林佳麒 楊威 謝鵬志 趙倩

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

隨著信息化和工業(yè)化的深度融合發(fā)展，制造企業(yè)在利用自動化產(chǎn)線提高生產(chǎn)效率的同時，也對產(chǎn)線自身功能的柔性化、個性化和產(chǎn)線的可重構(gòu)性提出了全新的要求：一是盡可能地利用現(xiàn)有硬件條件，實(shí)現(xiàn)更多樣的功能配置；二是在制造需求出現(xiàn)變化后，能夠以低成本將現(xiàn)有產(chǎn)線改型、重構(gòu)，適應(yīng)全新需求。

以軟件定義制造過程，利用軟件的低成本更新，快速重構(gòu)產(chǎn)線工作邏輯，進(jìn)而對同一物理產(chǎn)線進(jìn)行全新賦能，是解決上述問題的一個思路。信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）概念的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)該思路提供了很好的模型支持。CPS 的一大特征是虛實(shí)映射——將物理實(shí)體在信息空間進(jìn)行抽象映射，形成對應(yīng)物理空間實(shí)體的信息虛體，通過虛體與實(shí)體的交互聯(lián)動，共同構(gòu)成集感知、分析、決策、執(zhí)行能力為一體的信息物理系統(tǒng)[1]。物理空間傳感器感知的信息，經(jīng)由虛體映射在信息空間進(jìn)行分析、決策，再由物理空間實(shí)體映射執(zhí)行，形成智能系統(tǒng)閉環(huán)。CPS 的另一特征是支持多級嵌套。功能單一的單元級CPS 可以相互集成，構(gòu)成規(guī)模更大、對外提供復(fù)雜功能的系統(tǒng)級CPS。系統(tǒng)級CPS 可以繼續(xù)嵌套集成，組成SoS 級（system of systems，系統(tǒng)之系統(tǒng)級）CPS?；谠撎匦阅軌蚪⒁环N對任意復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行多層級解耦合建模的方法。這種多層嵌套的CPS 結(jié)構(gòu)可以極方便地對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和系統(tǒng)重構(gòu)。

國內(nèi)外學(xué)者對如何在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)用CPS 開展了廣泛的研究。徐鋼等[2]通過在鋼鐵制造工序中嵌入CPS 質(zhì)量管控模塊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對全流程產(chǎn)品質(zhì)量的動態(tài)管控與優(yōu)化。段江麗[3]為應(yīng)對日益增多的個性化訂單需求提出面向CPS 的計(jì)劃排產(chǎn)方案，提升了計(jì)劃排產(chǎn)的科學(xué)性。郭具濤等[4]針對目前航天車間生產(chǎn)管控效率低等問題從信息與物理融合的角度研究了制造車間生產(chǎn)管控方法。曹秋實(shí)與喬非[5]探討了針對半導(dǎo)體生產(chǎn)的CPS 構(gòu)建以及進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化的可行性。田禛[6]針對裝配生產(chǎn)線中存在的排產(chǎn)等問題建立了智能裝配生產(chǎn)線CPS，加強(qiáng)了產(chǎn)線的生產(chǎn)管控能力。Michniewicz 和Reinhart[7]應(yīng)用CPS 技術(shù)優(yōu)化了產(chǎn)品的裝配流程，提高了生產(chǎn)效率。Pirvu 等[8]擴(kuò)展和改進(jìn)了CPS 模型，提出了采用CPS進(jìn)行生產(chǎn)管控的智能工廠架構(gòu)。Monostori 等[9]將CPS 應(yīng)用到機(jī)械零件的制造過程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械零件生產(chǎn)管控的自動化。上述研究對利用CPS 拓展原有系統(tǒng)功能、優(yōu)化原有生產(chǎn)制造流程的方法進(jìn)行了探索，但主要將重心放在提高生產(chǎn)效率上，較少討論利用CPS 重構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身構(gòu)建的柔性化、個性化和可重構(gòu)性。

