基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系的協(xié)同制造研究

導(dǎo)讀：為了實現(xiàn)全生產(chǎn)要素的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同以及智能化生產(chǎn)，解決生產(chǎn)過程中因不同地區(qū)、不同企業(yè)、不同編碼體系而導(dǎo)致的無法協(xié)同設(shè)計、生產(chǎn)，以及產(chǎn)品追溯不完整，設(shè)計了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的標(biāo)識解析體系，對不同企業(yè)、訂單、設(shè)備、物料、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品等進(jìn)行統(tǒng)一分級注冊，按需實時解析；設(shè)計了相應(yīng)的智能示范產(chǎn)線，實現(xiàn)了在個性化定制模式下的全程自主控制；融合數(shù)字孿生與圖像識別等先進(jìn)技術(shù)，測試驗證了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系在異主異地異構(gòu)生產(chǎn)時的有效性。0

引言協(xié)同制造是制造企業(yè)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展產(chǎn)品設(shè)計、制造、銷售、采購、管理的一系列活動的總稱，是企業(yè)為迎接知識經(jīng)濟(jì)和全球化挑戰(zhàn)實施的以快速響應(yīng)市場需求和提高企業(yè)競爭力為主要目標(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；伴隨市場競爭的加劇，企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)外部之間經(jīng)?？焖偌芍貥?gòu)以適應(yīng)市場需求，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)同制造帶來了困難。目前，標(biāo)識解析體系已經(jīng)應(yīng)用在物流供應(yīng)鏈中對物品進(jìn)行跟蹤和追溯，這對實現(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)識解析體系在部分工業(yè)場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)制造過程的數(shù)據(jù)共享仍然停留在點(diǎn)對點(diǎn)、一對一的系統(tǒng)集成階段，缺乏基礎(chǔ)設(shè)施級支持[2]，異主、異地、異構(gòu)的互聯(lián)互通與互操作帶來的深度創(chuàng)新應(yīng)用還有待發(fā)展。本文基于中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析國家頂級節(jié)點(diǎn)（武漢）的建設(shè)，搭建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的標(biāo)識解析系統(tǒng)，設(shè)計了標(biāo)識應(yīng)用的智能示范產(chǎn)線，探索了其在支撐個性化定制、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)識解析體系設(shè)計1.1

總體框架如圖1所示，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)識解析體系的應(yīng)用采用云邊端一體化架構(gòu)，端側(cè)包含3個工廠生產(chǎn)設(shè)備、輔助設(shè)備、可編程邏輯控制器（ProgramLogicControl，PLC）系統(tǒng)等，詳情見第2章的智能示范產(chǎn)線設(shè)計；邊緣側(cè)為在生產(chǎn)現(xiàn)場部署的智能網(wǎng)關(guān)，支持有線傳輸、無線傳輸，能夠通過將ModbusTCP等幾十種工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換成MQTT，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并入云到私有云平臺數(shù)據(jù)管理中心，另外支持云端控制指令的下行和需要實時處理的計算；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)用開發(fā)支撐，SaaS層為具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用層。圖1

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)識解析體系的應(yīng)用框架

1.2

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺工業(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)，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現(xiàn)智能控制、運(yùn)營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革。

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、ServiceMesh等容器管理、微服務(wù)技術(shù)。HolliCube由通用平臺層、工業(yè)PaaS層和可視化工具構(gòu)成，其中通用平臺層由工業(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)事件庫服務(wù)、工業(yè)仿真環(huán)境服務(wù)、標(biāo)識注冊與解析服務(wù)、工業(yè)數(shù)據(jù)分析服務(wù)等；可視化開發(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)用開發(fā)工具與管理控制臺。

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

1.3

標(biāo)識解析體系工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析是指為工業(yè)制造中的智能機(jī)器、生產(chǎn)設(shè)備、零部件、存儲系統(tǒng)等賦予唯一標(biāo)識，建立基于標(biāo)識的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(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)資源的過程[4]?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系架構(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)識解析體系采用分層、分級模式構(gòu)建，由國際根節(jié)點(diǎn)、國家頂級節(jié)點(diǎn)、二級節(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，其中二級節(jié)點(diǎn)是指一個行業(yè)或者區(qū)域內(nèi)部的標(biāo)識解析公共服務(wù)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)標(biāo)識體系的互聯(lián)互通，支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺開展資源定位和信息共享，具備備案、監(jiān)測、認(rèn)證等保障能力。圖2

