于海斌+王鵬+曾鵬

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-6868 （2017） 03-0062-005

摘要：認(rèn)為當(dāng)前亟需泛在信息制造技術(shù)，使生產(chǎn)制造過程在廣度上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在深度上實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的融合。為此，提出了一種泛在信息化智能制造系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)群，實(shí)現(xiàn)制造資源的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)，信息資源的語義化表達(dá)和制造服務(wù)的自組織運(yùn)行。此外，還指出如何實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)流的混合傳輸，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)信息的集成與互操作，以及如何面向復(fù)雜時(shí)空關(guān)系建立抽象模型，是需要解決的挑戰(zhàn)性問題。

關(guān)鍵詞： 智能制造；網(wǎng)絡(luò)化制造；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；信息物理融合系統(tǒng)；服務(wù)化

Abstract： In this paper， we consider that ubiquitous information manufacturing technology is needed to realize interconnection in the extent， and achieve integration of cyber space and physical space in the depth. Therefore， a ubiquitously information-based smart manufacturing system and its related enabling technologies are proposed. In this way， manufacturing resources are networked， information resources are semantically described and manufacturing services are self-organized. More challenge problems are also pointed out， such as how to transport mixed data flow， how to integrate and interoperate heterogeneous information， and how to build the abstract model facing the complex space-time relationship.

Key words： smart manufacturing； networked manufacturing； industrial control network； cyber-physical systems； service oriented

制造業(yè)經(jīng)歷多年發(fā)展，企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)分工日趨明確，總體上可以劃分為兩大領(lǐng)域，即縱向生產(chǎn)管理控制和橫向產(chǎn)品生命周期管理。根據(jù)ANSI/ISA 65[1]和IEC 62264-3[2]的定義，縱向生產(chǎn)管理控制可以概括為3個(gè)層次：經(jīng)營決策、計(jì)劃調(diào)度和生產(chǎn)控制；橫向產(chǎn)品生命周期涉及4個(gè)領(lǐng)域：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、生產(chǎn)運(yùn)行和產(chǎn)品服務(wù)。隨著自動化、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述不同領(lǐng)域和層次逐漸形成了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS），以及包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（CAX）；網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)現(xiàn)場設(shè)備、控制器、傳感器的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，以及企業(yè)管理所需的以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等[3]。

然而，種類繁多的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)造成了以下兩方面問題：

（1）在廣度上，部分網(wǎng)絡(luò)雖然實(shí)現(xiàn)了少數(shù)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，但是企業(yè)內(nèi)部仍然存在大量信息孤島，受時(shí)間、空間的限制，人與人、系統(tǒng)與系統(tǒng)、人與系統(tǒng)之間還無法建立起廣泛的互聯(lián)，信息無法在企業(yè)內(nèi)部高效地流轉(zhuǎn)；

（2）在深度上，數(shù)字化制造的發(fā)展，雖然初步形成了信息空間的概念，但是信息空間還未能實(shí)現(xiàn)與物理制造空間的深度融合，無法根據(jù)物理空間的需求，主動提供數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)。

綜上所述，當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)亟需廣泛、深度互聯(lián)的基礎(chǔ)，縱向上打破系統(tǒng)之間的壁壘，橫向上打通信息與物理的隔閡，實(shí)現(xiàn)跨層次、跨領(lǐng)域的業(yè)務(wù)集成，提高制造業(yè)企業(yè)的運(yùn)行效率和敏捷性。

與此同時(shí)，隨著芯片制造、無線寬帶、射頻識別、信息傳感及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等信息通信技術(shù)（ICT）的發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)已更加全面、深入地融合人與人、人與物，乃至物與物之間的現(xiàn)實(shí)物理空間與抽象信息空間，并向無所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)[4]。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，泛在網(wǎng)絡(luò)是指在預(yù)訂服務(wù)的情況下，個(gè)人和/或設(shè)備無論何時(shí)、何地、何種方式以最少的技術(shù)限制接入到服務(wù)和通信的能力[5]。泛在網(wǎng)絡(luò)可以將信息空間與物理空間深度融合，其服務(wù)能夠以無所不在、無所不包、無所不能的方式，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間、地點(diǎn)，任意的人、物都能順暢地通信，獲得個(gè)性化的信息服務(wù)。

顯然，泛在網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理念、技術(shù)和方法有助于解決制造業(yè)當(dāng)前面臨的問題。正是在這種背景下，有學(xué)者提出了泛在信息制造技術(shù)的概念：泛在信息制造技術(shù)是以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以泛在感知為核心，以泛在服務(wù)為目的，并以泛在智能拓展和提升為目標(biāo)的綜合性、一體化的信息處理技術(shù)[6]。

