邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

實(shí)驗平臺名稱(chēng)

面向個(gè)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(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)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)正處在轉型升級的關(guān)鍵時(shí)期。隨著(zhù)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(gè)性化的階段的轉變，傳統剛性生產(chǎn)系統已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求。

本平臺針對離散制造業(yè)中消費者個(gè)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模塊化智能制造技術(shù)體系，自動(dòng)調整加工、裝配環(huán)節的任務(wù)、工藝流程、路徑規劃與控制參數，實(shí)時(shí)優(yōu)化裝配流程和機器人任務(wù)，并通過(guò)模塊化、高度靈活的控制網(wǎng)絡(luò )，驅動(dòng)模塊化機械結構自適應重組，使生產(chǎn)系統具有模塊化、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?；a(chǎn)的需求，實(shí)現小批量甚至單件化定制產(chǎn)品的規?；?、經(jīng)濟型生產(chǎn)，解決了高度個(gè)性化定制產(chǎn)品的規?；a(chǎn)與傳統的剛性、大批量制造模式之間的矛盾。

本平臺通過(guò)在設備側構建軟件定義的自適應可重構智能管控系統，對設備信息、生產(chǎn)過(guò)程信息進(jìn)行采集、分析、計算，對工藝和設備任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化調度，較大幅度地提升計算效率、提升設備和系統響應速度。以個(gè)性化定制的零部件裝配為背景，通過(guò)系統構型規劃、模塊的接口標準化、功能模塊的精確定位及移動(dòng)對接技術(shù)，解決了生產(chǎn)系統機械結構的模塊化、可重構問(wèn)題模塊化的生產(chǎn)模式；通過(guò)工業(yè)SDN技術(shù)，實(shí)現了通信資源自適應分配，解決了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)化、可重構的問(wèn)題；通過(guò)研究語(yǔ)義化數字工廠(chǎng)建模與動(dòng)態(tài)服務(wù)組合技術(shù)，實(shí)現了工序、工步、設備模型自動(dòng)組合，從而驅動(dòng)工藝流程、任務(wù)調度和生產(chǎn)結構的自適應重構。

本實(shí)驗平臺主要用于測試、驗證軟件定義可重構智能制造相關(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）模塊化的可重構單元系統構型規劃、機械結構構建相關(guān)技術(shù)；

（3）自適應的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)化、可重構技術(shù)；

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

（5）語(yǔ)義化數字工廠(chǎng)建模技術(shù)；

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

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

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

主要由：云平臺、應用域（設計開(kāi)發(fā)平臺、ERP、MES）、數據域（智能管控系統）、網(wǎng)絡(luò )域（基于WIA-FA的工業(yè)無(wú)線(xiàn)自適應全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )系統）和設備域（模塊化的可重構單元、柔性智能物流系統、傳感器等）組成。

其中，設計開(kāi)發(fā)平臺、智能管控系統、模塊化可重構單元和服務(wù)平臺構成了從設計、制造到服務(wù)的端到端數字化集成系統以及從銷(xiāo)售到企業(yè)管理到車(chē)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的端到端集成技術(shù)。

智能管控系統、基于WIA-FA的工業(yè)無(wú)線(xiàn)自適應全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )系統、模塊化可重構單元、柔性智能物流系統則構成了網(wǎng)絡(luò )化生產(chǎn)系統，將用于驗證智能制造系統的縱向集成技術(shù)。

圖1 面向個(gè)性化定制的自適應模塊化制造驗證平臺構成

通過(guò)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(luò )級：基于WIA-FA的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統以及基于工業(yè)SDN的管控全互聯(lián)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品；（3）數據級：基于語(yǔ)義化構建數字工廠(chǎng)模型庫、動(dòng)態(tài)服務(wù)組合引擎、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)任務(wù)自適應動(dòng)態(tài)調整模塊、預測性維護的數據基礎分析與處理模塊；（4）應用級：支持個(gè)性化產(chǎn)品定制的ERP和MES系統；（5）云端應用：支持個(gè)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(chǎng)景