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系結(jié)構(gòu)

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HolliCube中開發(fā)了與其對接的接口，并進(jìn)行了封裝，支撐了與國家頂級節(jié)點(diǎn)、二級節(jié)點(diǎn)、企業(yè)節(jié)點(diǎn)的對接，實現(xiàn)了標(biāo)識注冊、解析、查詢等功能。

2

智能示范產(chǎn)線設(shè)計2.1

示范產(chǎn)線整體設(shè)計智能示范產(chǎn)線設(shè)計以能夠展示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析體系的應(yīng)用為主旨，同時能夠反映工業(yè)中的典型新技術(shù)新應(yīng)用，包含數(shù)字孿生、缺陷檢測、個性化定制等。構(gòu)建好的智能示范產(chǎn)線實施效果如圖3所示，其主要實體信息見表1。由表1可見，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；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。圖3

示范產(chǎn)線現(xiàn)場實施效果圖

表1

智能示范產(chǎn)線主要實體

2.2

標(biāo)識解析體系應(yīng)用圖4所示為智能示范產(chǎn)線標(biāo)識注冊解析流程。當(dāng)人臉識別終端產(chǎn)生訂單后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上的訂單系統(tǒng)會對訂單進(jìn)行分解，并在標(biāo)識注冊解析系統(tǒng)進(jìn)行注冊，生成訂單唯一標(biāo)識，北京分工廠、廣州分工廠按照訂單要求生產(chǎn)底座、立方體，并注冊生成產(chǎn)品的唯一標(biāo)識，通過貼標(biāo)機(jī)將唯一標(biāo)識碼貼在產(chǎn)品上面；武漢總裝廠根據(jù)訂單生產(chǎn)上蓋，當(dāng)?shù)鬃?、立方體庫存低于生產(chǎn)需要時，AGV會到分工廠運(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)雕寫個性化定制的內(nèi)容，頂部雕刻機(jī)雕寫成品的唯一標(biāo)識碼，最后通過搬運(yùn)機(jī)器人實現(xiàn)入庫。另外，在成品入庫前，工業(yè)相機(jī)會對成品進(jìn)行缺陷檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)包含顏色色差、配合緊密度，最后按照不同類別分類存放。圖4

智能示范產(chǎn)線標(biāo)識注冊解析流程

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)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、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)績效的物理對象或過程的歷史和當(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、實時、真實世界的數(shù)據(jù)測量。數(shù)字孿生具有的典型特征包含互操作性、可擴(kuò)展性、實時性、保真性、閉環(huán)性[7]。

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

（1）虛實映射的展示：在操作控制臺設(shè)定智能示范產(chǎn)線為自動模式，大屏幕上虛擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動、貼標(biāo)機(jī)的狀態(tài)指示燈與機(jī)械動作、立體倉庫存儲狀況（產(chǎn)品與原料存儲位置、產(chǎn)品的標(biāo)識信息）、AGV運(yùn)動等，是由對應(yīng)實體的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行變化的，經(jīng)過測試其中工業(yè)機(jī)器人的虛實映射時延在50ms以內(nèi)，具體現(xiàn)場效果如圖5所示。圖5

數(shù)字孿生實施效果圖（2）反向控制調(diào)試的流程：在操作控制臺將智能示范產(chǎn)線由自動模式切換到手動模式，在工業(yè)機(jī)器人控制柜將其運(yùn)行模式切換到手動模式，通過在Hollicube上定制開發(fā)的Web程序，設(shè)定只有管理員賬號的訪問控制權(quán)限，實現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬與調(diào)試4臺工業(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的原材料和加工完成的產(chǎn)品，每個產(chǎn)品可以詳細(xì)查看其標(biāo)識信息和生產(chǎn)過程信息。圖6

直線伺服電機(jī)遠(yuǎn)程控制調(diào)試邏輯圖

3

結(jié)束語本文根據(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)識解析體系，將各個工廠的設(shè)備通過標(biāo)識注冊與解析系統(tǒng)生成唯一標(biāo)識碼，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Hollicube上以微服務(wù)形式部署訂單管理模塊、倉儲管理模塊、報表統(tǒng)計模塊、生產(chǎn)追溯模塊等，以訂單標(biāo)識為牽引，驅(qū)動3個工廠有序協(xié)作生產(chǎn)，并將各產(chǎn)品標(biāo)識打印在產(chǎn)品正面，通過掃碼標(biāo)識即可追溯整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。在智能示