泛在信息制造技術(shù)為解決制造業(yè)當(dāng)前面臨的問題提供了全新的思路和手段：將物理制造空間中跨層次、跨領(lǐng)域的物理制造資源映射到信息空間，從廣度上打破信息壁壘，實(shí)現(xiàn)人、制造設(shè)備、生產(chǎn)過程的泛在互聯(lián)互通；在深度上實(shí)現(xiàn)制造信息空間與物理空間的深度融合，按需提供主動的智能制造服務(wù)。因此，泛在信息制造技術(shù)的提出符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢和產(chǎn)業(yè)需求。

1 泛在信息化智能制造

系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)泛在信息制造技術(shù)的內(nèi)涵，基于該技術(shù)的泛在信息化智能制造系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)要滿足以下3方面的功能需求。

（1）制造實(shí)體網(wǎng)絡(luò)化：分布式物理資源接入、數(shù)據(jù)感知和信息傳輸，要求系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)化能力；

（2）信息資源模型化、語義化：多尺度、異構(gòu)虛擬資源的統(tǒng)一組織，要求虛擬資源的形式是模型化的，并且具備豐富的語義；

（3）制造能力服務(wù)化：支持多種應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)作式運(yùn)行，需要系統(tǒng)為不同的業(yè)務(wù)提供核心服務(wù)。

為此提出了如圖1所示的泛在信息化智能制造系統(tǒng)的4層架構(gòu)，包括：泛在化感知層、全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)層、語義化信息集成層和服務(wù)化制造應(yīng)用層。

首先，網(wǎng)絡(luò)化是泛在信息化制造系統(tǒng)的本質(zhì)特征。針對制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的特殊需求提出了兩層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中泛在化感知層實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)過程密切相關(guān)的現(xiàn)場物理資源泛在接入、感知，在此之上全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)層使現(xiàn)場級傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)與企業(yè)級管理網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)扁平化、對等化互聯(lián)。

其次，模型化是信息空間的虛擬信息資源統(tǒng)一組織的必要形式，語義化是異構(gòu)模型能夠跨層次、跨領(lǐng)域集成的核心。一方面，模型化是信息資源集中組織的有效手段；另一方面，語義化是模型能夠進(jìn)行跨層次、跨領(lǐng)域異構(gòu)集成的核心。針對這種需求提出了語義化信息集成層，基于模型化和語義化手段，實(shí)現(xiàn)跨層次、跨領(lǐng)域虛擬信息資源的統(tǒng)一組織、集成和管理。

最后，服務(wù)化是制造物理空間與虛擬信息空間實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)手段。制造服務(wù)聚集在信息空間根據(jù)具體業(yè)務(wù)特點(diǎn)，按需進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)制造應(yīng)用的動態(tài)自組織。因此，針對系統(tǒng)服務(wù)化的需求提出了服務(wù)化制造應(yīng)用層，為具體的制造應(yīng)用業(yè)務(wù)運(yùn)行提供核心服務(wù)。

2 泛在信息化智能制造

系統(tǒng)的支撐技術(shù)群

圖1所示的泛在信息化智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)需要相應(yīng)技術(shù)群才能支撐其系統(tǒng)特征。本節(jié)分別總結(jié)了各層相應(yīng)的技術(shù)群。

2.1 面向泛在化感知的無線傳感網(wǎng)

技術(shù)群

面向泛在化感知的無線傳感網(wǎng)技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場傳感器、控制器、生產(chǎn)設(shè)備接入、感知和控制的一系列無線傳感技術(shù)[7]。作為泛在信息化制造系統(tǒng)中虛擬信息空間與物理制造空間的接口，該技術(shù)群一方面從物理制造空間獲取數(shù)據(jù)并映射入信息空間；另一方面接收信息空間的指令，完成對物理制造過程的控制。如圖2所示，該技術(shù)群具體包括兩方面：物理資源接入技術(shù)[8]和物理過程感知技術(shù)[9]。在資源接入方面，包括面向多種協(xié)議的物理資源即插即用技術(shù)，即根據(jù)協(xié)議類型、設(shè)備類別、生產(chǎn)流程等信息動態(tài)適配多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為資源構(gòu)建邏輯鏈路，滿足其通信關(guān)系。在感知方面的主要支撐技術(shù)包括智能傳感器技術(shù)[10]和以無線射頻識別（RFID）為代表的智能識別技術(shù)[11]等。

