离散非标大规模定制的多维全周期联合管理系统

钟臻哲 王战庆 杨明

引言

大规模定制（Mass Customization,MC)在不同的制造行业和领域当中有不同的界定标准。在离散制造业中，柔性制造、仓储管理和产品管理是构成和评价大规模定制能力（Mass Customization Capacity，MCC)的重要标准。本文提出多维度全周期联合管理系统，集成了各类异质性底层通信技术、异构计算机网络技术和工业互联网架构，将产品定制的全部生命周期纳入系统进行跨维度中心化管理。本系统能够将定制的各个环节联合起来，大大降低产品生命周期中的信息流动成本。

大规模定制是一种集智能制造、物联网、大数据、人工智能和移动互联网应用于一体的新型生产模式，其特征为从需求开始，经过设计、生产、物流、销售、服务，再反馈到需求形成闭环，整个过程围绕客户需求展开。离散制造业为实现产品定制的快速反应，就必须实现对包括售前、研发、采购、生产、售后和物流全周期的统合管理[1]。随着通信、自动化、计算机网络、物流管理和互联网等技术的逐渐成熟，大规模定制的定义重构、架构演进和技术实现已经成为一个跨学科的课题[2]。其中涉及的架构，管理和优化问题吸引了诸多学者进行深入研究[3][4]。

在本文中,基于智能制造中全生命周期、企业层级和业务功能的三维模型[5],我们提出一套具备中心化的全周期联合管理系统架构（Centralized United Management Architecture)。基于该架构，本文继续提出一种中心化的多产线全生命周期管理系统（Centralized United Management System)。这套系统能够实现对定制化产线生命周期的信息化，系统接入的权限分级和智能化多线生命周期的集成管理，为中小企业构建自己的工业互联网体系提供一套参考基础。

图1 大规模定制智能制造全生命周期联合管理软件架构

中心化产线生命周期管理架构

本文提出了一种对产线、产品和企业办公协同进行数字化一体管理的工业互联网软件架构。该软件架构集成了全生命周期、企业全系统层级和物联网全连通功能的管理模块，其中包括了集成计算机辅助系统（CAx,包括自有CAx模块和外部CAD、CAE、CAM、CAQ等软件的集成支持)、制造执行系统（MES)、企业资源计划（ERP)、客户关系管理（CRM)、仓库管理系统（WMS)、电子商务（Ecommerce)、供应链管理（SCM)等常用制造业生命周期重要模块，也预留出特定行业和具备特定功能的制造业所需的拓展功能，如高级计划与排程（APS)、（场外)运输管理系统（TMS)、实验室信息管理系统（LIMS)等。在决策辅助功能上，各模块的数据被聚类、预处理后以语义化时序数据的形式格式化存储于数据库中，方便其他模块调阅。人工智能模块通过shapelet贝叶斯优化的长短期记忆网络读取数据后对生产、物流和库存等生命周期数据进行推断。决策辅助功能模块将时窗内的推断结果图表化展示。

本架构在应用层面表现为信息流的中心化流动、存储和处理，跨模块信息流由JSon/XML格式进行归一化存储。之后通过中心化的数据处理和储存，降低了架设系统的难度，提升了工业互联网落地软件的维度覆盖能力。在网络架构上应用了分布式的存储/运算服务器架构，保证了每个节点的基本运算和储存能力，保证了整体网络的冗余性、鲁棒性和服务的多样性。

一种基于联合管理软件系统的多维度多产线生命周期管理架构

基于上文提出的中心化产线生命周期管理架构，我们将多条产线的全生命周期管理系统并接入企业的中心化联合管理软件，实现了一套具备多线管理功能的联合管理系统。系统功能包括并行的多线全周期管理模块、离散软件版本控制、售前售后服务数据系统、产品代际演进和产线生命周期等企业生命周期的迭代，架构示意如图2。

图2 大规模定制架构的多线中心化生命周期嵌套迭代系统

本套多维度生命周期的管理系统，可以有效规范全产品线的生产行为，对企业发展轨迹进行有效溯源。同时基于多产线数据的知识图谱化范式数据，可以对不同模块管理下的企业经营状态和产品现状进行有效归一化、可视化，降低决策成本，提升企业决策质量。中心化联合管理系统的物质流、网络拓扑、信息流管理架构逻辑如图3所示。

图3 多线中心化生命周期嵌套迭代系统的一种实现

本架构包括一套基于异构网络的可靠低延迟网络：由有线网络、无线个域网、局域网和广域网构成的异质化异构网络保证了网络基础设施存在冗余，如基于一般工业总线技术（EIP-legacy/TSN,PROFIBUS，EtherCAT等)实现了生产过程数字化；基于Zigbee、Wi-Fi（802.11b/a/g/n/ac/ax)或EDGE/WCDMA/LTE/5G移动网络实现园区智控。以上模块的数据集中于数据中台，中台与后台服务打通，部署位置分离，保证了数据防灾。后台内提供一套自主研发的联合管理信息门户,确保信息流能够持续稳定，现场与中台之间的低时延上下行链路保证物质流在信息空间中的映射能够及时有效。在传统PLC架构的基础上添加了EIP连接，将产线数据接入工业互联网,基于IP实现了产线数据的数字化，并且基于多种动态路由算法进行自组网，实现即插即用。网络层亦通过VLAN、IP端口隔离、应用权限分级、MD5加密等多层隐私和安全技术，实现具有物联网安全措施的生产过程信息化，保证各职能部门对多维产线具备对应的掌控能力。在产线控制层面，所有连接均通过集成的一体化网关单元（图3中绿色节点)进行协议转换的全连接控制。

基于该网络进行联合管理的物质流和信息流具备以下特性。首先，工业互联网中物联网络的迅捷物质流。利用中心化联合管理系统将定制过程中的所有流程接入分布式运算能力，基于计算机视觉识别、RFID等技术监控园区内外的人、物流，实现实时准入控制及数字化足迹存储。其次，中心化联合管理系统的智能信息流。基于相关物质流的数字化，联合管理系统获得了数字办公室、园区和工厂的数字全映射能力。本系统基于Json/XML等跨机器语言复用的语义结构保存和传输生产周期中物质流的大数据，管理系统能够预处理并使用相关大数据，将其信息化供其他相关功能模块（ERP、MES、WMS等)查询、交互和演进，完成跨功能边界语义交互。

基于该架构的工业现场和联合管理系统消除了各个设备之间的信息孤岛，并通过模块化的设计提供了良好的拓展能力。通过可视化的拖拉拽界面还可以自动生成现场端、网络端和前端的代码和界面，大大降低了开发难度，提升了智能制造服务提供商为各个中小企业提供信息化与数字化服务的能力。

结论

随着工业4.0的自动化、数字化和智能化浪潮，制造行业不断进行着自我迭代升级。这股浪潮来势强劲，领跑者和追赶者之间的鸿沟愈发明显，先进团队与后进团队在技术方案、升级意向以及投资回报率上产生显著分化。本文所展示的“快捷反应产线+完整中心管理系统+多产线混合迭代”的全生命周期管理系统，可以为中小企业拥抱产业升级提供一个低门槛、快反应的方案。该多维度联合管理系统在不断扩展其能力边界的同时，能够帮助从事制造业的企业巩固现有优势，保证企业在向更高附加值业务扩张的同时，保持足够的人员、资源和流动性支撑。

注

项目来源：科技部创新方法工作专项（2020IM010100)基于多维度创新方法的疫情防控产品研发与快速转化应用