智能制造物联与信息物理融合系统(1307)

智能制造物联与信息物理融合系统摘要：本文在介绍制造物联发展机遇基础上，分析其存在特性和面临的挑战，结合其生产流程，设计了一种智能制造物联系统架构，提出了一套实现智能制造物联信息可靠感知，实时数据传输，海量数据处理的关键技术体系和实现方案，并通过在智能制造物联中引入信息物理融合系统，实现了智能制造物联的生产全流程的精确控制和智能服务功能，使制造业生产朝着精益化、智能化、服务化方向发展。文章最后以团队中从事过一个项目为案例，结合上述方法和技术，对项目实现过程进行说明。关键词:制造业；物联网；信息物理融合系统中图分类号TP393.04文献标识码AInternetofThingsforSmartManufacturingandCyber-physicalSystemsAbstract：ThispaperdesignsthesystemarchitectureofsmartInternetofThingsformanufacturingandproposesasetofkeytechnologysystemandtherealizationmethodofdependablesensing,real-timedatatransmission,mass-dataprocessingforInternetofThingsformanufacturing,combinedwiththeproductionprocessbasedontheanalysisaboutchallengesanddevelopmentopportunitiesfacedforInternetofThingsformanufacturing.InordertoachieveaccuratecontrolandintelligenceservicesforInternetofThingsformanufacturing,ItintroducesCyber-physicalSystems(CPS)inthispaper,Movingthemanufacturingtowardthedirectionofthelean,intelligent,service-oriented.Atlast,thearticlebrieflydescribestherealizationofaprojectwithmethodsandtechnologiesdescribedaboveinourteams.Keywords:Manufacturing;InternetofThings;Cyber-physicalsystems1引言制造业是国民经济的重要支柱产业,是经济社会发展的重要依托。随着科技进步，全球经济一体化和信息技术的飞速发展，全球制造业正向全球化、精益化、协同化、服务化、绿色化、智能化方向发展，全球制造业的制造模式和市场竞争格局也正在发生深刻的变化。这给我国制造业特别是离散制造业的环境带来深刻的变革，使制造企业面临着严峻挑战。我国是制造大国,也是全球制造业基地，拥有高端装备制造、机械加工、电子元器件制造、汽车、服装、家具、五金、医疗设备、玩具等重要制造行业。劳动力密集，多批次，多品种，多批量，混线生产，工艺过程复杂是离散制造业生产过程的基本特征。制造业全球化的发展，制造模式和市场竞争格局的变化，使得我国制造业特别是离散制造业中存在劳动力成本过高、生产效率偏低、能耗较大、服务水平相对落后等问题开始突显出来，严重影响我国制造企业的市场竞争力和影响力。国家鼓励产业转移、升级给制造业注入了新的活力，但制造企业在生产与管理革新上遇到重大困难，制造企业面临着非常复杂程度信息流采集，传输，处理问题。