本文提出了一種基于CPS 的智能產(chǎn)線構(gòu)建方法。該方法解決了自動化產(chǎn)線建成后功能難于擴(kuò)展、重構(gòu)成本高昂的弊端。首先將物理的設(shè)備或裝置改造成單元級CPS，再由多個單元級CPS 集成構(gòu)建CPS 產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了一種可以基于軟件定義的可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)。

一、基于CPS 的產(chǎn)線模型

產(chǎn)線模型的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯是構(gòu)建基于CPS 的智能產(chǎn)線的基礎(chǔ)。在基于CPS 的產(chǎn)線模型結(jié)構(gòu)（圖1）中，產(chǎn)線由兩級CPS 嵌套而成。產(chǎn)線整體作為一個系統(tǒng)級CPS，對外提供產(chǎn)線整體功能的信息驅(qū)動接口，對內(nèi)控制多個單元級CPS 相互協(xié)作。每個單元級CPS 可以自主完成一類作業(yè)，是產(chǎn)線中的最小邏輯功能單元，其本質(zhì)是通過對傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行改造，并集成驅(qū)動軟件，使傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)成為對外可以通過統(tǒng)一的信息接口驅(qū)動，對內(nèi)可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主完成特定功能的智能單元體。多種類型的單元級CPS 可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分工協(xié)作，共同構(gòu)成系統(tǒng)級的CPS。引入不同類型的單元級CPS，或者改變各個單元級CPS 的協(xié)作邏輯，可以使系統(tǒng)級CPS 具備豐富多變的整體功能。

圖1 基于CPS 的產(chǎn)線模型結(jié)構(gòu)示意

下面以一個標(biāo)準(zhǔn)自動化機(jī)加產(chǎn)線為例分析基于 CPS 的產(chǎn)線模型，該類產(chǎn)線通常具有5 種單元級CPS，即：生產(chǎn)加工單元、搬運(yùn)單元、供料單元、倉儲單元和安全保障單元。每個單元級CPS 都有物理實(shí)體與信息虛體兩部分：物理實(shí)體一般包含傳感器和執(zhí)行器，并且具備人機(jī)交互、機(jī)機(jī)交互和物機(jī)交互接口；信息虛體是根據(jù)物理實(shí)體的整體功能在信息空間建立的代理模型。不同的硬件實(shí)體、不同的傳感器配置以及不同的信息虛體建模決定了單元級CPS 的對外能力和智能化程度。制造企業(yè)根據(jù)需求可以構(gòu)建倉儲貨架加傳感器的簡單的單元級CPS，也可以構(gòu)建由自帶數(shù)控系統(tǒng)的高級加工中心構(gòu)成的高度智能的單元級CPS。各單元級CPS 的信息虛體相互協(xié)作，在信息空間中構(gòu)成虛擬產(chǎn)線。虛擬產(chǎn)線具備工藝數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、訂單接收、生產(chǎn)排產(chǎn)、資源調(diào)度、指令下發(fā)、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等功能，并且能夠接收外部輸入的工藝主數(shù)據(jù)、生產(chǎn)訂單，反饋訂單狀態(tài)，申請所需的生產(chǎn)資源以及對外實(shí)時反饋產(chǎn)線的工作運(yùn)行狀態(tài)。