本實(shí)驗平臺以沈陽(yáng)自動(dòng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)等無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品）與軟件定義管控技術(shù)為基礎，打通了電子商務(wù)、ERP、MES等管理軟件以及控制系統之間的信息通信接口，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化生產(chǎn)系統的縱向無(wú)縫集成，使個(gè)性化定制產(chǎn)品快速制造出來(lái)；同時(shí)，通過(guò)自主研發(fā)的軟件定義可重構無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )系統，使控制系統的結構模塊化、可以根據需要動(dòng)態(tài)重組；此外，基于研發(fā)的數字工廠(chǎng)建模技術(shù)，構建出工業(yè)控制語(yǔ)義本體庫，即：與實(shí)際的物理系統一一對應的信息空間的虛擬制造系統，并基于虛擬系統和管控系統，使生產(chǎn)系統可以根據軟件定義的方式，快速重組，動(dòng)態(tài)適應生產(chǎn)需求的變化，解決了傳統剛性生產(chǎn)系統面對設計和生產(chǎn)需求變化時(shí)靈活性差的問(wèn)題。

本平臺充分體現高度個(gè)性化定制、產(chǎn)線(xiàn)自主重構、生產(chǎn)裝備預測性維護等智能工廠(chǎng)的優(yōu)勢特點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)設備的預測性維護，可以大幅減少設備的停機時(shí)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狀的智能制造技術(shù)標準體系和解決方案，推動(dòng)企業(yè)數字化轉型，起到積極的推動(dòng)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模制造到大規模定制的轉型，由企業(yè)為中心的生產(chǎn)，到用戶(hù)信息直達工廠(chǎng)，用戶(hù)驅動(dòng)精準、高效、大規模柔性生產(chǎn)，快速響應，交互迭代。

解決原來(lái)大規模流水線(xiàn)柔性不足、定制成本高、效率低的問(wèn)題：構建智慧排產(chǎn)、智能生產(chǎn)、智慧物流、虛實(shí)融合等模式，快速響應用戶(hù)需求；

解決現有的以PLC為核心的控制系統難以應對復雜邏輯的編輯和處理的問(wèn)題：通過(guò)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統，能夠對原有產(chǎn)線(xiàn)中管理和控制流程及邏輯進(jìn)行快速重用和復現，實(shí)現生產(chǎn)設備虛擬化、模塊化，滿(mǎn)足快速增加的消費者個(gè)性化需求；

解決傳統制造響應周期長(cháng)、產(chǎn)品升級慢等問(wèn)題：通過(guò)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統，實(shí)現OTD由原來(lái)21天降低到7天，同時(shí)實(shí)現工廠(chǎng)全流程開(kāi)放透明、可視，用戶(hù)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、裝配的調度管理和被動(dòng)的設備維修到智能優(yōu)化調度管理和主動(dòng)的設備預測性維護的轉型，從以人為中心的生產(chǎn)管理和設備維護，轉變?yōu)橐詳祿轵寗?dòng)，量化、精準、智能地管理和維護。

解決原來(lái)生產(chǎn)系統的設備靠人管理，設備利用率和生產(chǎn)效率低、設備維護不及時(shí)而導致的良品率低等問(wèn)題：通過(guò)機床、機器人、AGV等設備聯(lián)網(wǎng)，使設備狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程可視化，從而實(shí)現生產(chǎn)系統的智能運行和維護；

解決信息接口異構設備難以互聯(lián)互通互操作、設備故障診斷和排產(chǎn)、調度僅憑主觀(guān)經(jīng)驗等問(wèn)題：實(shí)現加工過(guò)程的設備利用率從原來(lái)的45%提高到70%，同時(shí)實(shí)現工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程透明、可視，生產(chǎn)設備和生產(chǎn)系統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(guò)程缺少產(chǎn)品全流程信息采集與監測，缺少生產(chǎn)過(guò)程、設備和能源等信息的分析、缺少質(zhì)量和能源瓶頸環(huán)節和因素分析的現狀，本平臺通過(guò)攻克智能制造數字化車(chē)間參考模型、產(chǎn)品全流程數據采集和分析以及基于全流程數據驅動(dòng)的產(chǎn)品設計、工藝流程優(yōu)化和運行管控等挑戰性技術(shù)難題，解決良率不高、生產(chǎn)效率較低、能耗水平無(wú)法控制等現實(shí)問(wèn)題，體現了個(gè)性化定制以及小批量多批次的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)而匹配無(wú)人機、可穿戴設備、手機、汽車(chē)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(guò)面向個(gè)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(chǎng)景：

