郭彩芬
(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215104)
為迎接新一輪產(chǎn)業(yè)革命的巨大挑戰(zhàn),全球范圍內(nèi),“制造”正在向“智造”轉(zhuǎn)變。制造領(lǐng)域的生產(chǎn)過程及管控過程的智能化正在逐步實現(xiàn),在未來,能否及早實現(xiàn)決策智能化將會成為評估企業(yè)轉(zhuǎn)型成功與否的關(guān)鍵[1]。
當今世界,制造智能化的大幕已徐徐拉開,各級各類企業(yè)的生產(chǎn)過程、管理流程正逐步智能化,并逐步向企業(yè)整體智能化邁進。當智能、連接以及數(shù)據(jù)無處不在的時候,世界萬物之間(人與人、人與物、物與物)的聯(lián)系就會越來越密不可分,一個智能生態(tài)制造系統(tǒng)將徐徐展現(xiàn)在人類面前。
從遠古祖先學(xué)習(xí)使用工具始,人類的制造水平一直在不斷的進步與提升。在經(jīng)歷了機械化、自動化、信息化以及數(shù)字化這四個階段后,人類的制造活動正在逐步向智能化挺進,如表1所示。當今的機械制造業(yè)具有多品種、小批量、高質(zhì)量的特點,經(jīng)驗與知識等智力生產(chǎn)要素在制造水平提升方面的作用非常巨大。智能制造時代的主要矛盾是數(shù)據(jù)(知識)挖掘和利用效率之間問題。通過大量收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析算法,可以從信息中快速獲取知識,從而提高產(chǎn)品研發(fā)水平。
表1 四次工業(yè)革命比較一覽表
智能生產(chǎn)線主要由硬件、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)成。其中智能生產(chǎn)線的硬件基礎(chǔ)由智能裝備模塊和倉儲物流模塊構(gòu)成,如圖1所示[2]。而智能裝備模塊又包含先進制造技術(shù)、先進傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)。其中的先進制造技術(shù)是智能制造系統(tǒng)中的知識本源,代表制造企業(yè)自身工藝技術(shù)水平;先進傳感技術(shù)會實時呈現(xiàn)工藝系統(tǒng)狀態(tài),準確采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。倉儲物流模塊的功能包括物料存儲管理、物料配送與裝卸,該模塊會按照生產(chǎn)過程要求保證資源的準確及時供給。
1) 智能生產(chǎn)線的硬件設(shè)施上都配有傳感器、二維碼和射頻識別裝置,生產(chǎn)線收集其所采集的設(shè)備監(jiān)控、制造檢測和物料信息數(shù)據(jù),并按照一定的安全通信協(xié)議與虛擬仿真數(shù)據(jù)一起,交由生產(chǎn)管控模塊進行分析處理,在顯示實時生產(chǎn)狀態(tài)的同時生成決策信息,并由工業(yè)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)礁鱾€執(zhí)行端迭代循環(huán)。
2) 智能生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)是雙向數(shù)據(jù)集成傳輸模塊的硬件支撐,分為總控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò),分別對接生產(chǎn)管控模塊和各功能硬件子模塊。智能生產(chǎn)線的性能優(yōu)劣主要取決于上述軟硬件模塊的設(shè)計與信息交互質(zhì)量。
3) 大數(shù)據(jù)技術(shù)把技術(shù)人員從繁重的數(shù)據(jù)分析處理工作中解放出來,高效精準地為人類決策提供依據(jù)(甚至直接決策),由此過程中提煉形成的經(jīng)驗知識應(yīng)用到生產(chǎn)線中,如此循環(huán)反復(fù)螺旋式上升,實現(xiàn)真正的智能制造。
圖1 智能生產(chǎn)線架構(gòu)
智能制造的本質(zhì)就是在廣義的制造過程中加入人類的某些智能活動,如感知、判斷、決策等,并將其與計算機、電子信息技術(shù)、先進制造和管理技術(shù)進行深度融合。可以認為智能制造是多種關(guān)鍵技術(shù)的綜合應(yīng)用,所囊括的關(guān)鍵技術(shù)及其特點如表2所示[3]。因此,智能制造不是單純的“機器人+數(shù)控機床”,而是具有圖像識別或力傳感器的機器人和具有位移、振動、溫度傳感器的數(shù)控機床搭建的制造系統(tǒng)才歸于智能制造范疇。
智能制造的特征主要體現(xiàn)在以下三個方面[4]:
1) 物流高度自動化。通過二維碼或視頻識別裝置判斷物料屬性,而后借助機器人、傳輸帶、無人小車等自動化設(shè)備實現(xiàn)物料搬運、管理與調(diào)度。
2) 全要素的有機聯(lián)通與感知?;诰W(wǎng)絡(luò)通信及協(xié)議,工廠內(nèi)部的設(shè)備、材料、環(huán)節(jié)、方法以及人等生產(chǎn)要素在智造過程中能夠有機聯(lián)通,從而保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下互通互聯(lián)數(shù)據(jù)的高速流通與高安全等級應(yīng)用,如時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN與OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)的結(jié)合,能實現(xiàn)從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通信。
