鐘臻哲 王戰(zhàn)慶 楊明

引言

大規(guī)模定制（Mass Customization,MC)在不同的制造行業(yè)和領(lǐng)域當(dāng)中有不同的界定標(biāo)準(zhǔn)。在離散制造業(yè)中，柔性制造、倉(cāng)儲(chǔ)管理和產(chǎn)品管理是構(gòu)成和評(píng)價(jià)大規(guī)模定制能力（Mass Customization Capacity，MCC)的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文提出多維度全周期聯(lián)合管理系統(tǒng)，集成了各類異質(zhì)性底層通信技術(shù)、異構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，將產(chǎn)品定制的全部生命周期納入系統(tǒng)進(jìn)行跨維度中心化管理。本系統(tǒng)能夠?qū)⒍ㄖ频母鱾€(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)合起來(lái)，大大降低產(chǎn)品生命周期中的信息流動(dòng)成本。

大規(guī)模定制是一種集智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于一體的新型生產(chǎn)模式，其特征為從需求開始，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)，再反饋到需求形成閉環(huán)，整個(gè)過(guò)程圍繞客戶需求展開。離散制造業(yè)為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制的快速反應(yīng)，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)包括售前、研發(fā)、采購(gòu)、生產(chǎn)、售后和物流全周期的統(tǒng)合管理[1]。隨著通信、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物流管理和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的逐漸成熟，大規(guī)模定制的定義重構(gòu)、架構(gòu)演進(jìn)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為一個(gè)跨學(xué)科的課題[2]。其中涉及的架構(gòu)，管理和優(yōu)化問(wèn)題吸引了諸多學(xué)者進(jìn)行深入研究[3][4]。

在本文中,基于智能制造中全生命周期、企業(yè)層級(jí)和業(yè)務(wù)功能的三維模型[5],我們提出一套具備中心化的全周期聯(lián)合管理系統(tǒng)架構(gòu)（Centralized United Management Architecture)?；谠摷軜?gòu)，本文繼續(xù)提出一種中心化的多產(chǎn)線全生命周期管理系統(tǒng)（Centralized United Management System)。這套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定制化產(chǎn)線生命周期的信息化，系統(tǒng)接入的權(quán)限分級(jí)和智能化多線生命周期的集成管理，為中小企業(yè)構(gòu)建自己的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系提供一套參考基礎(chǔ)。

圖1 大規(guī)模定制智能制造全生命周期聯(lián)合管理軟件架構(gòu)

中心化產(chǎn)線生命周期管理架構(gòu)

本文提出了一種對(duì)產(chǎn)線、產(chǎn)品和企業(yè)辦公協(xié)同進(jìn)行數(shù)字化一體管理的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)。該軟件架構(gòu)集成了全生命周期、企業(yè)全系統(tǒng)層級(jí)和物聯(lián)網(wǎng)全連通功能的管理模塊，其中包括了集成計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（CAx,包括自有CAx模塊和外部CAD、CAE、CAM、CAQ等軟件的集成支持)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES)、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP)、客戶關(guān)系管理（CRM)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS)、電子商務(wù)（Ecommerce)、供應(yīng)鏈管理（SCM)等常用制造業(yè)生命周期重要模塊，也預(yù)留出特定行業(yè)和具備特定功能的制造業(yè)所需的拓展功能，如高級(jí)計(jì)劃與排程（APS)、（場(chǎng)外)運(yùn)輸管理系統(tǒng)（TMS)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS)等。在決策輔助功能上，各模塊的數(shù)據(jù)被聚類、預(yù)處理后以語(yǔ)義化時(shí)序數(shù)據(jù)的形式格式化存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便其他模塊調(diào)閱。人工智能模塊通過(guò)shapelet貝葉斯優(yōu)化的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)后對(duì)生產(chǎn)、物流和庫(kù)存等生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷。決策輔助功能模塊將時(shí)窗內(nèi)的推斷結(jié)果圖表化展示。

本架構(gòu)在應(yīng)用層面表現(xiàn)為信息流的中心化流動(dòng)、存儲(chǔ)和處理，跨模塊信息流由JSon/XML格式進(jìn)行歸一化存儲(chǔ)。之后通過(guò)中心化的數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存，降低了架設(shè)系統(tǒng)的難度，提升了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地軟件的維度覆蓋能力。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上應(yīng)用了分布式的存儲(chǔ)/運(yùn)算服務(wù)器架構(gòu)，保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本運(yùn)算和儲(chǔ)存能力，保證了整體網(wǎng)絡(luò)的冗余性、魯棒性和服務(wù)的多樣性。

一種基于聯(lián)合管理軟件系統(tǒng)的多維度多產(chǎn)線生命周期管理架構(gòu)

基于上文提出的中心化產(chǎn)線生命周期管理架構(gòu)，我們將多條產(chǎn)線的全生命周期管理系統(tǒng)并接入企業(yè)的中心化聯(lián)合管理軟件，實(shí)現(xiàn)了一套具備多線管理功能的聯(lián)合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)功能包括并行的多線全周期管理模塊、離散軟件版本控制、售前售后服務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、產(chǎn)品代際演進(jìn)和產(chǎn)線生命周期等企業(yè)生命周期的迭代，架構(gòu)示意如圖2。

圖2 大規(guī)模定制架構(gòu)的多線中心化生命周期嵌套迭代系統(tǒng)

