和遍布于廠區布設的WIFI6基站，實現低延時高帶寬的基礎智慧平臺信息采集和遠程控制：

平臺對設備可進行直接控制，采用專線、雙向鑒權、實時認證等機制保障數據傳輸安全。

2.3 基礎建設

智慧工廠的信息化是一個系統性的工程，需要整體規劃，分步實施，夯實IT/OT相融合的連接基礎。

在對整個智慧工廠園區信息系統總體設計方向確定后，需要根據建設功能規劃，構建各基礎應用子系統，包含MES智能生產執行系統、Andon電子看板管理系統、采用CAT6A標準的綜合布線系統、10G標準的計算機網絡系統、WIFI6標準的無線網絡系統、運營商5G廠區全覆蓋、全數字無線對講內通系統、語音通話系統、有線電視系統、公共廣播系統、視頻安防監控系統、門禁管理系統、停車場管理系統、訪客管理系統、電梯控制管理系統、入侵報警系統、周界防范系統、電子巡查系統、信息發布系統、生產調度的指揮和會議會商管理系統、能源管理系統、智能照明系統、智能應用系統、機房工程、綜合管網系統，共計25個子系統。

在各子系統設計建設時需結合生產線要求，例如物流區監控攝像機的布放需考慮高、低貨架柜的覆蓋影響，還有對AVG小車的無線網絡支持。AGV小車已成為現下工廠中必不可少的物流運輸設備。但由于工廠多為鋼結構，且環境電磁干擾較強，因此AGV小車對網絡通信有很高的要求，對接入協議、網絡安全認證、網絡運行頻段、無線信道、無線網絡覆蓋與信號強度都有一定要求。另外AGV小車對在線實時性、安全性要求也非常高，我們除了WIFI6全覆蓋，還有運營商5G企業網全覆蓋，以及監控實時視頻分析等等輔助信息手段，可以在網絡切換的時候，利用平臺進行設備配置信息、數據指令的綜合處理，過渡好切換的問題。

2.4 應用效果

目前該項目基于該架構的智慧工廠園區信息系統可視化管理平臺、綜合應用管控平臺和物聯網平臺已建成，同時也與工廠園區能源監控系統、生產管理系統如MES、QMS、LES、ERP等進行了數據采集和控制，實施情況良好并通過用戶技術評審小組的功能驗收[3]。

3 結束語

該類型智慧工廠園區信息系統的建設解決了園區中信息溝通不暢，資源浪費、信息孤島等問題，從而實現自動化、可追溯、可視化、綠色的管理運營體驗。在保證信息安全的前提下，深度融合企業生產管理系統如MES、ERP、LES、QMS等，為今后大量生產型企業的技術轉型和產業升級提供了發展的可能，將傳統的制造業變成一個可定制化的、有思想的智慧工廠為基礎的智能制造業，以實際行動踐行了國家的制造強國戰略。

參考文獻

[1] 王偉，王曄，徐大成.基于物聯網技術的智慧園區信息系統研究[J].計算機與網絡，2016，527（7）：70-71，74.

[2] 來慶濤.基于物聯網技術的智慧園區信息系統研究[J].智能城市，2020（1）：31-32.

[3] 孫毅.智慧工廠綜合管理信息系統開發及應用[J].數字化用戶，2017，23（22）：135.