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邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

實驗平臺名稱

面向個性化定制的自適應模塊化制造驗證平臺

發(fā)起單位

中國科學院沈陽自動化研究所

合作公司

中國信息通信研究院

寧波舜宇智能科技有限公司

目標和概述

中國制造業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期。隨著我國制造業(yè)逐步從大眾化、批量化的消費階段向小眾化、個性化的階段的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)剛性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需求。

本平臺針對離散制造業(yè)中消費者個性化定制的需求以及產(chǎn)品更新?lián)Q代極快的情況，采用軟件定義的可重構(gòu)模塊化智能制造技術(shù)體系，自動調(diào)整加工、裝配環(huán)節(jié)的任務、工藝流程、路徑規(guī)劃與控制參數(shù)，實時優(yōu)化裝配流程和機器人任務，并通過模塊化、高度靈活的控制網(wǎng)絡，驅(qū)動模塊化機械結(jié)構(gòu)自適應重組，使生產(chǎn)系統(tǒng)具有模塊化、物聯(lián)化和智能化特征，大幅縮短產(chǎn)品的交付周期，使其快速響應高度定制化產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)小批量甚至單件化定制產(chǎn)品的規(guī)模化、經(jīng)濟型生產(chǎn)，解決了高度個性化定制產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)與傳統(tǒng)的剛性、大批量制造模式之間的矛盾。

本平臺通過在設備側(cè)構(gòu)建軟件定義的自適應可重構(gòu)智能管控系統(tǒng)，對設備信息、生產(chǎn)過程信息進行采集、分析、計算，對工藝和設備任務進行優(yōu)化調(diào)度，較大幅度地提升計算效率、提升設備和系統(tǒng)響應速度。以個性化定制的零部件裝配為背景，通過系統(tǒng)構(gòu)型規(guī)劃、模塊的接口標準化、功能模塊的精確定位及移動對接技術(shù)，解決了生產(chǎn)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的模塊化、可重構(gòu)問題模塊化的生產(chǎn)模式；通過工業(yè)SDN技術(shù)，實現(xiàn)了通信資源自適應分配，解決了工業(yè)網(wǎng)絡無線化、可重構(gòu)的問題；通過研究語義化數(shù)字工廠建模與動態(tài)服務組合技術(shù)，實現(xiàn)了工序、工步、設備模型自動組合，從而驅(qū)動工藝流程、任務調(diào)度和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的自適應重構(gòu)。

本實驗平臺主要用于測試、驗證軟件定義可重構(gòu)智能制造相關(guān)技術(shù)，包括但不局限于：

（1）工業(yè)設備物聯(lián)化技術(shù)、設備級安全防護能力；

（2）模塊化的可重構(gòu)單元系統(tǒng)構(gòu)型規(guī)劃、機械結(jié)構(gòu)構(gòu)建相關(guān)技術(shù)；

（3）自適應的工業(yè)網(wǎng)絡無線化、可重構(gòu)技術(shù)；

（4）基于工業(yè)SDN的管控網(wǎng)絡全互聯(lián)以及網(wǎng)絡安全技術(shù)；

（5）語義化數(shù)字工廠建模技術(shù)；

（6）基于工藝流程自適應的動態(tài)服務組合技術(shù)等相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品；

（7）多任務、優(yōu)先級智能調(diào)度以及人工智能相關(guān)算法。

本項目搭建的面向個性化定制的自適應模塊化制造驗證平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主要由：云平臺、應用域（設計開發(fā)平臺、ERP、MES）、數(shù)據(jù)域（智能管控系統(tǒng)）、網(wǎng)絡域（基于WIA-FA的工業(yè)無線自適應全互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)）和設備域（模塊化的可重構(gòu)單元、柔性智能物流系統(tǒng)、傳感器等）組成。

其中，設計開發(fā)平臺、智能管控系統(tǒng)、模塊化可重構(gòu)單元和服務平臺構(gòu)成了從設計、制造到服務的端到端數(shù)字化集成系統(tǒng)以及從銷售到企業(yè)管理到車間生產(chǎn)管理和設備層的垂直集成，將用于驗證產(chǎn)品的全生命周期管理以及智能制造系統(tǒng)的端到端集成技術(shù)。