以制造过程中相对复杂的离散制造业为例，比如：某服装企业在服装生产缝制车间，拥有30条生产线，每天每条生产线的管理员需要处理400个随工单，同时单条生产线上有员工40余人，仅缝制车间员工计件统计一项，就需要处理480,000条信息，而服装生产还包含剪裁、水洗、熨烫等多道工序，目前所有信息基本依靠人工统计与处理；某制造企业在船舶制造装配过程中，涉及的各种装置、设备非常繁杂，其主要装置类别就有主机装置、辅机装置、甲板机械、舾装设备、通信导航设备、通用机械设备、船用材料、安全救生设备等等，不同类型船舶所需的具体装置也会有所不同，这就导致船舶制造装配过程异常复杂，而目前整个制造装配过程的管控也基本依靠人力。另外，制造业复杂链条包含从原材料采购、生产制造、仓储、物流与终端服务等各个环节，而这些环节通常具有较广的地域分布，也使得信息获取比较困难。目前各类离散制造企业难以实时准确掌握实际生产过程的复杂信息流，这严重影响制造企业的生产管理与控制水平，进而造成较高生产劳动力成本、能耗，其生产效率与服务水平也难以提升。为解决上述问题，智能制造物联作一种新的技术需求便应运而生。智能制造物联网技术是物联网技术在制造业领域深化应用的产物，是一种涉及通信、计算机、机械，自动化、工业管理、智能决策等多个学科的理论、方法和模型的技术。它涵盖了信息感知识别、网络通信、处理应用等各层面技术，涉及工业智能传感器、RFID标签、RFID读写器、工业测控网络、智能终端、中间件和信息服务平台等相关软硬件产品。它突破现有制造系统在信息获取、控制、人机交互和管理方面的集成度差，协同能力弱的局限，并通过制造环境下感知设备（RFID、传感器等）的分布式协同提高制造系统的性能，大幅提高制造效率和产品质量，创新企业运作模式和业务流程、降低产品成本和资源消耗，为用户提供更加透明化和个性化的服务，并将支撑制造业向人机和谐的智能制造方向发展，是推动制造业精益化、协同化，绿色化发展的有效手段。智能制造业物联网通过突破制约制造物联技术一些关键问题，可以有效解决制造业生产过程复杂信息流实时可靠采集，传输和处理的问题，实现智能制造的一些关键功能。但是智能制造物联网还不能实现制造生产过程的管控，需引入信息物理融合系统，实现对制造生产过程精准控制和智能服务，从而催生智能制造业向精益化，协同化，绿色化，智能化，服务化方向发展,实现我国制造企业从加工、装配等制造业价值链的中低端向价值链高端发展。本文主要从制造物联网结构和生产过程入手，聚焦制造物联发展过程中面临的新需求和挑战，结合物联网技术和信息技术等，提出一种智能制造物联系统参考体系构架和实现方案，并在其基础上引入信息物理融合系统，实现对智能制造流程的精确控制和智能服务，以提升智能制造物联的感知可靠性、传输实时性、处理海量性，控制精准性，服务智能性，以确保制造执行过程的高效、健康运行。文章的组织结构安排如下：文章的第二部分主要介绍制造物联的网络特性及面临挑战；第三部分主要介绍智能制造物联的体系结构；第四部分介绍智能制造物联涉及的关键技术及实现。第五部分介绍智能制造物联中引入的信息物理融合系统；第六部分介绍面向智能制造物联中信息物理融合系统涉及的关键技术及实现；第七部分以本团队从事一个项目为案例子，结合上述技术，具体说明该项目的实现过程；第八部分是文章小结。2制造物联网特性及面临挑战由于目前制造企业本身存在特殊性：应用场景复杂，缺乏相应的标准、规范以及与制造业相关的技术支撑，严重制约了制造物联的大规模的应用，制造物联的发展面临着许多重大挑战。通过对一些典型离散制造企业的调研和相关制造生产项目实施的实践过程，发现了制造物联存在着如下一些特性和面临着如下一些挑战：(一)环境特性：相比其它行业应用环境，制造业有着比较恶劣和苛刻应用环境特性。主要表现为：（1）多源干扰性：制造物联中存在强电磁、金属介质、多障碍物、高温、高湿、强震动等干扰；（2）混杂动态性：制造物联中存在生产环境动态变化、制造资源快速流动等混杂变化；（3）混杂动态性：制造业中存在生产环境动态变化、制造资源快速流动。上述环境特征造成制造物联中（1）感知节点造成不可用；（2）感知对象不可达；（3）动态对象不可跟，给制造业生产复杂运行状态的可靠状态感知以及工艺过程中数据感知实现带来巨大困难。