鄒波 侯小明 黃振林 劉寶岳

(和利時(shí)集團(tuán)，北京 100176)

0 引言

協(xié)同制造是制造企業(yè)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售、采購(gòu)、管理的一系列活動(dòng)的總稱(chēng)，是企業(yè)為迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)和全球化挑戰(zhàn)實(shí)施的以快速響應(yīng)市場(chǎng)需求和提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力為主要目標(biāo)的一種先進(jìn)制造模式[1]。由于協(xié)同制造活動(dòng)的企業(yè)在地域上是分散的，造成了制造信息的分布性；伴隨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)外部之間經(jīng)常快速集成重構(gòu)以適應(yīng)市場(chǎng)需求，不同企業(yè)有各自的加工制造特點(diǎn)，有不同的制造操作規(guī)范、編碼規(guī)范，從而造成制造信息的異構(gòu)性，這些為跨企業(yè)協(xié)同制造帶來(lái)了困難。

目前，標(biāo)識(shí)解析體系已經(jīng)應(yīng)用在物流供應(yīng)鏈中對(duì)物品進(jìn)行跟蹤和追溯，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高效的物流管理、提高食品藥品使用安全性等具有重要意義。標(biāo)識(shí)解析體系在部分工業(yè)場(chǎng)景中得到了一定程度的應(yīng)用，但主要停留在信息獲取層面的淺層次應(yīng)用，生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)共享仍然停留在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)一的系統(tǒng)集成階段，缺乏基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)支持[2]，異主、異地、異構(gòu)的互聯(lián)互通與互操作帶來(lái)的深度創(chuàng)新應(yīng)用還有待發(fā)展。

本文基于中國(guó)信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)(武漢)的建設(shè)，搭建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)應(yīng)用的智能示范產(chǎn)線，探索了其在支撐個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造、智能化生產(chǎn)、服務(wù)化延伸方面的可行性。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

如圖1所示，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)標(biāo)識(shí)解析體系的應(yīng)用采用云邊端一體化架構(gòu)，端側(cè)包含3個(gè)工廠生產(chǎn)設(shè)備、輔助設(shè)備、可編程邏輯控制器(Program Logic Control，PLC)系統(tǒng)等，詳情見(jiàn)第2章的智能示范產(chǎn)線設(shè)計(jì)；邊緣側(cè)為在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署的智能網(wǎng)關(guān)，支持有線傳輸、無(wú)線傳輸，能夠通過(guò)將Modbus TCP等幾十種工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換成MQTT，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并入云到私有云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心，另外支持云端控制指令的下行和需要實(shí)時(shí)處理的計(jì)算；云端分為3層，其中IaaS層由私有服務(wù)云搭建，PaaS層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，為SaaS層提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐，SaaS層為具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合所形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。其本質(zhì)是以機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析，實(shí)現(xiàn)智能控制、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革[3]。

本文介紹的這款由企業(yè)自主研發(fā)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)HolliCube，參照了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0，采用了Kubernetes、Docker、Service Mesh等容器管理、微服務(wù)技術(shù)。HolliCube由通用平臺(tái)層、工業(yè)PaaS層和可視化工具構(gòu)成，其中通用平臺(tái)層由工業(yè)數(shù)據(jù)管理、通用微服務(wù)、容器管理搭建而成；工業(yè)PaaS層提供工業(yè)信息服務(wù)，采用工業(yè)微服務(wù)部署形式，可滿足不同企業(yè)因生產(chǎn)差異產(chǎn)生的功能需求，包含工業(yè)信息模型服務(wù)、工業(yè)事件庫(kù)服務(wù)、工業(yè)仿真環(huán)境服務(wù)、標(biāo)識(shí)注冊(cè)與解析服務(wù)、工業(yè)數(shù)據(jù)分析服務(wù)等；可視化開(kāi)發(fā)工具層基于HTML5技術(shù)，提供B/S的工業(yè)信息模型建模工具、可視化應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具與管理控制臺(tái)。