智能管控系統(tǒng)、基于WIA-FA的工業(yè)無線自適應全互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)、模塊化可重構(gòu)單元、柔性智能物流系統(tǒng)則構(gòu)成了網(wǎng)絡化生產(chǎn)系統(tǒng)，將用于驗證智能制造系統(tǒng)的縱向集成技術(shù)。

圖1 面向個性化定制的自適應模塊化制造驗證平臺構(gòu)成

通過本平臺的介紹可以看出（如圖1），本平臺包括了：（1）設備級：機器人、傳感器、柔性輸送單元、加工單元模塊；（2）網(wǎng)絡級：基于WIA-FA的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及基于工業(yè)SDN的管控全互聯(lián)無線網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品；（3）數(shù)據(jù)級：基于語義化構(gòu)建數(shù)字工廠模型庫、動態(tài)服務組合引擎、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)任務自適應動態(tài)調(diào)整模塊、預測性維護的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分析與處理模塊；（4）應用級：支持個性化產(chǎn)品定制的ERP和MES系統(tǒng)；（5）云端應用：支持個性化產(chǎn)品定制的電商平臺，設備預測性維護云端平臺。

應用場景

本實驗平臺以沈陽自動化研究所自主研發(fā)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系（WIA-FA、SDN無線網(wǎng)關(guān)等無線產(chǎn)品）與軟件定義管控技術(shù)為基礎(chǔ)，打通了電子商務、ERP、MES等管理軟件以及控制系統(tǒng)之間的信息通信接口，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化生產(chǎn)系統(tǒng)的縱向無縫集成，使個性化定制產(chǎn)品快速制造出來；同時，通過自主研發(fā)的軟件定義可重構(gòu)無線控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊化、可以根據(jù)需要動態(tài)重組；此外，基于研發(fā)的數(shù)字工廠建模技術(shù)，構(gòu)建出工業(yè)控制語義本體庫，即：與實際的物理系統(tǒng)一一對應的信息空間的虛擬制造系統(tǒng)，并基于虛擬系統(tǒng)和管控系統(tǒng)，使生產(chǎn)系統(tǒng)可以根據(jù)軟件定義的方式，快速重組，動態(tài)適應生產(chǎn)需求的變化，解決了傳統(tǒng)剛性生產(chǎn)系統(tǒng)面對設計和生產(chǎn)需求變化時靈活性差的問題。

本平臺充分體現(xiàn)高度個性化定制、產(chǎn)線自主重構(gòu)、生產(chǎn)裝備預測性維護等智能工廠的優(yōu)勢特點。同時，通過設備的預測性維護，可以大幅減少設備的停機時間，提高設備利用率。本平臺的支撐技術(shù)體系和產(chǎn)品將為探索適應中國現(xiàn)狀的智能制造技術(shù)標準體系和解決方案，推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，起到積極的推動作用。

本平臺應用但不局限于以下行業(yè)：

（1）家電制造行業(yè)

很多家電制造行業(yè)目前正在尋求從大規(guī)模制造到大規(guī)模定制的轉(zhuǎn)型，由企業(yè)為中心的生產(chǎn)，到用戶信息直達工廠，用戶驅(qū)動精準、高效、大規(guī)模柔性生產(chǎn)，快速響應，交互迭代。

解決原來大規(guī)模流水線柔性不足、定制成本高、效率低的問題：構(gòu)建智慧排產(chǎn)、智能生產(chǎn)、智慧物流、虛實融合等模式，快速響應用戶需求；

解決現(xiàn)有的以PLC為核心的控制系統(tǒng)難以應對復雜邏輯的編輯和處理的問題：通過沈陽自動化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統(tǒng)，能夠?qū)υ挟a(chǎn)線中管理和控制流程及邏輯進行快速重用和復現(xiàn)，實現(xiàn)生產(chǎn)設備虛擬化、模塊化，滿足快速增加的消費者個性化需求；