所以如何在异构混杂制造物联环境中研究一种可以实现数据可靠感知的策略成为我们当前研究一个主要问题。(二)网络特性：相比其它行业应用网络环境，制造物联网络有着自己独特网络特性。具体可表现为：（1）大尺度多跳：制造物联中网络覆盖制造业全流程；（2）高度异构：制造物联中有线，无线同路并存，各类传输，驱动执行节点并存；（3）动态拓扑：制造物联中感知节点随部署对象动态移动、信道可用性动态变化等。上述网络特性给制造业物联网的实时可靠传输带了巨大困难：（1）链路稳定性难以保障；（2）端到端延迟难以预测；（3）异构网络难以协同；（4）网络实时状态难以认知；（5）数据传输带宽难以满足。加上制造物联中网络资源受限、拓扑动态与环境苛刻、网络混杂等限制，导致制造物联中数据传输的实时性、可靠性与准确性受到严重影响。因此如何在大尺度异构动态网络的制造物联环境下研究一种数据实时可靠传输机制成为我们当前研究一个重要方向。(三)数据特性：制造物联中数据存在着如下特性：(1)海量多源性：制造物联中RFID、传感器等自动快速产生的数据流;(2)高时空关联性：制造物联中移动对象连续感知、不同对象相互关联;(3)强不确定性：制造物联外部干扰导致误感、漏感、丢包等。上述数据特性导致了制造物联中面临着海量动态数据流(1)难以及时处理；(2)多样性业务数据难以智能区分；(3)数据关联特性难以准确描述；(4)不确定数据难以直接使用。加上制造物联规模非常宏大，生产过程存在广泛时空性，网络数据传输存在动态时延性，使得制造物联中海量数据处理十分困难。所以在制造物联的环境中，如何去研究出一种可以海量处理多源动态数据流的智能方法，成为我们当前关注的一个热点问题。(四)控制特性：制造业的控制特性存在如下一些特性：(1)多源干忧性：制造物联中控制易受网络的时延、包丢失和噪音干扰等因素影响;(2)多样性：制造物联中受控对象繁杂，过程多样，状态变化无常，控制种类繁多;(3)复杂性：制造物联中服务内容丰富，结构复杂，控制功能齐全。上述控制特性导致了导致现有工业控制方法不适合智能制造物联中生产流程控制。现有制造物联中控制面临着控制范围窄；控制对象单一，控制精度不高；控制效果不显著挑战。所以，如何在智能制造物联中去实现一种制造业生产流程的精确控制方法，成为我们当前关注热点问题。(五)服务特性：制造业下服务特征主要表现如下：(1)多样性：智能制造物联中服务要求内容多样性，功能复杂性，表现形式各异；(2)低时滞性：智能制造物联中服务要求有短的响应时间；（3）大规模性：要求适用于制造物联中不同领域，对象和生产过程。上述服务特征导致了导致目前现有工业系统提供服务难于直接应用智能制造物联。智能制造物联中面临着服务功能不可靠；服务内容不可信，服务效果不显著挑战。所以如何在智能制造物联中去提供智能服务成为摆在我们当前关注的一个主要问题。3智能制造物联的体系构架3．1智能制造业物联网系统智能制造物联是将网络、嵌入式、RFID、传感器及执行器等电子信息技术与制造技术相融合，实现对产品设计、制造与服务过程中制造资源与信息资源的动态感知、智能处理与优化控制的一种新型的制造模式和信息服务模式。它通过在以感知、通信、互联为特征的制造业物联网技术上，引入信息物理融合系统，实现提高人与物理世界交互的能力，大大提高制造系统的性能，大幅提高制造效率和产品质量，创新企业运作模式和业务流程、降低产品成本和资源消耗，为用户提供更加透明化和个性化的服务，给制造业带来革命性的影响同时，推动制造业朝着精益化、智能化、服务化方向发展。与当前已有制造业执行系统相比，我们所提智能制造业物联网核心目标在强调在对复杂制造业系统可靠感知的基础上，实现对其物理过程进行精确控制。通过以精确的过程控制获取到可靠信息，以实时高效传输手段传输数据，以智能快速方式处理获取海量数据，以高精度快响应方法提供精准反馈控制，并在科学的决策支持下对制造生产过程进行服务和管理。它通过将分布在物理制造资源中对象可靠感知技术，数据实