歐躍發(fā)，韋相貴，趙成龍

（北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院/工程訓(xùn)練中心，廣西欽州，535011）

0 引言

中國制造2025 明確提出推進(jìn)制造過程智能化，通過建設(shè)智能工廠，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測和自適應(yīng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的智能管控[1]。

為進(jìn)一步迎合新信息技術(shù)改變傳統(tǒng)企業(yè)的生產(chǎn)過程，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”智能制造，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力，本文根據(jù)智能制造的技術(shù)特點(diǎn)，探索基于大數(shù)據(jù)的智能制造系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新型的信息化技術(shù)，以北部灣大學(xué)工程訓(xùn)練中心先進(jìn)制造實(shí)訓(xùn)室的教學(xué)設(shè)備為研究基礎(chǔ)，以實(shí)踐教學(xué)的加工數(shù)據(jù)為依據(jù)，以實(shí)際生產(chǎn)線改進(jìn)為實(shí)踐目的，探索以智能化生產(chǎn)為最終目標(biāo)的工程實(shí)踐教學(xué)過程改進(jìn)，從系統(tǒng)開發(fā)角度對采集的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、建模和處理，探索生產(chǎn)過程的智能化和自動(dòng)化，與校企協(xié)同育人企業(yè)北京數(shù)碼大方公司合作建設(shè)和開發(fā)一套基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能制造系統(tǒng)，讓學(xué)生在教學(xué)過程中理解智能制造的原理和工作方式，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率和質(zhì)量的同時(shí)，也為學(xué)生后期進(jìn)入工作崗位儲(chǔ)備知識和技能。

1 智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

■1.1 設(shè)計(jì)思路及算法

利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新興的信息技術(shù)，以設(shè)備為基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)為核心、生產(chǎn)過程為紐帶、智能制造為最終目標(biāo)，探索研究設(shè)備生產(chǎn)過程的智能化和自動(dòng)化，改革從研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品檢測、運(yùn)行維護(hù)等制造過程的全生命周期等智能生產(chǎn)過程。探索智能制造企業(yè)工業(yè)化和信息化的深度融合，構(gòu)建可視化決策分析系統(tǒng)、協(xié)同研發(fā)平臺(tái)、協(xié)同制造平臺(tái)、生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)和數(shù)字化工廠為一體的信息化智能管理系統(tǒng)，通過數(shù)字化智能制造系統(tǒng)的建設(shè)，研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊和人機(jī)設(shè)備之間數(shù)據(jù)和信息指令的交互，并對海量的工業(yè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)化、可視化的管理，應(yīng)用人工智能算法對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和挖掘，形成數(shù)據(jù)閉環(huán)智能制造新模式。最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備、機(jī)器與系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，生產(chǎn)過程與狀態(tài)實(shí)時(shí)感知，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析、控制指令實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策和人工干預(yù)組織生產(chǎn)與管理的智能化制造[2-3]。

根據(jù)工業(yè)智能制造系統(tǒng)其功能和性能需求，設(shè)計(jì)一套智能控制算法，通過布置智能傳感器獲取機(jī)器加工過程中生命周期線上的全部有效數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)同步至管理系統(tǒng)的云計(jì)算中心，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理和挖掘，轉(zhuǎn)化為有價(jià)值、分類而有規(guī)則的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)處理情況將信息轉(zhuǎn)化為知識，知識再根據(jù)算法庫和模型庫的匹配生成指令信息，并形成科學(xué)依據(jù)，反饋至各個(gè)控制部件和可視化的顯示終端，各控制部件收到數(shù)據(jù)指令之后及時(shí)響應(yīng)并做出相應(yīng)調(diào)整加工處理動(dòng)作，針對制造過程的復(fù)雜性和不確定性等問題，系統(tǒng)反饋至用戶終端和專家決策系統(tǒng)，由系統(tǒng)和相關(guān)的工作人員人為的干預(yù)，并對問題進(jìn)行相應(yīng)的回應(yīng)和處理[3]。

■1.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理以及數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)等三大主要功能角色，結(jié)合軟件系統(tǒng)包含的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合北部灣大學(xué)工程訓(xùn)練中心工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)生產(chǎn)的實(shí)際情況和實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求，以解決當(dāng)前生產(chǎn)線的業(yè)務(wù)痛點(diǎn)為主要目的，根據(jù)智能制造的技術(shù)要點(diǎn)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)的先進(jìn)管理和運(yùn)用技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)的算法和經(jīng)典平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)案例，初步設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的功能包含有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)處理與分析、以及智能控制與應(yīng)用模塊等，詳細(xì)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

