基于信息物理系统的移动终端智能工厂模型研究

第一作者 北京机械工业自动化研究所 孙嘉玉

第二作者 中国信息安全研究院有限公司 王啸

Research & Discussion 研究与探讨

基于信息物理系统的移动终端智能工厂模型研究

第一作者 北京机械工业自动化研究所 孙嘉玉

第二作者 中国信息安全研究院有限公司 王啸

近几年通讯与信息技术迅猛发展，互联网与制造业联系日趋紧密，信息物理系统也融入制造业中来，随着《中国制造2025》重大发展战略的提出，企业逐步向智能工厂模式转变，由其对于移动终端制造而言，产品的个性化和市场快速变化的需求使移动终端智能工厂的建设成为内外研究的前沿课题。本文构建了基于信息物理系统的移动终端智能工厂模型，为移动终端智能工厂的建设提供了依据。

1引言

在过去几十年里，信息技术革命带给制造业巨大变革，工业制造过程逐渐依托于信息通信技术，从而带来一系列产业变革，为了应对新一轮产业变革，我国出台了《中国制造2025》，引领制造业要走向智能化、数字化、网络化、绿色化，企业也向智能工厂方向迈进。随着不可阻挡的互联网潮流，移动终端作为应用和信息的载体，需求快速增长，功能不断完善，融合了手机、掌上电脑、相机、电子书等诸多功能，具有广阔的前景和告诉增长的出货量，因此移动终端智能工厂的研究成为国内外研究热点。

信息技术基础设施建设和服务不断完善，嵌入式系统通过无线网络与其他计算机连接并接入英特网，物理世界和网络空间通过信息通讯技术和网络物理系统的形式融合在一起，形成信息物理系统。

智能工厂利用信息物理系统和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，在智能工厂中，人类、机器和物料互相交流，就如同在一个社会网络，移动终端智能工厂的框架模型构建对移动终端智能工厂的建设具有指导性作用，本文基于信息物理系统，构建移动终端智能工厂模型，使移动终端智能工厂有能力管理移动终端复杂的生产经营过程，使其不受干扰和破坏并能更加有效地生产产品，完善经营。

2移动终端智能工厂模型结构

移动终端具有体积小、耗能少、功能多的特性，向着个性化和定制化方向发展，多品种小批量成为主要的生产模式，工厂往往有上百种零件需要加工和组装，在配置、规划、制造和运作阶段需要满足个别客户的特殊需求，甚至为了适应市场变化，需要在最后一分钟完成改变，这样零件品种多、批量变化快并且涉及范围广的生产模式对生产的柔性要求较高，而基于信息物理系统的网络可以动态配置业务流程，包涵成本、时间、质量、风险等诸多因素，协助生产过程以及供应链微调，即在较短的时间内可以变更计划、工艺，使得由于供应问题造成的物料暂时短缺问题得以弥补，并使生产过程更为敏捷。

智能制造系统架构有生命周期、系统层级、智能功能三个维度，生命周期维度包括设计、生产、物流、销售、服务，系统层级包括设备层、控制层、车间层、企业层和协同层，智能功能维度包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合、新兴业态。根据智能制造系统架构、移动终端智能工厂业务和行业特点，以打通企业生产经营全部流程，提供智能工厂终端到终端的解决方案为着眼点，构建了基于信息物理系统的移动终端智能工厂模型，模型结构如图1所示，借助信息物理系统紧密衔接企业各个业务环节信息，包括一个公司内的采购、产品设计、制造、销售等业务以及公司间材料、能源和信息的交换。实现信息综合集成和数据实时共享，选择功能耦合度高的层级按照业务规划划分为智能设计、智能经营、智能生产、智能服务四个部分。

图2 CPS的层次演进

3移动终端智能工厂模型功能

3.1 信息物理系统

信息物理系统CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间的人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

信息物理系统CPS支撑移动终端企业纵向集成、横向集成与端到端集成，实现工业体系与信息体系的深度融合以及全面智能化。通过物联网、服务网将企业设施、设备、组织、人互通互联，集计算机、通信系统、感知系统为一体，实现对物理世界安全、可靠、实时、协同感知和控制，对物理世界实现“感”、“联”、“知”、“控”。信息物理系统从技术维度可分为五层：