HolliCube支持云邊端協(xié)同業(yè)務(wù)模式，以平臺(tái)+APP方式提供靈活、可擴(kuò)展的業(yè)務(wù)功能，通過(guò)云平臺(tái)中標(biāo)識(shí)體系的服務(wù)，提供訂單管理、供應(yīng)鏈管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、產(chǎn)品追溯、數(shù)字孿生等標(biāo)識(shí)注冊(cè)與解析相關(guān)的APP應(yīng)用。

1.3 標(biāo)識(shí)解析體系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析是指為工業(yè)制造中的智能機(jī)器、生產(chǎn)設(shè)備、零部件、存儲(chǔ)系統(tǒng)等賦予唯一標(biāo)識(shí)，建立基于標(biāo)識(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所有元素全面互聯(lián)以及相關(guān)信息的獲取、處理、傳輸和交換，從而為制造業(yè)深層次的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)資源的過(guò)程[4]。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)模式下的信息系統(tǒng)應(yīng)用，它是一種實(shí)現(xiàn)跨主體、跨環(huán)節(jié)、跨應(yīng)用的行業(yè)信息系統(tǒng)集成應(yīng)用模式。

如圖2所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系采用分層、分級(jí)模式構(gòu)建，由國(guó)際根節(jié)點(diǎn)、國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)、公共遞歸解析節(jié)點(diǎn)等要素組成，其中二級(jí)節(jié)點(diǎn)是指一個(gè)行業(yè)或者區(qū)域內(nèi)部的標(biāo)識(shí)解析公共服務(wù)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)標(biāo)識(shí)體系的互聯(lián)互通，支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展資源定位和信息共享，具備備案、監(jiān)測(cè)、認(rèn)證等保障能力[5]。

根據(jù)遞歸解析節(jié)點(diǎn)提供的API，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)HolliCube中開(kāi)發(fā)了與其對(duì)接的接口，并進(jìn)行了封裝，支撐了與國(guó)家頂級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)識(shí)注冊(cè)、解析、查詢(xún)等功能。

2 智能示范產(chǎn)線設(shè)計(jì)

2.1 示范產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)

智能示范產(chǎn)線設(shè)計(jì)以能夠展示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系的應(yīng)用為主旨，同時(shí)能夠反映工業(yè)中的典型新技術(shù)新應(yīng)用，包含數(shù)字孿生、缺陷檢測(cè)、個(gè)性化定制等。構(gòu)建好的智能示范產(chǎn)線實(shí)施效果如圖3所示，其主要實(shí)體信息見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，組裝完成后的產(chǎn)品原型，由底座、立方體、上蓋組成；智能工廠包含北京分工廠、廣州分工廠、武漢總裝廠，其中北京分工廠生產(chǎn)底座，廣州工廠生產(chǎn)立方體，武漢總裝廠生產(chǎn)上蓋并負(fù)責(zé)成品的組裝和入庫(kù)；AGV負(fù)責(zé)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)，將北京分工廠、廣州分工廠的部件產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)轿錆h總裝廠。

表1 智能示范產(chǎn)線主要實(shí)體

2.2 標(biāo)識(shí)解析體系應(yīng)用

圖4所示為智能示范產(chǎn)線標(biāo)識(shí)注冊(cè)解析流程。當(dāng)人臉識(shí)別終端產(chǎn)生訂單后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的訂單系統(tǒng)會(huì)對(duì)訂單進(jìn)行分解，并在標(biāo)識(shí)注冊(cè)解析系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，生成訂單唯一標(biāo)識(shí)，北京分工廠、廣州分工廠按照訂單要求生產(chǎn)底座、立方體，并注冊(cè)生成產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí)，通過(guò)貼標(biāo)機(jī)將唯一標(biāo)識(shí)碼貼在產(chǎn)品上面；武漢總裝廠根據(jù)訂單生產(chǎn)上蓋，當(dāng)?shù)鬃?、立方體庫(kù)存低于生產(chǎn)需要時(shí)，AGV會(huì)到分工廠運(yùn)輸缺少的部件產(chǎn)品，并在總裝廠組裝位將三者組裝成成品，然后由側(cè)面雕刻機(jī)雕寫(xiě)個(gè)性化定制的內(nèi)容，頂部雕刻機(jī)雕寫(xiě)成品的唯一標(biāo)識(shí)碼，最后通過(guò)搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)入庫(kù)。另外，在成品入庫(kù)前，工業(yè)相機(jī)會(huì)對(duì)成品進(jìn)行缺陷檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)包含顏色色差、配合緊密度，最后按照不同類(lèi)別分類(lèi)存放。