產(chǎn)線模型的兩級CPS 嵌套結(jié)構(gòu)決定了其運(yùn)行邏輯。在基于CPS 的產(chǎn)線模型運(yùn)行示意圖（圖2）中，不同層級的CPS 根據(jù)自己的外部集成需求采用不同的接口協(xié)議：外層系統(tǒng)級CPS 要與企業(yè)中更高層級的系統(tǒng)（如MES、PDM 等）集成，采用了企業(yè)信息系統(tǒng)集成的通信協(xié)議；內(nèi)層單元級CPS，為方便設(shè)備間通信，采用了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成的通信協(xié)議。系統(tǒng)級CPS 接收工藝主數(shù)據(jù)、生產(chǎn)訂單和生產(chǎn)資源信息，通過虛擬產(chǎn)線完成工藝數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與訂單接收，并依據(jù)工藝主數(shù)據(jù)將訂單需求分解為可由各單元級CPS 執(zhí)行的作業(yè)指令。虛擬產(chǎn)線根據(jù)各單元級CPS 的狀態(tài)反饋動態(tài)完成生產(chǎn)作業(yè)的排產(chǎn)與資源調(diào)度。最后，經(jīng)虛擬產(chǎn)線仿真優(yōu)化后的調(diào)度結(jié)果以單元作業(yè)指令形式經(jīng)過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)義下發(fā)到具體的單元級CPS 中進(jìn)行執(zhí)行。同時，虛擬產(chǎn)線實(shí)時監(jiān)控各單元作業(yè)指令的執(zhí)行情況。在上述工作流程中，系統(tǒng)級CPS 實(shí)時感知各單元與物料的狀態(tài)、物料與工件的當(dāng)前位置、安保設(shè)施響應(yīng)情況等信息，并分析搬運(yùn)過程中的運(yùn)動誤差、加工過程中的幾何誤差、各單元硬件設(shè)備的負(fù)載程度等問題，以此做出誤差補(bǔ)償、調(diào)度結(jié)果修正等決策，最后將具體作業(yè)指令下發(fā)到單元級CPS 控制設(shè)備執(zhí)行，再次感知當(dāng)前狀態(tài)，形成了“感知-分析-決策-執(zhí)行”的智能系統(tǒng)閉環(huán)。單元級CPS 收到對應(yīng)的單元作業(yè)指令后，根據(jù)自身狀態(tài)判斷指令能否被執(zhí)行。若確定執(zhí)行該指令，在指令執(zhí)行過程中，單元級CPS 還會分析是否需要對指令進(jìn)行修正，并將自身的實(shí)時狀態(tài)反饋到虛擬產(chǎn)線中，以保證物理實(shí)體與信息虛體的虛實(shí)映射；若無法執(zhí)行當(dāng)前指令，單元級CPS 也需要向虛擬產(chǎn)線發(fā)送問題報(bào)告。在單元級CPS 的工作流程中，單元級CPS 感知自身運(yùn)動狀態(tài)、I/O 狀態(tài)、硬件溫度等信息，分析工作時執(zhí)行器的位置偏差、I/O 異常等問題，做出坐標(biāo)補(bǔ)償、參數(shù)調(diào)整等決策，最后由硬件設(shè)備執(zhí)行作業(yè)指令，同樣形成“感知-分析-決策-執(zhí)行”的智能系統(tǒng)閉環(huán)。綜上，由兩級CPS 嵌套構(gòu)建的產(chǎn)線模型遵循外層系統(tǒng)級CPS大系統(tǒng)閉環(huán)中嵌套內(nèi)層單元級CPS 小系統(tǒng)閉環(huán)的運(yùn)行邏輯。

圖2 基于CPS 的產(chǎn)線模型運(yùn)行示意

相較傳統(tǒng)產(chǎn)線通過提前設(shè)置和調(diào)試各單元的嵌入式軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互配合、協(xié)同生產(chǎn)，基于CPS 的產(chǎn)線通過虛擬產(chǎn)線對各單元進(jìn)行統(tǒng)一管控。這意味著產(chǎn)線能夠在無需重新配置原有設(shè)備的前提下增加新的單元模塊和新的功能以適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境及作業(yè)要求，使產(chǎn)線的拓展性和柔性化程度得到極大提升。不僅如此，對產(chǎn)線各單元的統(tǒng)一管控還意味著產(chǎn)線模塊單元的刪減和替換難度大幅下降，重構(gòu)產(chǎn)線的成本顯著降低。因此，基于CPS 的產(chǎn)線模型能夠?qū)崿F(xiàn)基于軟件定義的具備柔性化、個性化和可重構(gòu)特性的智能產(chǎn)線建設(shè)。