1）感知执行层: 包括以感知装置和智能设备为代表的生产物理实体、物联网、现场数据采集与命令执行以及现场设备安全防护等。

2）适配控制层：解决不同系统及设备间的兼容通讯问题，并对生产装备与系统的健康、工况等状态进行综合评估；接受下发的本地控制执行模型，进行自组织、自适应的控制适配调整。

3) 网络传输层：承担数据、信息与指令的传输与通讯，包括ICT物理实体与系统软件部分、网络与数据安全部分、基础网络与设备集群间通讯部分等。

4）认识决策层：认知决策层是CPS信息物理系统中的管理决策中枢，包括信息认知与挖掘，计算与数据管理，根据决策的需求建立控制执行模型库，进行决策分析。

5）服务平台层：服务平台层提供安全环境下的工业协同价值网络。包括管理安全，在工业协同环境下，协同过程中的可用性、可靠性、机密性、完整性、操作安全和身份确认是保障智能制造体系下协同安全的重要主题。

从应用维度来讲，信息物理系统CPS具有层次性，CPS可划分为单元级、系统级、SOS级三个层次。单元级CPS可以通过组合与集成（如CPS总线）构成更高层次的CPS，即系统级CPS，系统级CPS可以通过工业云、工业大数据等平台构成SOS级的CPS，实现企业级层面的数字化运营。CPS的层次演进如图2所示。

3.2 智能设计

基于信息物理系统的移动终端智能工厂可以提供设备终端到终端的实时透明度，实现智能设计决策的早期验证，移动终端智能工厂的设计包括工业设计、结构设计、硬件设计、软件设计四类内容，产品及其设计制造的流程较为复杂，由于移动终端功能的增加,产品定制的增加, 移动终端往往具有越来越动态交付要求,面对这种日益增长的复杂性因素，模型化的方式是一个很好的解决办法，设计人员在规划模型中明确给出创意，这些创意组成复杂的设计样例，解释性模型描述现有系统并获取系统知识，从而使用模拟仿真等分析手段，可以验证设计人员的选择，数字世界通过规划模型对现实世界的设计产生重大影响,现实世界又通过解释的模型来影响数字模型，因此智能设计包括基于模型的设计、基于模型的分析、模拟仿真、基于模型的工艺过程设计、作业指导书、质量要求和基于模型的计算机辅助编程，基于模型的设计需要高效的软件工具，如CAD、CAE、CAPP、CAM等，这些软件能够提供必要的功能,实现软件工具和流程的结合，将设计信息和工艺信息共同定义到MBD三维数字化模型中，可以保证产品数据的唯一性，智能设计也包括设计知识库和专家系统，涵盖开发流程、设计、工艺的标准、规范等信息，用于提升设计的质量和效率，工艺流程、工艺规则和工艺装备等信息则集成在工艺知识库和专家系统中，从整个生产流程视角来看，设计制造所使用的资源需要进行规划和管理，包括技术文档、产品BOM、零件信息和档案等的产品生命周期管理系统PLM最后需要与制图、分析和工艺过程设计系统集成，完成对移动终端产品从创建到报废的全生命周期的产品数字信息管理。

3.3 智能经营

移动终端智能工厂的智能经营模块在传统的管理信息化基础上，运用实时信息通讯技术和信息物理系统实现整个供应链上的业务协同、计划优化和控制，支持智能工厂和智能产品生命周期的所有方面的协作、业务流程的整合和相关业务网络的连通，将销售管理、计划管理、采购管理和质量管理等协调组合，以供应商、客户、企业设计、工艺、采购、物流、生产、交付、服务业务管理为核心，实现企业资源计划ERP、供应链管理SCM、客户关系管理CRM、全面质量管理QMS等信息系统的集成应用，完成对工厂物流、信息流、资金流的优化与管控，及时响应需求变动，缩短制造周期，提高生产效率，全面、安全、可靠的管理全价值链，为生产网络信息集成和优化调度提供支持。具体而言，企业资源计划管理系统涵盖销售、采购、生产、财务、人力、仓库、设备、项目管理等模块的业务应用及集成，实现公司内部资源的统一管理，供应链管理SCM具有供应链计划、供应商关系、电子采购、招投标管理等功能，对生产资源以及订单状态进行实时跟踪，客户关系管理CRM包含客户关怀管理、市场信息管理、合同管理、售后服务管理等部分，实现对客户、市场、资金资源的综合管理和实时控制。全面质量管理QMS覆盖研发、采购、制造及售后全过程质量信息体系，涵盖质量标准体系、到货检验、生产过程检验、成品检验以及质量信息的统计分析等过程。

