吳燁琪

摘 要 在國家智能制造的產(chǎn)業(yè)大背景下，作者對物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)進行研究，提出了基于工業(yè)信息安全、無線網(wǎng)絡(luò)、機器人、圖像智能識別、大數(shù)據(jù)、設(shè)備遠程在線診斷等技術(shù)，助力現(xiàn)代化工廠園區(qū)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(gòu)建這類型集生產(chǎn)、運營、決策、管理和運維于一體的智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)進行了實踐。

關(guān)鍵詞 智慧園區(qū);智能制造;物聯(lián)網(wǎng);5G

引言

為加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，2016年5月國務(wù)院發(fā)布了中國政府實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)《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(jīng)濟增長動力，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競爭制高點。

伴隨著以5G為代表信息化新技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的應用也將助力生產(chǎn)制造企業(yè)，改變落后的管理和經(jīng)營模式，實現(xiàn)實時、可視、互聯(lián)、智能的管理，合理分配物料、節(jié)約企業(yè)資源，融合制造與環(huán)保、排放和新能源利用，形成生態(tài)工廠，對設(shè)備全生命周期實現(xiàn)全方位管控和預防性維護，重視能源管理，建立系統(tǒng)平臺，打破信息孤島，實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。

1 應用技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

典型的智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)包括三層，即基礎(chǔ)層、訪問層、應用程序?qū)印?/p>

（1）基礎(chǔ)層。主要包括不同類型的智能設(shè)備和信息化、智能化系統(tǒng)，例如用于訪問生產(chǎn)控制的子系統(tǒng)，用于園區(qū)各類型業(yè)務(wù)管理的子系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線直接管理的MES智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、用于精細化制造管理的Andon電子看板管理系統(tǒng)、用于生產(chǎn)調(diào)度的指揮和會議會商管理系統(tǒng)、用于園區(qū)消防、用于空調(diào)管理和照明管理的設(shè)備管理系統(tǒng)、甚至用于園區(qū)安全的安防和訪客管理系統(tǒng)等等。這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層的各類信息化系統(tǒng)為工廠園區(qū)智慧化運行和管理提供基礎(chǔ)支持。

（2）接入層。接入層是應用程序?qū)雍突A(chǔ)層之間的一層，它的主要功能是基于計算機網(wǎng)絡(luò)、各類IOT物聯(lián)網(wǎng)、5G等通訊方式，提供下層協(xié)議定制，跨系統(tǒng)鏈接和鏈接控制。

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

1.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

網(wǎng)絡(luò)通信是所有信息數(shù)據(jù)交互的重要紐帶。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知周圍，進行數(shù)據(jù)通信不可替代的核心技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可分為有線通信、無線通信如5G、WIFI6、ZigBee、Corba、藍牙等。設(shè)備與設(shè)備之間的M2M通信是物聯(lián)網(wǎng)高效運行的基礎(chǔ)，包括設(shè)備和用戶、用戶和系統(tǒng)、系統(tǒng)和設(shè)備、設(shè)備和設(shè)備之間的連接和通信。

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)提供了一條流暢的通道，使得智能制造生態(tài)互聯(lián)大數(shù)據(jù)得以應用，通過全過程品質(zhì)數(shù)據(jù)追蹤、信息反饋及品質(zhì)解析，實現(xiàn)質(zhì)量風險全面預防性管理。

如上圖所示，通過生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)WIFI6和5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為實現(xiàn)生產(chǎn)線機器人、智能預警/巡檢/報修/視頻對講系統(tǒng)、無紙化pad、VR/AR技術(shù)應用、MES系統(tǒng)應用云部署、UWB定位等智慧工廠應用場景，提供穩(wěn)定、低延時無線高速傳輸和云端存儲傳輸和技術(shù)實現(xiàn)。例如采用云服務(wù)器，把MES系統(tǒng)應用程序和數(shù)據(jù)庫部署在云端，通過在終端設(shè)備增加5G模塊或通過集中的交互設(shè)備，進行數(shù)據(jù)傳送，通過云PLC方式將計劃下發(fā)到生產(chǎn)線，為定制化、個性化生產(chǎn)和服務(wù)提供技術(shù)可能[1]。