3) 虛擬現(xiàn)實交互。對工廠實際設(shè)備進行3D 動態(tài)模擬,仿真分析工廠布局、設(shè)備選擇使用及生產(chǎn)流程等是否優(yōu)化合理,通過建立虛擬生產(chǎn)線(包括機床、機器人、傳送帶、檢測設(shè)備、包裝設(shè)備等設(shè)施),再通過OPC—UA 通信協(xié)議連接上述的虛擬環(huán)境,基于PLC控制器和人機界面操控平臺,用實際的控制器控制運行虛擬工廠,并與實際工廠進行交互操作。
表2 智能制造的關(guān)鍵技術(shù)及特點
工業(yè)應(yīng)用中操作技術(shù)OT與信息技術(shù)IT內(nèi)涵表達的層級模型為第1層—第3層(L1-L3)屬于OT技術(shù),第4層(L4)屬于IT技術(shù)。傳統(tǒng)企業(yè)自動化和信息化的層級關(guān)系模型[5]如圖2所示。
L1層—物理量采集、執(zhí)行類的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品,如儀表和閥門、驅(qū)動器和電機、裝備等;
L2層—工業(yè)自動化控制類的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品,如分布式控制系統(tǒng)DCS、可編程控制器PLC、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA等;
L3層—生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)管理類業(yè)務(wù)和產(chǎn)品,如制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、生產(chǎn)計劃與排產(chǎn)管理APS、質(zhì)量可靠性保證QRA等;
L4層—企業(yè)管理類業(yè)務(wù)和產(chǎn)品,如企業(yè)資源計劃ERP、辦公自動化OA、產(chǎn)品全生命周期管理PLM等,其核心是PLM。
這些層級間的信息交互保證管理者獲得生產(chǎn)過程的實時動態(tài)信息;基于物聯(lián)技術(shù),可通過PDM、ERP等應(yīng)用軟件對制造過程中涉及的原材料輸送、產(chǎn)品設(shè)計、機器狀況、人員調(diào)度等信息進行動態(tài)管理,讓信息“孤島”消失于無形,實現(xiàn)精益制造與快速生產(chǎn)。但是智能制造要求各層自由流動的數(shù)據(jù)支持業(yè)務(wù)模式的變革,要求在實現(xiàn)L1、L2兩層生產(chǎn)自動化集成的基礎(chǔ)上,進一步疊加L3層,實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。
在上述操作技術(shù)和信息技術(shù)的融合集成以及數(shù)據(jù)自由流動的基礎(chǔ)上,達成以下目標:
1) 管理信息化。企業(yè)的電子檔案逐漸取代紙質(zhì)文檔,數(shù)據(jù)輸入采用條碼掃描或其他電子技術(shù)自動錄入,L1層各類設(shè)備在統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管控后,數(shù)據(jù)傳輸高效準確,由此實現(xiàn)企業(yè)設(shè)備管理數(shù)據(jù)的信息化。在車間層的網(wǎng)絡(luò)信息化管理的基礎(chǔ)上,各車間互異的生產(chǎn)需求就可以通過交流平臺徹底消除信息孤島造成的不良影響,全面實現(xiàn)設(shè)備的集中信息化控制與管理。
圖2 傳統(tǒng)企業(yè)自動化和信息化的層級關(guān)系模型
2) 生產(chǎn)實時監(jiān)控與分析。L3層產(chǎn)生的各種實時數(shù)據(jù)第一時間上傳至同一數(shù)據(jù)庫后,可以通過分配權(quán)限進行訪問,數(shù)據(jù)分析結(jié)果依據(jù)需求呈現(xiàn)多樣式,如柱形圖、餅狀圖、條形圖等,實時顯式生產(chǎn)信息及各種警示通告,讓生產(chǎn)過程“一目了然”;通過移動終端訪問,做到管理“暢通無阻”,辦公不受時間地點約束;由大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段深度挖掘分析整理得到各種數(shù)據(jù),使決策者“有據(jù)可依”,真正實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策。
3) 智能信息管理。很多企業(yè)相繼建成了ERP、PLM、OA等管理信息系統(tǒng),通過信息集成與優(yōu)化,有效指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運作過程。通過監(jiān)控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作狀況,能夠獲得實時訂單進度信息,利于快速制訂緊急情況下的應(yīng)急預(yù)案;維保員工能遠程及時監(jiān)控設(shè)備運行情況,顯著提高設(shè)備良好水平;作業(yè)人員能及時響應(yīng)并處理生產(chǎn)系統(tǒng)的各種異常狀況;及時準確的庫存數(shù)據(jù)保證相關(guān)人員實時了解備品/備件信息,提升企業(yè)的生產(chǎn)效率、管理水平和競爭能力。