解決傳統(tǒng)制造響應周期長、產(chǎn)品升級慢等問題：通過沈陽自動化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統(tǒng)，實現(xiàn)OTD由原來21天降低到7天，同時實現(xiàn)工廠全流程開放透明、可視，用戶由使用者變?yōu)椤霸O計師”和“參與者”。

（2）軌道交通制造行業(yè)

軌道交通制造行業(yè)目前正在尋求從粗放式加工、裝配的調(diào)度管理和被動的設備維修到智能優(yōu)化調(diào)度管理和主動的設備預測性維護的轉(zhuǎn)型，從以人為中心的生產(chǎn)管理和設備維護，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為驅(qū)動，量化、精準、智能地管理和維護。

解決原來生產(chǎn)系統(tǒng)的設備靠人管理，設備利用率和生產(chǎn)效率低、設備維護不及時而導致的良品率低等問題：通過機床、機器人、AGV等設備聯(lián)網(wǎng)，使設備狀態(tài)和生產(chǎn)過程可視化，從而實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能運行和維護；

解決信息接口異構(gòu)設備難以互聯(lián)互通互操作、設備故障診斷和排產(chǎn)、調(diào)度僅憑主觀經(jīng)驗等問題：實現(xiàn)加工過程的設備利用率從原來的45%提高到70%，同時實現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程透明、可視，生產(chǎn)設備和生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化都得以提升。

（3）光電攝像模組行業(yè)

面對該行業(yè)目前生產(chǎn)過程缺少產(chǎn)品全流程信息采集與監(jiān)測，缺少生產(chǎn)過程、設備和能源等信息的分析、缺少質(zhì)量和能源瓶頸環(huán)節(jié)和因素分析的現(xiàn)狀，本平臺通過攻克智能制造數(shù)字化車間參考模型、產(chǎn)品全流程數(shù)據(jù)采集和分析以及基于全流程數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品設計、工藝流程優(yōu)化和運行管控等挑戰(zhàn)性技術(shù)難題，解決良率不高、生產(chǎn)效率較低、能耗水平無法控制等現(xiàn)實問題，體現(xiàn)了個性化定制以及小批量多批次的優(yōu)點，提升我國光電攝像模組制造產(chǎn)業(yè)成套裝備的智能化水平，進而匹配無人機、可穿戴設備、手機、汽車等行業(yè)對于光電攝像模組需求的快速發(fā)展。

預期成果

本平臺通過面向個性化定制的自適應模塊化智能制造技術(shù)體系，可以模擬以下三種場景：

配置自由選擇的定制化產(chǎn)品生產(chǎn)

客戶通過電商平臺自由選擇產(chǎn)品配置，生成個性化的產(chǎn)品訂單，該訂單在ERP系統(tǒng)里同步生成，并立刻分發(fā)至MES系統(tǒng)進行排產(chǎn)，訂單與排產(chǎn)信息通過PCO接口下達至控制系統(tǒng)，通過智能管控系統(tǒng)，每個生產(chǎn)單元都可以與產(chǎn)品和物料進行“交流”，為該訂單裝配個性化零部件或完成個性化加工任務，最終智能工廠快速完成了個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)任務。

生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)訂單變化動態(tài)調(diào)整、重組結(jié)構(gòu)

（1）語義化建模

本平臺在數(shù)據(jù)域搭建了智能管控系統(tǒng)，通過語義化技術(shù)構(gòu)建數(shù)字工廠模型庫，打通設備互操作接口，實現(xiàn)跨廠商互操作和語義的統(tǒng)一化管理。利用語義化數(shù)字工廠建模與動態(tài)服務組合技術(shù)，解決設備模型描述、工藝流程和任務調(diào)度的解耦問題，工藝流程和任務重組的正確性和可執(zhí)行性，以及模型、規(guī)則的查詢、關(guān)聯(lián)實時性問題。