在無線傳感網(wǎng)技術(shù)的支撐下，工業(yè)現(xiàn)場的信息泛在化感知和設(shè)備可移動運(yùn)行促進(jìn)信息流轉(zhuǎn)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和信息—物融合深度。此外，無線傳感網(wǎng)模塊化、可重構(gòu)、即插即用等特點(diǎn)，能夠最大限度滿足底層系統(tǒng)對可組合性的需求，實(shí)現(xiàn)協(xié)作運(yùn)行。

2.2 面向全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與

傳輸技術(shù)群

面向全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與傳輸技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)工廠全覆蓋，管理和控制業(yè)務(wù)混流傳輸，并提供安全可靠保障的一系列組網(wǎng)與傳輸技術(shù)。作為泛在信息化制造系統(tǒng)中完成網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)的核心，該技術(shù)群基于互聯(lián)網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議（TCP）/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對工廠管理網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面互聯(lián)，并與互聯(lián)網(wǎng)集成，實(shí)現(xiàn)無縫信息傳輸。如圖3所示，該技術(shù)群的組成主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對當(dāng)前現(xiàn)場傳感網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)采用的專用傳輸協(xié)議的IP化設(shè)計(jì)[12]，具體包括針對嵌入式設(shè)備的IP 協(xié)議裁剪技術(shù)、針對嵌入式設(shè)備的低開銷IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)、面向完整和裁剪后IP 的多協(xié)議適配和轉(zhuǎn)換技術(shù)和輕量級IP 設(shè)備的管理與維護(hù)技術(shù)；二是信息流混合傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障技術(shù)[13]，具體包括面向扁平網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流交換傳輸技術(shù)、面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源動態(tài)認(rèn)知與管理技術(shù)和面向混合業(yè)務(wù)流的流量控制技術(shù)。

上述技術(shù)群通過IP化手段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化，同時(shí)提供混合傳輸保障機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)的按需服務(wù)。

2.3 面向時(shí)空動態(tài)制造信息資源的

語義化集成技術(shù)群

面向時(shí)空動態(tài)制造信息資源的語義化集成技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)制造業(yè)中跨層次、跨領(lǐng)域的海量、異構(gòu)信息資源語義化描述、存儲、集成、組織與管理的一系列技術(shù)群[14]。如圖4所示，該技術(shù)群主要包括3個(gè)方面。首先，底層網(wǎng)絡(luò)中信息資源如原始數(shù)據(jù)等，其質(zhì)量不高，存在大量錯誤、不完整或多余的原始數(shù)據(jù)。因此，需要采用數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、過濾技術(shù)、壓縮技術(shù)和消冗技術(shù)等，處理質(zhì)量較差的原始信息資源，保證其正確性[15]。其次，泛在信息化制造系統(tǒng)中大量跨層次、跨領(lǐng)域信息資源不具備統(tǒng)一的格式。因此，采用數(shù)據(jù)建模等語法轉(zhuǎn)換技術(shù)對多種語法格式的信息資源進(jìn)行規(guī)范化處理，保證信息的語法一致性[16]。最后，異構(gòu)信息資源只有具備統(tǒng)一的語義，才能實(shí)現(xiàn)語義級互操作性，直接被跨層次、跨領(lǐng)域的應(yīng)用業(yè)務(wù)訪問和使用[17]。因此，采用語義轉(zhuǎn)換技術(shù)，對模型化后的信息資源進(jìn)行語義標(biāo)注，構(gòu)建統(tǒng)一的語義模型。

在上述技術(shù)群支撐下，跨層次、跨領(lǐng)域的虛擬信息資源實(shí)現(xiàn)了模型化、語義化組織與管理，在統(tǒng)一層面上根據(jù)上層應(yīng)用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，為其提供所需的信息資源。

2.4 面向制造業(yè)務(wù)的服務(wù)化技術(shù)群

面向制造業(yè)務(wù)的服務(wù)化技術(shù)群是指一系列實(shí)現(xiàn)物理/虛擬資源服務(wù)化封裝、注冊、查詢、組合、部署與管理的技術(shù)，以模塊化、服務(wù)化的模式，完成制造應(yīng)用的動態(tài)自組織[18]。如圖5所示，該技術(shù)群主要分為3類：一是服務(wù)的封裝和注冊技術(shù)，是指采用服務(wù)化和虛擬化手段，將各種資源進(jìn)行服務(wù)化封裝，并在服務(wù)庫中完成注冊[19]；二是服務(wù)的查詢與組合技術(shù)，是指根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求，在服務(wù)庫中查找合適的服務(wù)，并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行組合[20]；三是服務(wù)的部署與管理技術(shù)，是指將服務(wù)部署到具體的軟硬件資源上，并根據(jù)具體的業(yè)務(wù)要求對服務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)測、控制與調(diào)度，滿足共享資源上不同業(yè)務(wù)的運(yùn)行要求。服務(wù)化首先將軟、硬件資源抽象為簡單的計(jì)算、存儲、傳輸?shù)然痉?wù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)服務(wù)的組合規(guī)則，將基本服務(wù)組合為復(fù)雜的諸如加工、控制、監(jiān)測、診斷、設(shè)計(jì)等服務(wù)，并且在面向具體業(yè)務(wù)實(shí)例化之后，可以滿足不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