本套多維度生命周期的管理系統(tǒng)，可以有效規(guī)范全產(chǎn)品線的生產(chǎn)行為，對(duì)企業(yè)發(fā)展軌跡進(jìn)行有效溯源。同時(shí)基于多產(chǎn)線數(shù)據(jù)的知識(shí)圖譜化范式數(shù)據(jù)，可以對(duì)不同模塊管理下的企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀態(tài)和產(chǎn)品現(xiàn)狀進(jìn)行有效歸一化、可視化，降低決策成本，提升企業(yè)決策質(zhì)量。中心化聯(lián)合管理系統(tǒng)的物質(zhì)流、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信息流管理架?gòu)邏輯如圖3所示。

圖3 多線中心化生命周期嵌套迭代系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)

本架構(gòu)包括一套基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可靠低延遲網(wǎng)絡(luò)：由有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成的異質(zhì)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)保證了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施存在冗余，如基于一般工業(yè)總線技術(shù)（EIP-legacy/TSN,PROFIBUS，EtherCAT等)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化；基于Zigbee、Wi-Fi（802.11b/a/g/n/ac/ax)或EDGE/WCDMA/LTE/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)園區(qū)智控。以上模塊的數(shù)據(jù)集中于數(shù)據(jù)中臺(tái)，中臺(tái)與后臺(tái)服務(wù)打通，部署位置分離，保證了數(shù)據(jù)防災(zāi)。后臺(tái)內(nèi)提供一套自主研發(fā)的聯(lián)合管理信息門戶,確保信息流能夠持續(xù)穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)與中臺(tái)之間的低時(shí)延上下行鏈路保證物質(zhì)流在信息空間中的映射能夠及時(shí)有效。在傳統(tǒng)PLC架構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了EIP連接，將產(chǎn)線數(shù)據(jù)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),基于IP實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線數(shù)據(jù)的數(shù)字化，并且基于多種動(dòng)態(tài)路由算法進(jìn)行自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)即插即用。網(wǎng)絡(luò)層亦通過(guò)VLAN、IP端口隔離、應(yīng)用權(quán)限分級(jí)、MD5加密等多層隱私和安全技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有物聯(lián)網(wǎng)安全措施的生產(chǎn)過(guò)程信息化，保證各職能部門對(duì)多維產(chǎn)線具備對(duì)應(yīng)的掌控能力。在產(chǎn)線控制層面，所有連接均通過(guò)集成的一體化網(wǎng)關(guān)單元（圖3中綠色節(jié)點(diǎn))進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的全連接控制。

基于該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合管理的物質(zhì)流和信息流具備以下特性。首先，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的迅捷物質(zhì)流。利用中心化聯(lián)合管理系統(tǒng)將定制過(guò)程中的所有流程接入分布式運(yùn)算能力，基于計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別、RFID等技術(shù)監(jiān)控園區(qū)內(nèi)外的人、物流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)入控制及數(shù)字化足跡存儲(chǔ)。其次，中心化聯(lián)合管理系統(tǒng)的智能信息流?；谙嚓P(guān)物質(zhì)流的數(shù)字化，聯(lián)合管理系統(tǒng)獲得了數(shù)字辦公室、園區(qū)和工廠的數(shù)字全映射能力。本系統(tǒng)基于Json/XML等跨機(jī)器語(yǔ)言復(fù)用的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)保存和傳輸生產(chǎn)周期中物質(zhì)流的大數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)能夠預(yù)處理并使用相關(guān)大數(shù)據(jù)，將其信息化供其他相關(guān)功能模塊（ERP、MES、WMS等)查詢、交互和演進(jìn)，完成跨功能邊界語(yǔ)義交互。

基于該架構(gòu)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和聯(lián)合管理系統(tǒng)消除了各個(gè)設(shè)備之間的信息孤島，并通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)提供了良好的拓展能力。通過(guò)可視化的拖拉拽界面還可以自動(dòng)生成現(xiàn)場(chǎng)端、網(wǎng)絡(luò)端和前端的代碼和界面，大大降低了開發(fā)難度，提升了智能制造服務(wù)提供商為各個(gè)中小企業(yè)提供信息化與數(shù)字化服務(wù)的能力。

結(jié)論

隨著工業(yè)4.0的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化浪潮，制造行業(yè)不斷進(jìn)行著自我迭代升級(jí)。這股浪潮來(lái)勢(shì)強(qiáng)勁，領(lǐng)跑者和追趕者之間的鴻溝愈發(fā)明顯，先進(jìn)團(tuán)隊(duì)與后進(jìn)團(tuán)隊(duì)在技術(shù)方案、升級(jí)意向以及投資回報(bào)率上產(chǎn)生顯著分化。本文所展示的“快捷反應(yīng)產(chǎn)線+完整中心管理系統(tǒng)+多產(chǎn)線混合迭代”的全生命周期管理系統(tǒng)，可以為中小企業(yè)擁抱產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供一個(gè)低門檻、快反應(yīng)的方案。該多維度聯(lián)合管理系統(tǒng)在不斷擴(kuò)展其能力邊界的同時(shí)，能夠幫助從事制造業(yè)的企業(yè)鞏固現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，保證企業(yè)在向更高附加值業(yè)務(wù)擴(kuò)張的同時(shí)，保持足夠的人員、資源和流動(dòng)性支撐。

注

項(xiàng)目來(lái)源：科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)（2020IM010100)基于多維度創(chuàng)新方法的疫情防控產(chǎn)品研發(fā)與快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用