二、產(chǎn)線模型的兩級CPS 構(gòu)建方法

（一）單元級CPS 構(gòu)建

本文提出的基于CPS 的智能產(chǎn)線構(gòu)建方法首先需要把組成產(chǎn)線的自動化設(shè)備或裝置改造為單元級CPS。單元級CPS 分為物理實(shí)體與信息虛體兩部分。在單元級CPS 結(jié)構(gòu)示意圖（圖3）中，物理實(shí)體主要包括傳感器、執(zhí)行器以及人—機(jī)/機(jī)—機(jī)/物—機(jī)交互接口，信息虛體主要包含代理模型、數(shù)據(jù)分析模塊、決策模塊和通信接口。單元級CPS 運(yùn)行時，傳感器感知物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并同步上傳到代理模型中，分析模塊根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)與通信接口接收到的具體作業(yè)指令分析執(zhí)行器的誤差、交互接口是否異常等問題后，決策模塊做出最終判斷，控制執(zhí)行器完成作業(yè)任務(wù)，形成了“感知-分析-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)。

圖3 單元級CPS 結(jié)構(gòu)示意

在標(biāo)準(zhǔn)自動化機(jī)加產(chǎn)線案例中，單元級CPS共有5 種，分別是生產(chǎn)加工單元、搬運(yùn)單元、供料單元、倉儲單元和安全保障單元。根據(jù)單元級CPS 的結(jié)構(gòu)說明上述5 種單元級CPS 的構(gòu)建方法。

1.生產(chǎn)加工單元

生產(chǎn)加工單元的物理實(shí)體通常是各種智能加工設(shè)備，如鏜銑加工中心、車削中心等。加工中心的嵌入式軟件系統(tǒng)一般具備監(jiān)控當(dāng)前加工設(shè)備狀態(tài)的功能。代理模型通過和加工設(shè)備軟件系統(tǒng)通信獲得所需的各種數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前加工步驟所用的刀具種類、主軸轉(zhuǎn)速等。信息虛體的分析和決策也能由加工設(shè)備的嵌入式軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.搬運(yùn)單元

常見的自動化機(jī)加工生產(chǎn)線搬運(yùn)單元有AGV 小車、搬運(yùn)機(jī)器人等。以搬運(yùn)機(jī)器人為例，搬運(yùn)單元的物理實(shí)體包含搬運(yùn)機(jī)器人的硬件部分和傳感器，信息虛體由搬運(yùn)機(jī)器人的嵌入式軟件系統(tǒng)以及信息空間的代理模型組成。其中，機(jī)器人的硬件部分含有執(zhí)行器與交互接口，機(jī)器人的軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分析、決策和通信的功能，傳感器負(fù)責(zé)感知搬運(yùn)機(jī)器人的位姿變化并將記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送至信息虛體以保持代理模型與物理實(shí)體的同步。感知搬運(yùn)機(jī)器人的位置坐標(biāo)變化可以使用激光測距傳感器、紅外傳感器等實(shí)現(xiàn)，感知搬運(yùn)機(jī)器人的姿態(tài)變化可以使用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)。此外，特定情況下虛擬產(chǎn)線需要物料或工件的受力情況，可以通過在機(jī)器人末端執(zhí)行器加裝壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。

3.供料單元

供料單元一般是裝卸站等為產(chǎn)線上下料的設(shè)施。其信息虛體需要同步當(dāng)前設(shè)施內(nèi)暫存的物料或工件的情況。因此，在物料和工件種類較少的產(chǎn)線，供料單元內(nèi)可以使用壓力傳感器通過載重判斷設(shè)施內(nèi)是否已有物料或工件并粗略判斷其種類。而在物料和工件種類較多的產(chǎn)線中，供料單元可使用視覺識別設(shè)備監(jiān)控設(shè)施內(nèi)的物料和工件具體情況，得到更精確的信息。

4.倉儲單元

倉儲單元的物理實(shí)體由各類貨架和對應(yīng)傳感器構(gòu)成。貨架存儲半成品或成品工件，傳感器感知當(dāng)前貨架位置是否存有工件以及工件的具體種類。因此，倉儲單元可以采用壓力傳感器、視覺識別攝像頭等獲得貨架存儲詳情。根據(jù)貨架存儲詳情，完善信息虛體的代理模型。由于貨架不具備軟件系統(tǒng)，倉儲單元需要在信息空間構(gòu)建分析模塊與決策模塊，分析整理空閑貨架的編號和位置，決定存儲下一個工件的貨架編號。