2 智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)案例的分析和實踐

2.1 整體設(shè)計規(guī)劃

智慧園區(qū)是實現(xiàn)工廠融合管理的核心工程，通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)從監(jiān)測-預警-決策-行動的閉環(huán)。

智慧園區(qū)建設(shè)目標：管理高效、全局掌控、數(shù)據(jù)智能、業(yè)務(wù)協(xié)同。智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)總體規(guī)劃如下圖所示：

智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括三維可視化管理平臺、綜合應用管理平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺。公司總部可通過統(tǒng)一的智慧園區(qū)平臺對各廠區(qū)進行統(tǒng)一管控，實現(xiàn)全廠區(qū)、跨業(yè)務(wù)部門、甚至跨地區(qū)（不同廠區(qū)間）智能化管理，實現(xiàn)總部統(tǒng)一管控、本地業(yè)務(wù)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(tǒng)將多源數(shù)據(jù)通過圖、表、三維建模等形式支撐工廠運營管理調(diào)度指揮的可視化展示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)指標的可視化呈現(xiàn)及二、三維場景的交互聯(lián)動功能。在園區(qū)可視化駕駛艙，實現(xiàn)園區(qū)管理可視化、服務(wù)可視化、運營可視化，實現(xiàn)指標數(shù)據(jù)在大屏的呈現(xiàn)，并且對指標進行提取、融合并導向分析，實時數(shù)據(jù)動態(tài)刷新。

另外，還能在可視化駕駛艙快速切換調(diào)取能源監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理信息如MES、QMS、SAP、LES、設(shè)備管理系統(tǒng)等，解決傳統(tǒng)車企生產(chǎn)管控中生產(chǎn)信息封閉、車間聯(lián)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(wù)、數(shù)據(jù)、應用于一體，以打破平臺（臺）、地域與系統(tǒng)邊界（邊），設(shè)備前端（端）的限制，消滅信息孤島，打通業(yè)務(wù)流，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)字化全連接協(xié)同。主要包括服務(wù)連接、消息連接、數(shù)據(jù)連接能力，整合綜合安防、便捷通行、園區(qū)管理、園區(qū)服務(wù)四大塊內(nèi)容。

物聯(lián)網(wǎng)平臺為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下滿足連接海量設(shè)備，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云;向上提供云端API，指令數(shù)據(jù)通過API調(diào)用下發(fā)至設(shè)備端，實現(xiàn)遠程控制。此外，物聯(lián)網(wǎng)平臺具備設(shè)備管理、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等能力，為各類IoT場景和應用提供基礎(chǔ)支撐。

另外，為了更好地挖掘園區(qū)數(shù)據(jù)價值，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)為未來園區(qū)及應用建立打好基礎(chǔ)，項目還構(gòu)建了園區(qū)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺。數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺是集合了數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算以及數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)可視化的綜合管理體系。通過專有云的部署，實現(xiàn)對智慧園區(qū)各類數(shù)據(jù)的接入和管理。借助數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺大規(guī)模數(shù)據(jù)處理服務(wù)，為智慧園區(qū)提供海量數(shù)據(jù)的高效存儲、計算和分析能力，打通信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值深挖。

MES系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)字化、全智能智慧工廠、智能制造的關(guān)鍵系統(tǒng)。在技術(shù)層面利用園區(qū)信息系統(tǒng)平臺建立與ERP，PLM，BOM，SRM，CRM，QMS，DMS等系統(tǒng)的全方位互通互聯(lián)，在業(yè)務(wù)層面實現(xiàn)由設(shè)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(chǎn)體系。