配置自由選擇的定制化產(chǎn)品生產(chǎn)

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

生產(chǎn)系統根據訂單變化動(dòng)態(tài)調整、重組結構

（1）語(yǔ)義化建模

本平臺在數據域搭建了智能管控系統，通過(guò)語(yǔ)義化技術(shù)構建數字工廠(chǎng)模型庫，打通設備互操作接口，實(shí)現跨廠(chǎng)商互操作和語(yǔ)義的統一化管理。利用語(yǔ)義化數字工廠(chǎng)建模與動(dòng)態(tài)服務(wù)組合技術(shù)，解決設備模型描述、工藝流程和任務(wù)調度的解耦問(wèn)題，工藝流程和任務(wù)重組的正確性和可執行性，以及模型、規則的查詢(xún)、關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

通過(guò)語(yǔ)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(dòng)作，實(shí)現模型和工序的解耦；利用結構、功能、能力約束和工藝知識規則，確保系統結構模型、工藝流程組合的正確性和可執行性。通過(guò)時(shí)空關(guān)聯(lián)檢索技術(shù)，提高原子動(dòng)作查詢(xún)、關(guān)聯(lián)、組合的實(shí)時(shí)性。

（2）智能調度

本平臺不僅可以根據用戶(hù)喜好，生產(chǎn)個(gè)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(gè)用于裝配的機器人，可同時(shí)裝配3個(gè)不同的訂單。兩個(gè)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。在此基礎上，本平臺的兩個(gè)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(gè)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(jiǎn)產(chǎn)品優(yōu)先方案等。當出現加急訂單時(shí)，智能管控系統會(huì )在保證安全（避免碰撞、傷人事故）的基礎上，自適應變更裝配方案為加急訂單優(yōu)先模式，智能管控系統可無(wú)縫銜接不同優(yōu)先級的訂單，全過(guò)程無(wú)需人為干預，降低切單轉產(chǎn)時(shí)間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

（3）動(dòng)態(tài)服務(wù)組合引擎

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

（4）數據邊緣處理

從設備端采集到的傳感器、機器人、PLC等數據具有數據量大、采集頻率高、數據格式不同等特點(diǎn)。對于海量數據，如果不在設備側進(jìn)行數據邊緣處理，龐大的數據直接上傳至云端平臺會(huì )對網(wǎng)絡(luò )造成巨大擁堵，浪費網(wǎng)絡(luò )資源，還可能會(huì )影響到對于實(shí)時(shí)性和準確性要求較高并且重要級更高的數據。所以需要在數據域進(jìn)行邊緣計算，對用于預測性維護的數據先進(jìn)行基礎的處理，如：濾波、降噪、擬合、降維、特征提取等操作。并且統一數據格式，對數據的重要性進(jìn)行分級，優(yōu)先上傳重要級高的數據至云平臺，合理利用網(wǎng)絡(luò )資源，避免數據堆積災難。

基于預測性維護的生產(chǎn)系統動(dòng)態(tài)調整

部署在云制造服務(wù)平臺上的預測性維護系統收集數據域中經(jīng)過(guò)基礎處理的數據，通過(guò)工業(yè)無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知、監測生產(chǎn)裝備的溫度、振動(dòng)等健康狀態(tài)信息，同步分析，確定設備的健康狀況、故障類(lèi)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(dòng)強度；提高設備的可靠性，延長(cháng)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(lái)的工業(yè)4.0時(shí)代，使生產(chǎn)制造企業(yè)能夠應對高度定制化產(chǎn)品規?；?、經(jīng)濟型生產(chǎn)的需求，從而提升企業(yè)競爭力，帶來(lái)超過(guò)10億元級別的經(jīng)濟效益，為探索適應中國現狀的智能制造技術(shù)標準體系和針對個(gè)性化定制產(chǎn)品快速、規?；a(chǎn)的新模式，推動(dòng)離散制造企業(yè)數字化轉型，起到積極的推動(dòng)作用。