5.安全保障單元

安全保障單元包括安全門、紅外光幕等保障生產(chǎn)安全的外圍設(shè)施。安全設(shè)施自身具備實(shí)時感知的功能，其軟件系統(tǒng)也能分析現(xiàn)狀、自主決策。因此，通過在信息空間構(gòu)建與物理實(shí)體信息實(shí)時交互的代理模型即可完成安全保障單元的構(gòu)建。

（二）系統(tǒng)級CPS 構(gòu)建

多個單元級CPS 能夠集成規(guī)模更大、功能復(fù)雜的系統(tǒng)級CPS。構(gòu)建系統(tǒng)級CPS 的關(guān)鍵在于打通不同單元級CPS 的通信渠道，確保多個單元級CPS 可以交互協(xié)作，統(tǒng)一接受管控并對外提供一體化服務(wù)。本文使用數(shù)據(jù)交互中間件架構(gòu)適配不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，搭建單元級CPS 之間的通信橋梁，還通過構(gòu)建虛擬產(chǎn)線對多個單元級CPS 進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度控制。

1.數(shù)據(jù)交互中間件

數(shù)據(jù)交互中間件不僅連接了不同的單元級CPS，還是虛擬產(chǎn)線與物理產(chǎn)線的交互通道[10]。數(shù)據(jù)交互中間件的功能架構(gòu)（圖4）包括協(xié)議適配、數(shù)據(jù)處理、服務(wù)提供3 個組件。協(xié)議適配即適配不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)設(shè)備間的連接與通信。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容是將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)分類、轉(zhuǎn)義、格式化、路由和存儲。服務(wù)提供以時間驅(qū)動或事件驅(qū)動的方式將指定數(shù)據(jù)發(fā)布為RESTful API、Socket、WebSocket 等類型服務(wù)，且支持讀寫數(shù)據(jù)、發(fā)布訂閱等功能。數(shù)據(jù)中間件通過工業(yè)協(xié)議適配器與物理產(chǎn)線建立通信，通過Socket、Web Socket和RESTful API 等協(xié)議與虛擬產(chǎn)線建立通信，避免了物理產(chǎn)線與虛擬產(chǎn)線的數(shù)據(jù)直連，對兩者數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)解耦。

圖4 數(shù)據(jù)交互中間件功能架構(gòu)

2.虛擬產(chǎn)線

信息空間中的虛擬產(chǎn)線由各單元級CPS 的信息虛體和管控軟件組成。信息虛體與物理實(shí)體實(shí)時映射，管控軟件通過管控信息虛體中的代理模型從而實(shí)現(xiàn)對各個單元級CPS 的控制。

代理模型采用三維建模和動畫的形式構(gòu)建。如圖5 所示，生產(chǎn)加工單元三維模型由自動門模型與加工中心模型組成，搬運(yùn)單元模型由執(zhí)行器模型、機(jī)械臂模型、底座模型等組成，倉儲單元由貨架模型和工件模型組成，供料單元與安保單元因結(jié)構(gòu)簡單、信息單一，被合并歸類為其他模型。

圖5 三維模型層次樹狀圖

管控軟件實(shí)現(xiàn)對多個單元級CPS 統(tǒng)一管控的關(guān)鍵功能有以下4 點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)排產(chǎn)：生產(chǎn)排產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的關(guān)鍵與核心。排產(chǎn)可以被定義為在有限的生產(chǎn)資源和設(shè)備工藝約束下，合理安排各個工件在相關(guān)設(shè)備上的加工順序和加工時間，以保證所選定的目標(biāo)生產(chǎn)性能最優(yōu)[11]。排產(chǎn)方法經(jīng)過不斷充實(shí)和發(fā)展陸續(xù)出現(xiàn)了基于規(guī)則的排產(chǎn)方法、基于排序的排產(chǎn)方法、基于仿真的排產(chǎn)方法等[12]。由于調(diào)度規(guī)則簡單，容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，管控軟件采用了基于規(guī)則的排產(chǎn)方法作為生產(chǎn)排產(chǎn)功能的根基。