正是在服務(wù)化的這種特性支撐下，系統(tǒng)能夠以開放的、可擴(kuò)展的方式集成多種服務(wù)。并且能夠隨著業(yè)務(wù)的需求變化動態(tài)組織相應(yīng)的服務(wù)，使得系統(tǒng)功能具備可演進(jìn)性。

3 實(shí)現(xiàn)泛在信息化制造

面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 異構(gòu)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多流混合

傳輸?shù)穆窂揭?guī)劃與流量控制

泛在信息化制造系統(tǒng)的全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基于IP將傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)、管理網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成扁平化的異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制、管理和知識流的混合傳輸，但控制流傳輸需要保障實(shí)時(shí)性、可靠性，管理流和知識流傳輸需要保障吞吐量和帶寬利用率，管理人員的移動性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜椭R流的傳播具有很強(qiáng)的動態(tài)性。

綜上所述，針對控制、管理和知識流不同的應(yīng)用需求和負(fù)載特征，同時(shí)考慮工業(yè)物理網(wǎng)異構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，構(gòu)建針對時(shí)延、可靠性、能耗、帶寬利用率等混合關(guān)鍵性指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略和控制方法，是泛在信息化制造所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

3.2 工業(yè)多維、異構(gòu)信息資源的集成

與互操作

泛在信息化制造需要構(gòu)建跨域、跨層的統(tǒng)一信息資源組織與管理體系，但設(shè)計(jì)域，實(shí)施域，運(yùn)行域，維護(hù)域涉及多維異構(gòu)的信息資源。一方面信息格式不同，既有結(jié)構(gòu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制指令、設(shè)計(jì)模型等，也有非結(jié)構(gòu)化的聲音、圖像、文本等信息；另一方面是信息的含義不同，各領(lǐng)域涵蓋了多個(gè)學(xué)科，包括物理、化學(xué)等工藝知識，熱學(xué)、力學(xué)等結(jié)構(gòu)知識和電子、電氣等自動化知識。因此，如何構(gòu)建可集成、互操作的統(tǒng)一信息模型是泛在信息化制造面臨的又一技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.3 面向制造物理空間復(fù)雜時(shí)空

關(guān)系的抽象與建模

泛在信息化制造系統(tǒng)的關(guān)鍵是信息空間能夠準(zhǔn)確對物理空間進(jìn)行抽象與建模，以實(shí)現(xiàn)信息與物理的深度融合。制造物理空間生產(chǎn)過程具有明確的時(shí)間和空間特性，并且時(shí)空特性耦合性強(qiáng)，如描述流程工業(yè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程，通常采用動態(tài)偏微分方程來構(gòu)建相關(guān)的機(jī)理模型。而傳統(tǒng)意義上，信息空間的建模和抽象過程多面向離散事件以及解耦的多變量關(guān)系，顯然無法實(shí)現(xiàn)對制造物理空間連續(xù)物理過程的抽象和建模。因此，面對制造物理空間復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系，信息空間如何進(jìn)行描述、抽象和建模，是泛在信息化制造面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，在中國相繼推出“工業(yè)化信息化兩化融合”“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃、“中國制造2025”等一系列頂層設(shè)計(jì)方案的大背景下，無論是代表傳統(tǒng)力量的制造業(yè)，還是代表新興力量的互聯(lián)網(wǎng)界，都在積極探索中國制造的創(chuàng)新模式，如何尋找到符合中國特色的智能制造模式成為共同關(guān)注的焦點(diǎn)。泛在信息化制造正是在制造業(yè)內(nèi)部需求拉動，外部ICT使能技術(shù)推動的基礎(chǔ)上，提出的一種符合當(dāng)前技術(shù)、政策發(fā)展趨勢的智能制造創(chuàng)新模式，因此開展泛在信息化制造相關(guān)理論研究、技術(shù)攻關(guān)、工程研發(fā)與應(yīng)用推廣等方面的工作，有利于國家宏觀政策的落實(shí)，能夠切實(shí)推動中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型和自主創(chuàng)新等。

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