■1.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能制造系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，由上至下具體的技術(shù)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為決策與智能控制層，數(shù)據(jù)分析層與處理層，數(shù)據(jù)建模層，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)層，物聯(lián)網(wǎng)層等，具體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其中，數(shù)據(jù)采集層。設(shè)計(jì)在設(shè)備的關(guān)鍵位置安裝傳感器為主要數(shù)據(jù)采集工具，融合人為生產(chǎn)過程中輸入的數(shù)據(jù)、機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)過程中的加工數(shù)據(jù)及生產(chǎn)車間環(huán)境監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、人機(jī)交互、智能終端等手段采集生產(chǎn)過程中多源、異構(gòu)等的數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)或現(xiàn)場總線等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確收集。數(shù)據(jù)主要有終端各類傳感器采集的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)和生命狀態(tài)參數(shù)、設(shè)備加工狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)車間環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度等）、人工錄入的各類加工數(shù)據(jù)以及外部互聯(lián)網(wǎng)上的行業(yè)規(guī)則數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。通過分布式數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)技術(shù)，對采集或處理后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)在性能和容量都能線性擴(kuò)展的分布式數(shù)據(jù)庫中，針對機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、加工控制數(shù)據(jù)以及人為操作數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)制造監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)、產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的集成與融合等實(shí)現(xiàn)集成性的融合管理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)，即數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、讀取以及寫入（系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令信息對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制）的智能化管理。

數(shù)據(jù)建模層。針對從實(shí)訓(xùn)室生產(chǎn)車間采集和監(jiān)測獲取的設(shè)備互聯(lián)數(shù)據(jù)、智能制造控制參數(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，通過聚類、分類、規(guī)則劃分及關(guān)聯(lián)等數(shù)據(jù)挖掘方法和預(yù)測機(jī)制，建立基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程優(yōu)化特征模型和性能仿真模型。

數(shù)據(jù)處理與分析層。其功能是對系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)，數(shù)據(jù)分析與處理算法，數(shù)據(jù)分析與處理軟件及工具（如Map Reduce），結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)優(yōu)勢，完成數(shù)據(jù)的分析、處理及數(shù)據(jù)挖掘工作，形成有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息及指令，為自動(dòng)化生產(chǎn)和智能決策提供參考依據(jù)。最終形成可以控制相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)和設(shè)備的有效指令。

決策與智能控制層。對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的有效信息，通過可視化技術(shù)，將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果形象生動(dòng)地呈現(xiàn)給用戶和機(jī)器，用有利于人機(jī)容易理解的方式顯示出來。實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備和生產(chǎn)加工狀態(tài)的預(yù)測和判斷，并給出相關(guān)操作指令和建議。結(jié)合智能決策技術(shù)，達(dá)到數(shù)據(jù)輔助智能制造的決策和生產(chǎn)。主要功能是服務(wù)于智能制造過程中的各類應(yīng)用場景，利用生成的智能數(shù)據(jù)指令信息，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、技術(shù)改進(jìn)、加工過程優(yōu)化等智能化輔助工作，最終達(dá)到智能化自動(dòng)控制生產(chǎn)的應(yīng)用目標(biāo)。

2 智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果及教學(xué)實(shí)踐

在實(shí)踐教學(xué)中，啟動(dòng)智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，鏈接至先進(jìn)制造實(shí)訓(xùn)中心的教學(xué)設(shè)備，在服務(wù)器端可以獲取任何一臺(tái)正在生產(chǎn)加工機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)和生產(chǎn)加工狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以分析了解機(jī)器的生命健康狀態(tài)以及加工的現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行的參數(shù)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的算法，系統(tǒng)可以自動(dòng)的，也可以人工干預(yù)調(diào)整和優(yōu)化現(xiàn)場加工的參數(shù)和機(jī)器某些加工坐標(biāo)參數(shù)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)而及時(shí)干預(yù)現(xiàn)場制造的目的，通過實(shí)踐教學(xué)讓學(xué)生明白智能制造和自動(dòng)化調(diào)整現(xiàn)場加工的原理和工作方式，具體的設(shè)備運(yùn)行控制界面如圖3 所示[4]。

圖3 設(shè)備運(yùn)行控制界面

此外，通過分析系統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心分類匯總的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合學(xué)生在實(shí)踐工程實(shí)訓(xùn)加工出來的產(chǎn)品情況，可以讓學(xué)生分析不同數(shù)據(jù)、不同設(shè)置以及不同操作習(xí)慣對應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品的具體情況，形成總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)，以便改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)作為創(chuàng)新的基礎(chǔ)依據(jù)，這也為后期的過程實(shí)踐教學(xué)和產(chǎn)品加工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

3 結(jié)論

本文研究智能制造的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，從實(shí)踐應(yīng)用效果來看，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程中異常情況的早期預(yù)警，對生產(chǎn)偏差和錯(cuò)誤主動(dòng)識別并改進(jìn)的智能化生產(chǎn)目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了把適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)指令，在合適的時(shí)間以適當(dāng)?shù)姆绞絺鬟f給合適的部件和機(jī)器，最終達(dá)到了自助優(yōu)化生產(chǎn)過程、自動(dòng)糾正生產(chǎn)偏差和自主組織生產(chǎn)的智能化生產(chǎn)局面，大大提高了工程實(shí)踐教學(xué)的效率和產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，為學(xué)員在實(shí)踐教學(xué)過程中理解智能制造的加工數(shù)據(jù)參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品之間的關(guān)系，讓學(xué)員掌握了智能制造的工作原理和方法，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量，受到師生的好評。