（2）資源調(diào)度：虛擬產(chǎn)線在完成排產(chǎn)計(jì)算后需要決定生產(chǎn)資源和加工設(shè)備的調(diào)度分配，包括指定加工中心的具體作業(yè)指令、工件原料轉(zhuǎn)運(yùn)目標(biāo)等。虛擬產(chǎn)線通過感知當(dāng)前加工中心和智能倉庫的使用情況，結(jié)合訂單和排產(chǎn)要求完成資源調(diào)度。

（3）指令下發(fā)：管控軟件將生產(chǎn)排產(chǎn)與資源調(diào)度結(jié)果細(xì)分為每個單元級CPS 可執(zhí)行的具體作業(yè)指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)交互中間件的中轉(zhuǎn)，下發(fā)到各單元級CPS，控制設(shè)備執(zhí)行。

（4）數(shù)據(jù)分析：管控軟件記錄多次訂單信息和排產(chǎn)調(diào)度結(jié)果，根據(jù)積累的實(shí)例對虛擬產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方向分為工藝優(yōu)化和生產(chǎn)效率提高兩部分，前者所需的數(shù)據(jù)主要為刀具信息等工藝參數(shù)，后者所需的數(shù)據(jù)一般為排產(chǎn)調(diào)度結(jié)果。數(shù)據(jù)分析的功能能夠通過機(jī)器學(xué)習(xí)[13-15]和大數(shù)據(jù)分析[16-18]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如采用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建智能預(yù)測模型，建立生產(chǎn)加工中輸入輸出的數(shù)據(jù)映射，用大量樣本訓(xùn)練出具備智能決策功能的系統(tǒng)。

三、基于CPS 的智能產(chǎn)線構(gòu)建案例

（一）單元設(shè)備布局

以標(biāo)準(zhǔn)自動化機(jī)加產(chǎn)線為參考，選取構(gòu)建產(chǎn)線的設(shè)備并規(guī)劃布局。CPS 產(chǎn)線的設(shè)備單元布局（圖6）包含4 臺數(shù)控加工中心、1 個裝卸站（內(nèi)含2 個裝卸工位和1 個交換工位）、1 臺工業(yè)機(jī)器人、3 組貨架以及安全門等設(shè)施。工件通過裝卸站進(jìn)出產(chǎn)線，并由工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)到加工中心或貨架上。加工中心的軟件系統(tǒng)為西門子828D 4.7，提供西門子OPC UA 2.2 數(shù)據(jù)交互接口，具備刀具壽命管理功能。工業(yè)機(jī)器人、倉儲設(shè)施和裝卸站由西門子S7-1500PLC 進(jìn)行統(tǒng)一控制，并提供了西門子OPC UA 數(shù)據(jù)交互接口。圖6 中設(shè)備單元通過數(shù)據(jù)交互接口與虛擬產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并受到虛擬產(chǎn)線管控軟件的統(tǒng)一管控。

圖6 CPS 產(chǎn)線的設(shè)備單元布局

（二）虛擬產(chǎn)線構(gòu)建

1.代理模型三維可視化

代理模型的三維可視化是將單元級CPS 的物理實(shí)體以三維建模的方式在信息空間中進(jìn)行全要素重建，并且通過輸入單元級CPS 中采集的數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型與其對應(yīng)的物理實(shí)體同步動作。其中，加工中心的三維模型根據(jù)實(shí)體當(dāng)前的刀具種類、托盤位置、主軸坐標(biāo)等數(shù)據(jù)同步再現(xiàn)工件加工情景；工業(yè)機(jī)器人的三維模型通過實(shí)體的位置坐標(biāo)以及六軸旋轉(zhuǎn)角度實(shí)時還原物理產(chǎn)線中的機(jī)器人位姿；安全門的三維模型根據(jù)實(shí)物反饋的開關(guān)狀態(tài)執(zhí)行開關(guān)動作；裝卸站與貨架的三維模型則無須動作。