視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)通過SDK開發(fā)包，與平臺進行交互。MES系統(tǒng)通過平臺調(diào)用生產(chǎn)線監(jiān)控攝像機圖像，可實時監(jiān)看生產(chǎn)線情況，還可聯(lián)動Andon系統(tǒng)，一旦有Andon呼叫，可直接在相應車間的MES監(jiān)控電腦和園區(qū)生產(chǎn)指揮中心調(diào)看到生產(chǎn)線工位的監(jiān)控圖像。另外，通過MES給出的車身碼和關(guān)鍵工藝的時間點，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過時間和車身碼來將截取好的視頻發(fā)給營銷端服務(wù)器，并且依據(jù)車身碼建立視頻檔案[2]。

通過平臺整合，還將視頻安防監(jiān)控與消防報警、防盜報警、門禁報警等多系統(tǒng)協(xié)同，報警發(fā)生時，在3D可視化界面上可自動彈出相關(guān)報警信息，并顯示相關(guān)區(qū)域視頻畫面，系統(tǒng)還可聯(lián)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(qū)布設(shè)的WIFI6基站，實現(xiàn)低延時高帶寬的基礎(chǔ)智慧平臺信息采集和遠程控制：

平臺對設(shè)備可進行直接控制，采用專線、雙向鑒權(quán)、實時認證等機制保障數(shù)據(jù)傳輸安全。

2.3 基礎(chǔ)建設(shè)

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

在對整個智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)總體設(shè)計方向確定后，需要根據(jù)建設(shè)功能規(guī)劃，構(gòu)建各基礎(chǔ)應用子系統(tǒng)，包含MES智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、Andon電子看板管理系統(tǒng)、采用CAT6A標準的綜合布線系統(tǒng)、10G標準的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、WIFI6標準的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、運營商5G廠區(qū)全覆蓋、全數(shù)字無線對講內(nèi)通系統(tǒng)、語音通話系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、訪客管理系統(tǒng)、電梯控制管理系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、周界防范系統(tǒng)、電子巡查系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度的指揮和會議會商管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能應用系統(tǒng)、機房工程、綜合管網(wǎng)系統(tǒng)，共計25個子系統(tǒng)。

在各子系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)時需結(jié)合生產(chǎn)線要求，例如物流區(qū)監(jiān)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(wǎng)絡(luò)支持。AGV小車已成為現(xiàn)下工廠中必不可少的物流運輸設(shè)備。但由于工廠多為鋼結(jié)構(gòu)，且環(huán)境電磁干擾較強，因此AGV小車對網(wǎng)絡(luò)通信有很高的要求，對接入?yún)f(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全認證、網(wǎng)絡(luò)運行頻段、無線信道、無線網(wǎng)絡(luò)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(yè)網(wǎng)全覆蓋，以及監(jiān)控實時視頻分析等等輔助信息手段，可以在網(wǎng)絡(luò)切換的時候，利用平臺進行設(shè)備配置信息、數(shù)據(jù)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(gòu)的智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)可視化管理平臺、綜合應用管控平臺和物聯(lián)網(wǎng)平臺已建成，同時也與工廠園區(qū)能源監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)如MES、QMS、LES、ERP等進行了數(shù)據(jù)采集和控制，實施情況良好并通過用戶技術(shù)評審小組的功能驗收[3]。

3 結(jié)束語

該類型智慧工廠園區(qū)信息系統(tǒng)的建設(shè)解決了園區(qū)中信息溝通不暢，資源浪費、信息孤島等問題，從而實現(xiàn)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(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)如MES、ERP、LES、QMS等，為今后大量生產(chǎn)型企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級提供了發(fā)展的可能，將傳統(tǒng)的制造業(yè)變成一個可定制化的、有思想的智慧工廠為基礎(chǔ)的智能制造業(yè)，以實際行動踐行了國家的制造強國戰(zhàn)略。

參考文獻

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[2] 來慶濤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧園區(qū)信息系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)及應用[J].數(shù)字化用戶，2017，23（22）：135.