商業(yè)價(jià)值

這套面向個(gè)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(guò)程的智能化，打通網(wǎng)絡(luò )化生產(chǎn)系統從電商平臺到管理和控制系統的縱向集成，大幅提升管理、控制系統的效率以及生產(chǎn)設備的利用率。中科院沈自所研發(fā)的智能控制系統可以動(dòng)態(tài)、自適應地調整生產(chǎn)系統的結構、生產(chǎn)工藝順序、機器人動(dòng)作組合，從而提高生產(chǎn)系統軟件、硬件的靈活性，提高生產(chǎn)制造過(guò)程的效率和智能化。

通過(guò)引入邊緣計算，能夠為制造業(yè)帶來(lái)以下提升：

設備靈活替換——減少人力投入50%，實(shí)施效率提升1倍。

生產(chǎn)計劃靈活調整——消除多個(gè)型號的混線(xiàn)切單，物料路徑切換導致的時(shí)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(shí)間，新工藝部署時(shí)間縮短80%以上。

社會(huì )價(jià)值

隨著(zhù)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(gè)性化的階段轉變，消費者越來(lái)越重視產(chǎn)品的個(gè)性化特征和品味。傳統剛性生產(chǎn)系統已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，高度個(gè)性化定制產(chǎn)品的規?；?、經(jīng)濟型生產(chǎn)將是離散制造業(yè)未來(lái)的主要趨勢。

本平臺采用軟件定義的可重構模塊化智能制造技術(shù)體系，應用于家電制造行業(yè)。通過(guò)構建智慧排產(chǎn)、智能生產(chǎn)、智慧物流、虛實(shí)融合等模式，快速響應用戶(hù)需求，解決原來(lái)大規模流水線(xiàn)柔性不足、定制成本高、效率低的問(wèn)題；通過(guò)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統，能夠對原有產(chǎn)線(xiàn)中管理和控制流程及邏輯進(jìn)行快速重用和復現，實(shí)現生產(chǎn)設備虛擬化、模塊化，滿(mǎn)足快速增加的消費者個(gè)性化需求，解決現有的以PLC為核心的控制系統難以應對復雜邏輯的編輯和處理的問(wèn)題；通過(guò)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)化的管控系統，實(shí)現OTD由原來(lái)21天降低到7天，同時(shí)實(shí)現工廠(chǎng)全流程開(kāi)放透明、可視，用戶(hù)由使用者變?yōu)椤霸O計師”和“參與者”，解決傳統制造響應周期長(cháng)、產(chǎn)品升級慢等問(wèn)題。

本平臺應用于光電攝像模組行業(yè)，打破傳統的采用PLC+OPC的模式，解決了由于訂單種類(lèi)增加，單批次數量減少導致的控制邏輯/工序操作重置、接口配置耗時(shí)時(shí)間長(cháng)，影響新產(chǎn)品上線(xiàn)效率的問(wèn)題。通過(guò)軟件定義的可重構模塊化智能制造技術(shù)體系，自動(dòng)調整加工、裝配環(huán)節的任務(wù)、工藝流程、路徑規劃與控制參數，實(shí)時(shí)優(yōu)化裝配流程和機器人任務(wù)，并通過(guò)模塊化、高度靈活的控制網(wǎng)絡(luò )，驅動(dòng)模塊化機械結構自適應重組，使生產(chǎn)系統具有模塊化、物聯(lián)化和智能化特征，運營(yíng)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(guò)加強制造業(yè)ICT系統和OT系統之間的靈活交互，推動(dòng)智能制造的實(shí)現。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年8月刊