通過語義化技術(shù)建立模型庫，將模型的最小單元屬性、最小工序和工步定義為原子動作，實現(xiàn)模型和工序的解耦；利用結(jié)構(gòu)、功能、能力約束和工藝知識規(guī)則，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、工藝流程組合的正確性和可執(zhí)行性。通過時空關(guān)聯(lián)檢索技術(shù)，提高原子動作查詢、關(guān)聯(lián)、組合的實時性。

（2）智能調(diào)度

本平臺不僅可以根據(jù)用戶喜好，生產(chǎn)個性化訂單，還能夠智能處理不同優(yōu)先級的訂單。本平臺擁有兩個用于裝配的機器人，可同時裝配3個不同的訂單。兩個機器人擁有一套基于設備的安全防護能力，可避免機器人發(fā)生碰撞以及傷人事故。在此基礎(chǔ)上，本平臺的兩個機器人還分別擁有上、下底板的功能。對于普通訂單，本平臺中用于裝配的兩個機器人可設置多種裝配方案，如：總裝配效率最高方案、順序加工方案、最簡產(chǎn)品優(yōu)先方案等。當出現(xiàn)加急訂單時，智能管控系統(tǒng)會在保證安全（避免碰撞、傷人事故）的基礎(chǔ)上，自適應變更裝配方案為加急訂單優(yōu)先模式，智能管控系統(tǒng)可無縫銜接不同優(yōu)先級的訂單，全過程無需人為干預，降低切單轉(zhuǎn)產(chǎn)時間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

（3）動態(tài)服務組合引擎

基于動態(tài)服務合成引擎技術(shù)將生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)任務等服務封裝起來，既打通了不同協(xié)議、不同軟件、不同系統(tǒng)之間的互操作接口，解決了跨系統(tǒng)信息集成的難題，同時，又可以根據(jù)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)需求的變化，動態(tài)地自動重組生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)任務，使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠以軟件定義的方式快速重構(gòu)，徹底改變了傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)模式，大幅提升了生產(chǎn)系統(tǒng)對不同產(chǎn)品設計和生產(chǎn)需求的適應能力和靈活性。

（4）數(shù)據(jù)邊緣處理

從設備端采集到的傳感器、機器人、PLC等數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、采集頻率高、數(shù)據(jù)格式不同等特點。對于海量數(shù)據(jù)，如果不在設備側(cè)進行數(shù)據(jù)邊緣處理，龐大的數(shù)據(jù)直接上傳至云端平臺會對網(wǎng)絡造成巨大擁堵，浪費網(wǎng)絡資源，還可能會影響到對于實時性和準確性要求較高并且重要級更高的數(shù)據(jù)。所以需要在數(shù)據(jù)域進行邊緣計算，對用于預測性維護的數(shù)據(jù)先進行基礎(chǔ)的處理，如：濾波、降噪、擬合、降維、特征提取等操作。并且統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，對數(shù)據(jù)的重要性進行分級，優(yōu)先上傳重要級高的數(shù)據(jù)至云平臺，合理利用網(wǎng)絡資源，避免數(shù)據(jù)堆積災難。

基于預測性維護的生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整

部署在云制造服務平臺上的預測性維護系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)域中經(jīng)過基礎(chǔ)處理的數(shù)據(jù)，通過工業(yè)無線物聯(lián)網(wǎng)實時感知、監(jiān)測生產(chǎn)裝備的溫度、振動等健康狀態(tài)信息，同步分析，確定設備的健康狀況、故障類型、故障位置、剩余生命周期等信息。

采用預測性維護可以減少維護工作量，降低勞動強度；提高設備的可靠性，延長設備的使用壽命；提高設備的利用率，減少維修費用，從而降低維護成本，提高企業(yè)的綜合競爭力。