代理建模三維可視化加強(qiáng)了工人對虛擬產(chǎn)線的直觀認(rèn)知，提高了人機(jī)交互的可操作性，并且能夠?qū)崟r監(jiān)控產(chǎn)線運(yùn)行。產(chǎn)線三維模型可視化主界面（圖7）通過實(shí)線分為3 塊區(qū)域：1號區(qū)域是虛擬產(chǎn)線的可視化主視角；2 號區(qū)域是虛擬產(chǎn)線的3 個副視角，監(jiān)控產(chǎn)線的關(guān)鍵位置，從上到下分別是機(jī)器人視角、托盤庫視角和裝卸站視角；3 號區(qū)域從上到下是貨架的實(shí)時狀態(tài)與作業(yè)排產(chǎn)計(jì)劃結(jié)果，排產(chǎn)的主要依據(jù)是生產(chǎn)規(guī)則與生產(chǎn)資源。

圖7 產(chǎn)線三維模型可視化主界面

2.虛擬產(chǎn)線關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

（1）生產(chǎn)排產(chǎn)與資源調(diào)度：管控軟件的生產(chǎn)排產(chǎn)功能采用基于規(guī)則的排產(chǎn)方法。產(chǎn)線可調(diào)度的資源包括加工中心、刀具、托盤、貨架等。管控軟件進(jìn)行排產(chǎn)時，將生產(chǎn)訂單信息拆解為一條條具體的作業(yè)指令，并根據(jù)生產(chǎn)加工規(guī)則為不同的作業(yè)指令分配相應(yīng)的資源，例如某工件在某號加工中心使用若干種刀具完成加工后搬運(yùn)到某號貨架存儲。管控軟件還會自動統(tǒng)計(jì)被調(diào)度的設(shè)備完成一次作業(yè)指令所需的時間，并輸出相應(yīng)的排產(chǎn)計(jì)劃結(jié)果。排產(chǎn)調(diào)度可視化界面（圖8）是生產(chǎn)排產(chǎn)與資源調(diào)度功能的管理界面，可顯示各種設(shè)備單元在未來24h、48h 以及7d的排產(chǎn)計(jì)劃。此外，若存在因刀具壽命不足、機(jī)床故障等因素而無法執(zhí)行的作業(yè)，則在圖中對應(yīng)位置以警告標(biāo)志示意。

圖8 排產(chǎn)調(diào)度可視化界面

（2）指令下發(fā)：排產(chǎn)和調(diào)度結(jié)果以具體的作業(yè)指令的形式輸入物理產(chǎn)線。指令下發(fā)流程（圖9）中，虛擬產(chǎn)線的管控軟件先根據(jù)生產(chǎn)訂單信息、加工中心、物料的狀態(tài)進(jìn)行排產(chǎn)，再將排產(chǎn)結(jié)果細(xì)分為不同的指令并且排列出所有加工中心的指令列表（包括物料出入產(chǎn)線指令、物料產(chǎn)線內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)指令、生產(chǎn)加工NC 指令、生產(chǎn)加工改換、裝卸刀具指令等），最后將所有指令下發(fā)到物理產(chǎn)線，使物理產(chǎn)線依照指令的內(nèi)容和順序開始工作。

圖9 指令下發(fā)流程

物理產(chǎn)線的各種設(shè)備都有對應(yīng)的控制指令。指令內(nèi)容（圖10）依照指令作用的對象分為機(jī)器人指令與工作設(shè)備指令。

圖10 指令內(nèi)容

以機(jī)器人指令為例。機(jī)器人的工作路徑（圖11）有4 個階段，分別為從裝卸站到貨架、從貨架到工作設(shè)備、從工作設(shè)備到貨架、從貨架到裝卸站。這4 個階段中機(jī)器人的運(yùn)動都能夠由位置和動作兩類數(shù)據(jù)來描述，即機(jī)器人移動到目標(biāo)位置執(zhí)行裝貨和卸貨動作。因此，機(jī)器人指令提供的就是目標(biāo)位置和對應(yīng)動作。產(chǎn)線上還有許多需要指令下發(fā)控制的工作設(shè)備。數(shù)控機(jī)床除了工件進(jìn)出時的開關(guān)門指令外，還需要來自訂單的工藝主數(shù)據(jù)以控制加工過程中的進(jìn)刀、換刀等工序。而諸如生產(chǎn)線外圍的示警燈、安全門等設(shè)備通常只需要簡單的開關(guān)指令。