從人工智能AI的角度來看,智能制造是人工智能與制造技術(shù)的交叉融合。傳統(tǒng)智能制造即專家系統(tǒng),它代表了那個時代人工智能的實際應(yīng)用成果,計算機的符號推理能力代表了專家系統(tǒng)的智能行為。
專家系統(tǒng)必須與其他智能技術(shù)相結(jié)合,才能取得良好的服務(wù)效果。但專家系統(tǒng)的應(yīng)用效果高度依賴領(lǐng)域?qū)<业闹R,并且知識獲取難度較大,處理問題缺少靈活性。此外,專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍窄,通用性較差,這限制了專家系統(tǒng)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[6]。為了克服傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的缺點,現(xiàn)今的人工智能技術(shù)側(cè)重于計算智能和機器學(xué)習(xí)的研究,重點是攻克基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)DL領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
新一代信息技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等)與先進制造技術(shù)(如增材制造技術(shù))相融合,產(chǎn)生了新一代IM,即IM2.0或 SM。新一代的SM是動態(tài)模式,它的第一階段是實現(xiàn)基于物理系統(tǒng)的感知與集成,然后與信息系統(tǒng)和社會系統(tǒng)進一步融合,發(fā)展成為更復(fù)雜的多元系統(tǒng),相伴新一代信息技術(shù)出現(xiàn)的IM2.0(SM)[7]如圖3所示。
圖3 相伴新一代信息技術(shù)出現(xiàn)的IM2.0(SM)
由圖3可見,物聯(lián)網(wǎng)IoT的誕生使得感知無處不在,催生了制造物聯(lián)IoMT;計算機的計算與存儲能力的提升為制造資源分配、共享提供了可能,由此基于云制造CM和信息物理系統(tǒng)CPS的智能制造模式誕生,其中的CPS若應(yīng)用于生產(chǎn)中,又稱其為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS;情感計算和社會計算技術(shù)飛速發(fā)展,革命性的增材制造技術(shù)(如3D打印技術(shù))極大地降低了生產(chǎn)成本,大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,如此種種催生了社會信息物理融合系統(tǒng)SCPS,出現(xiàn)了諸如以人為中心的預(yù)測制造、主動制造等智慧制造模式的出現(xiàn)。
基于強大的智能算法和自主計算能力,IM3.0匯集處理挖掘多種數(shù)據(jù)或者信息為知識,并應(yīng)用于解決實際生產(chǎn)問題,實現(xiàn)“通用智能(智慧)制造”。
1) 泛網(wǎng)絡(luò)化。在IM3.0時代,智能制造系統(tǒng)整合分散的網(wǎng)絡(luò)資源,形成統(tǒng)一的或者自主的傳輸協(xié)議,更有效地將知識網(wǎng)、人際網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)融為一體,實現(xiàn)智慧制造[8]。
2) 認知計算。具有人類思維的IM3.0可針對制造過程中的突發(fā)情況,做出相應(yīng)的控制行動,如更換刀具、停工檢修等,整個生產(chǎn)系統(tǒng)具有相當?shù)恼J知能力,能自學(xué)習(xí)、自思考、自決策,完美實現(xiàn)觀察—感知—決策—實施OODA循環(huán)[9]。
3) 功能多元。不久的未來,每個領(lǐng)域里的IM3.0都可以互相交流,互相學(xué)習(xí),都會兼具多領(lǐng)域的制造功能,從而拓寬智能制造系統(tǒng)的知識領(lǐng)域與應(yīng)用領(lǐng)域。
中國已經(jīng)構(gòu)建了門類繁多、品種齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系,但中國制造業(yè)依舊“大而不強,多而不精”,構(gòu)建智能生產(chǎn)的核心裝備部件和管控的軟硬件平臺產(chǎn)品主要依賴進口,智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平不高,國產(chǎn)化率較低。中國要占領(lǐng)制造業(yè)制高點,必須深入研究智能制造的基礎(chǔ)理論,突破領(lǐng)域關(guān)鍵共性技術(shù),以構(gòu)建良性的智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。