技術(shù)的示范效應

預計上述平臺及解決方案如果推廣到離散制造業(yè)，將大幅提升生產(chǎn)效率和設備利用率，在未來的工業(yè)4.0時代，使生產(chǎn)制造企業(yè)能夠應對高度定制化產(chǎn)品規(guī)模化、經(jīng)濟型生產(chǎn)的需求，從而提升企業(yè)競爭力，帶來超過10億元級別的經(jīng)濟效益，為探索適應中國現(xiàn)狀的智能制造技術(shù)標準體系和針對個性化定制產(chǎn)品快速、規(guī)模化生產(chǎn)的新模式，推動離散制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，起到積極的推動作用。

商業(yè)價值

這套面向個性化定制的自適應模塊化制造驗證平臺的核心技術(shù)體系和產(chǎn)品將大幅提高生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)過程的智能化，打通網(wǎng)絡化生產(chǎn)系統(tǒng)從電商平臺到管理和控制系統(tǒng)的縱向集成，大幅提升管理、控制系統(tǒng)的效率以及生產(chǎn)設備的利用率。中科院沈自所研發(fā)的智能控制系統(tǒng)可以動態(tài)、自適應地調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝順序、機器人動作組合，從而提高生產(chǎn)系統(tǒng)軟件、硬件的靈活性，提高生產(chǎn)制造過程的效率和智能化。

通過引入邊緣計算，能夠為制造業(yè)帶來以下提升：

設備靈活替換——減少人力投入50%，實施效率提升1倍。

生產(chǎn)計劃靈活調(diào)整——消除多個型號的混線切單，物料路徑切換導致的時間耗損。

新工藝/新型號快速部署——消除新工藝部署/變更配置變量的時間，新工藝部署時間縮短80%以上。

社會價值

隨著我國制造業(yè)逐步從大眾化、批量化的消費階段向小眾化、個性化的階段轉(zhuǎn)變，消費者越來越重視產(chǎn)品的個性化特征和品味。傳統(tǒng)剛性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需求，高度個性化定制產(chǎn)品的規(guī)模化、經(jīng)濟型生產(chǎn)將是離散制造業(yè)未來的主要趨勢。

本平臺采用軟件定義的可重構(gòu)模塊化智能制造技術(shù)體系，應用于家電制造行業(yè)。通過構(gòu)建智慧排產(chǎn)、智能生產(chǎn)、智慧物流、虛實融合等模式，快速響應用戶需求，解決原來大規(guī)模流水線柔性不足、定制成本高、效率低的問題；通過沈陽自動化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統(tǒng)，能夠?qū)υ挟a(chǎn)線中管理和控制流程及邏輯進行快速重用和復現(xiàn)，實現(xiàn)生產(chǎn)設備虛擬化、模塊化，滿足快速增加的消費者個性化需求，解決現(xiàn)有的以PLC為核心的控制系統(tǒng)難以應對復雜邏輯的編輯和處理的問題；通過沈陽自動化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統(tǒng)，實現(xiàn)OTD由原來21天降低到7天，同時實現(xiàn)工廠全流程開放透明、可視，用戶由使用者變?yōu)椤霸O計師”和“參與者”，解決傳統(tǒng)制造響應周期長、產(chǎn)品升級慢等問題。

本平臺應用于光電攝像模組行業(yè)，打破傳統(tǒng)的采用PLC+OPC的模式，解決了由于訂單種類增加，單批次數(shù)量減少導致的控制邏輯/工序操作重置、接口配置耗時時間長，影響新產(chǎn)品上線效率的問題。通過軟件定義的可重構(gòu)模塊化智能制造技術(shù)體系，自動調(diào)整加工、裝配環(huán)節(jié)的任務、工藝流程、路徑規(guī)劃與控制參數(shù)，實時優(yōu)化裝配流程和機器人任務，并通過模塊化、高度靈活的控制網(wǎng)絡，驅(qū)動模塊化機械結(jié)構(gòu)自適應重組，使生產(chǎn)系統(tǒng)具有模塊化、物聯(lián)化和智能化特征，運營成本降低50%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短50%，不良品率降低50%。通過加強制造業(yè)ICT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)之間的靈活交互，推動智能制造的實現(xiàn)。

摘自《自動化博覽》2017年8月刊