圖11 機(jī)器人工作路徑

（3）數(shù)據(jù)分析：虛擬產(chǎn)線的作業(yè)排產(chǎn)結(jié)果與設(shè)備實(shí)際加工情況往往存在一定的偏差，其主要原因是實(shí)際加工工序所需的時間與理論時間不完全一致。虛擬產(chǎn)線的數(shù)據(jù)分析功能通過收集大量的歷史排產(chǎn)結(jié)果與實(shí)際作業(yè)完成情況對各工序所需時長進(jìn)行自動修正，實(shí)現(xiàn)作業(yè)排產(chǎn)的自主優(yōu)化。當(dāng)虛擬產(chǎn)線中記錄的工序時長越接近實(shí)際工序時長時，作業(yè)排產(chǎn)將適度減少工序之間的時間間隔，令排產(chǎn)計(jì)劃更加緊湊，從而提高生產(chǎn)效率。

上述功能的實(shí)現(xiàn)令虛擬產(chǎn)線能夠?qū)ξ锢懋a(chǎn)線的所有設(shè)備單元進(jìn)行統(tǒng)一管控。生產(chǎn)排產(chǎn)與資源調(diào)度以感知物理產(chǎn)線狀態(tài)為前提并結(jié)合生產(chǎn)訂單信息進(jìn)行，因此產(chǎn)線生產(chǎn)加工的零件種類不會受到限制。作業(yè)指令通過管控軟件統(tǒng)一生成，經(jīng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到對應(yīng)的產(chǎn)線設(shè)備單元，免去了煩瑣的設(shè)備軟件系統(tǒng)配置過程。因此，產(chǎn)線能夠以低成本增加單元級CPS，擴(kuò)展能夠生產(chǎn)加工的工件種類范圍，也可以替換特定的單元級CPS 甚至重構(gòu)自身，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和需求。

（三）數(shù)據(jù)交互中間件搭建

本文采用工業(yè)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)交互中間件IdcSentry 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，輔助指令下發(fā)。該中間件以工業(yè)數(shù)據(jù)采集隊(duì)列為基礎(chǔ)，具備協(xié)議適配組件、數(shù)據(jù)處理組件和服務(wù)提供組件。數(shù)據(jù)交互中間件的工作狀態(tài)（圖12）展示了部分正在處理的數(shù)據(jù)項(xiàng)與中間件的通信狀態(tài)，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由、轉(zhuǎn)義、過濾等處理，最終采用Socket、Web Socket 和RESTfull API 協(xié)議向上提供數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)。

圖12 數(shù)據(jù)交互中間件的工作狀態(tài)

四、結(jié)論

本文提出了一種基于CPS 的智能產(chǎn)線構(gòu)建方法，簡要闡述了將產(chǎn)線設(shè)備改造為單元級CPS和構(gòu)建系統(tǒng)級CPS 產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)，并通過智能產(chǎn)線構(gòu)建實(shí)例分析了該方法的可行性。

相較于傳統(tǒng)的產(chǎn)線構(gòu)建方法，文中方法的優(yōu)勢在于其構(gòu)建的CPS 產(chǎn)線能夠以低成本增刪和替換新的單元級CPS，既易于擴(kuò)展產(chǎn)線功能，又降低了產(chǎn)線重構(gòu)的成本。本文驗(yàn)證了CPS 產(chǎn)線的可擴(kuò)展性以及對制造企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、個性化和定制化方向發(fā)展的價值。

制造產(chǎn)業(yè)的不斷升級促使其對產(chǎn)線柔性化、個性化和可重構(gòu)性的要求越來越高。如何以低成本構(gòu)建功能復(fù)雜的智能產(chǎn)線或重構(gòu)已有產(chǎn)線使之適應(yīng)全新的生產(chǎn)環(huán)境成為制造產(chǎn)業(yè)智能化升級的新研究方向?；贑PS 的智能產(chǎn)線構(gòu)建方法為解決該問題提供了一種途徑。

通過更多層級的CPS 嵌套以及更大規(guī)模的CPS 協(xié)作，可以將本文柔性可重構(gòu)產(chǎn)線的構(gòu)建方法拓展到柔性工廠、柔性產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)思路中。