3.4 智能生产

信息物理系统通过整个价值网络对制造过程进行动态优化，提高资源利用效率，提升产品产量。在生产柔性高的移动终端智能工厂中，生产的结构无法被固定和预定义，而需要定义一组的配置规则，用于在不同种类订单基础上为每一种情况自动生成一个特定的生产拓扑结构包括所有相关的模型、数据、制造资源、通信和算法方面的需求。

基于信息物理系统的移动终端智能工厂中智能生产系统由智能装备、智能控制、智能物流、制造执行四个分系统组成。智能装备包括操作设备、服务器、工作站、网络接入设备、智能自动化设备，例如自动组装设备、自动检测设备、自动贴片设备、总装自动线等，建立基于信息物理系统的可配置的动态生产线，可以使产品在装配车间里由一个装配模块自动的移动到下一个装配模块，完成智能终端在各个相关的工作中心间的自动转移。制造执行包括生产计划调度、数据采集、物料跟踪、生产能力分析、过程监视、目视化管理、设备监控及维护等功能，用于支持高效的生产执行过程。智能控制包括现场总线控制系统、可编程逻辑控制器、工业无线控制系统和集散控制系统等，运用传感器采集数据，进行顺序控制，连续控制，循环控制，处理操作数据、机器数据数据，进行归档、趋势分析、规划与优化功能等，采用递阶控制的形式，由企业资源计划管理系统ERP管控多个制造执行系统MES，再由MES管控多个柔性制造系统。智能物流主要由智能立体仓储系统、智能物流配送系统、智能控制系统和库存效能分析系统等部分组成，用于全面采集物流过程数据，监控物流资源实时状态，管控物流过程，辅助物流计划决策的制定，使生产过程更加稳定高效。

智能生产系统互联互通的运行，需要确保不同层次的驱动器和传感器中终端到终端的数字集成到ERP层，这也需要开发模块化和重用策略，来实现终端特设网络和可重构的生产系统，生产系统正向可控的、可管理的、灵敏的、自适应的系统集成和发展，在这个过程中功能性信息物理系统组件可以通过自我协同组合配置到现有基础设施中，长远来看，模块化信息物理系统和相应的组件将成为模型化智能工厂的关键部分。

3.5 智能服务

在信息物理系统CPS的支持下，移动终端智能工厂的智能服务包括售后服务与增值服务两项，售后服务着眼于产品全生命周期，记录发生的设计、工艺、生产、维修等各种业务处理过程信息，进行全过程的服务管理，通过售后服务、进行产品质量跟踪、追溯、分析以及维修服务。增值服务包括产品设计、提高产品效能、产品交易便捷化和产品集成的增值服务。

网络技术的快速发展进一步激发了机械制造系统的潜能从而也进一步提高了生产力，远程服务利用远程技术以及控制硬件去为人类提供更高效、更快捷的服务，建立在智能工厂和客户、供应商之间，支持以消费者为中心的个性化定制设计服务，智能工厂服务系统可以通过私人网络安全地访问客户的网络系统，这种方法能够让生产商远程的对客户的制造系统进行控制以及诊断修理，从而减少了维修的时间，提高了生产效率，随着移动终端智能化工厂进一步的发展，技术人员在维修机器时将不再手动连接到机器，制造系统会自动连接到基于云的远程平台，以寻找合适的专家来处理有关情况。然后，专家们能够使用集成知识平台，视频会议工具和工程方法，通过移动设备更有效地执行传统的远程维护服务，记录历史数据，进行大数据分析，从而提高产品效能、降低维修成本。在移动终端市场，客户往往需要打包的产品和服务，移动终端智能工厂则需按照客户需求整体规划，提供集成的服务和解决方案。

4结语

本文从智能设计、智能经营、智能生产、智能服务四个功能模块阐述了基于信息物理系统的移动终端智能工厂模型，智能工厂的资源、过程和产品都由信息物理系统进行特征定义，形成协同工作模式，使智能工厂在质量、时间、成本上比传统制造更有优势，具有更高的生产效率，移动终端智能工厂模型对制造业其他智能工厂的规划建设也有一定的参考意义，智能工厂的建设有利于提高我国制造业水平，从而在新一轮科技革命和产业变革中更好发展。