2.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[6]。從根本上講，數(shù)字孿生可以定義為有助于優(yōu)化業(yè)務(wù)績(jī)效的物理對(duì)象或過(guò)程的歷史和當(dāng)前行為的不斷發(fā)展的數(shù)字資料。數(shù)字孿生模型基于跨一系列維度的大規(guī)模、累計(jì)、實(shí)時(shí)、真實(shí)世界的數(shù)據(jù)測(cè)量。數(shù)字孿生具有的典型特征包含：互操作性、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、保真性、閉環(huán)性[7]。

在智能示范產(chǎn)線中3個(gè)工廠處分別設(shè)置3塊大屏幕用于數(shù)字孿生的展示和應(yīng)用，包含虛實(shí)映射、反向控制調(diào)試。

(1)虛實(shí)映射的展示：在操作控制臺(tái)設(shè)定智能示范產(chǎn)線為自動(dòng)模式，大屏幕上虛擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、貼標(biāo)機(jī)的狀態(tài)指示燈與機(jī)械動(dòng)作、立體倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)狀況(產(chǎn)品與原料存儲(chǔ)位置、產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)信息)、AGV運(yùn)動(dòng)等，是由對(duì)應(yīng)實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變化的，經(jīng)過(guò)測(cè)試其中工業(yè)機(jī)器人的虛實(shí)映射時(shí)延在50 ms以?xún)?nèi)，具體現(xiàn)場(chǎng)效果如圖5所示。

(2)反向控制調(diào)試的流程：在操作控制臺(tái)將智能示范產(chǎn)線由自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式，在工業(yè)機(jī)器人控制柜將其運(yùn)行模式切換到手動(dòng)模式，通過(guò)在Hollicube上定制開(kāi)發(fā)的Web程序，設(shè)定只有管理員賬號(hào)的訪問(wèn)控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬與調(diào)試4臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，確定合適的邏輯程序后下載到工業(yè)機(jī)器人。直線伺服電機(jī)的遠(yuǎn)程控制調(diào)試邏輯如圖6所示。

另外，大屏幕上展示的數(shù)字孿生效果的上半部分展示了立體庫(kù)的原材料和加工完成的產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品可以詳細(xì)查看其標(biāo)識(shí)信息和生產(chǎn)過(guò)程信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)目前異主異地異構(gòu)情況下協(xié)同化制造的要求，提出了一種基于云邊端一體化架構(gòu)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系，將各個(gè)工廠的設(shè)備通過(guò)標(biāo)識(shí)注冊(cè)與解析系統(tǒng)生成唯一標(biāo)識(shí)碼，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Hollicube上以微服務(wù)形式部署訂單管理模塊、倉(cāng)儲(chǔ)管理模塊、報(bào)表統(tǒng)計(jì)模塊、生產(chǎn)追溯模塊等，以訂單標(biāo)識(shí)為牽引，驅(qū)動(dòng)3個(gè)工廠有序協(xié)作生產(chǎn)，并將各產(chǎn)品標(biāo)識(shí)打印在產(chǎn)品正面，通過(guò)掃碼標(biāo)識(shí)即可追溯整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。在智能示范產(chǎn)線設(shè)計(jì)與測(cè)試中，驗(yàn)證了在個(gè)性化定制模式下基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系應(yīng)用于協(xié)同制造的有效性，同時(shí)融合新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線層面的數(shù)字孿生，包含產(chǎn)線的虛實(shí)映射，以及通過(guò)虛擬工業(yè)機(jī)器人、虛擬伺服電機(jī)調(diào)試與控制實(shí)體產(chǎn)線；結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別了產(chǎn)品缺陷并實(shí)現(xiàn)了分類(lèi)存儲(chǔ)。期望本研究對(duì)于探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、標(biāo)識(shí)解析體系在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造，以及全產(chǎn)業(yè)鏈的追溯具有一定的參考意義。