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01目標(biāo)和概述

1.1　行業(yè)挑戰(zhàn)

近年來(lái)，隨著用戶和消費(fèi)者多樣性需求的上升，個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求量飛速提升。在美國(guó)預(yù)測(cè)的“改變未來(lái)的十大技術(shù)”中，“個(gè)性化定制”被排在首位，其市場(chǎng)地位越來(lái)越被人們認(rèn)可。

但當(dāng)前的大批量、剛性制造模式卻難以滿足這種需求。其挑戰(zhàn)是：批量化、剛性生產(chǎn)系統(tǒng)是針對(duì)已知的、既有產(chǎn)品的工藝流程專門設(shè)計(jì)的，不具有靈活性，且停產(chǎn)更新周期長(zhǎng)。機(jī)械、鈑金等裝備以及電子產(chǎn)品的制造都面臨上述挑戰(zhàn)。以個(gè)性化定制屬性鮮明的電梯零部件裝配為例，電梯上坎門頭部件共有20多個(gè)裝配工序，一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更，管理軟件的裝配工序模型需要增刪、修改，導(dǎo)致產(chǎn)線布局變化，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)需要重新配置，20多個(gè)控制器的程序和機(jī)器人的工步、程序也需要調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)需要1周以上的離線調(diào)整時(shí)間。很顯然無(wú)法滿足個(gè)性化定制產(chǎn)品小批量甚至單件化定制。因此，電梯行業(yè)的零部件裝配環(huán)節(jié)只能依靠大量工人來(lái)保證生產(chǎn)線的適應(yīng)性和靈活性。導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的個(gè)性化定制電梯普遍交付周期都在15天以上，產(chǎn)能難以提高。

1.2　解決方案目標(biāo)與總體概述

面向個(gè)性化定制產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)與傳統(tǒng)大批量、剛性制造模式之間的矛盾，針對(duì)電梯、航空航天等裝備以及電子產(chǎn)品等個(gè)性化定制屬性鮮明的行業(yè)，重點(diǎn)突破傳統(tǒng)剛性、大批量生產(chǎn)系統(tǒng)靈活性差，隨工藝變更的系統(tǒng)停產(chǎn)調(diào)整周期長(zhǎng)的難題，本項(xiàng)目基于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在邊緣計(jì)算層面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新性提出一種面向個(gè)性化定制的自適應(yīng)可重構(gòu)、物聯(lián)化智能制造技術(shù)體系和原型系統(tǒng)。最終形成以“ThingOrigin物源”邊緣技術(shù)全棧為基礎(chǔ)的自適應(yīng)可重構(gòu)的物聯(lián)化智能制造技術(shù)體系。

基于ThingOrigin物源平臺(tái)的可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)如圖2所示。

首先，在物理層，從原來(lái)的剛性流水線改變?yōu)橛煽芍貥?gòu)模塊化加工裝配單元、柔性智能物流系統(tǒng)組成的模塊化、可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)，從而使生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)解耦，可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝流程將所需的生產(chǎn)單元快速重組為新的生產(chǎn)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)單元的精確對(duì)接，需要研究室內(nèi)定位、同步定位與建圖（SLAM）技術(shù)。

其次，在網(wǎng)絡(luò)層，由于物理層從剛性生產(chǎn)線變成了模塊化生產(chǎn)單元，原來(lái)的有線網(wǎng)絡(luò)不能夠滿足模塊化生產(chǎn)模式的需要，需要引入安全可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并解決有線、無(wú)線組成的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合及自適應(yīng)重構(gòu)與靈活調(diào)度的問(wèn)題。故需要在網(wǎng)絡(luò)層研究可靠工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)和工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SDN）。

最后，在信息層，為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速變化，研究數(shù)字工廠建模技術(shù)，數(shù)字雙胞胎以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力，發(fā)揮著物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用。

02解決方案介紹

針對(duì)上述挑戰(zhàn)與目標(biāo)，本解決方案實(shí)現(xiàn)了如下的系統(tǒng)架構(gòu)（如圖3所示）與主要軟硬件支撐技術(shù)。

（1） 關(guān)鍵技術(shù)1：室內(nèi)定位與SLAM導(dǎo)航

針對(duì)室內(nèi)定位，研究基于UWB與慣導(dǎo)融合算法，對(duì)其引入陣列定位算法，將基于EKF的UWB與慣導(dǎo)系統(tǒng)相融合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；研究并改進(jìn)現(xiàn)有的自適應(yīng)蒙特卡洛定位算法，并對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)，解決其存在的全局定位失效和綁架移動(dòng)機(jī)器人問(wèn)題，增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、物品位置信息進(jìn)行定位與跟蹤，輔助生產(chǎn)單元重組。

針對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)有導(dǎo)航方式靈活性差、精度低等問(wèn)題，研究SLAM導(dǎo)航技術(shù)，對(duì)比并改進(jìn)現(xiàn)有的Hector、Karto、Gmapping三種主流激光雷達(dá)SLAM方法，并結(jié)合UWB與慣導(dǎo)融合后提供的位姿，提升選擇的SLAM方法的綜合性能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的靈活、自主導(dǎo)航及毫米級(jí)對(duì)接。

（2）關(guān)鍵技術(shù)2：可重構(gòu)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高溫、強(qiáng)震動(dòng)等惡劣環(huán)境，研究高能效寬帶頻譜感知及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信道遷移模型，提高工業(yè)無(wú)線通信的可靠性；針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)同時(shí)接入的需求，研究新型接入機(jī)制、可靠MAC機(jī)制和跨層資源優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠接入。

針對(duì)現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)法針對(duì)變更業(yè)務(wù)在線調(diào)整問(wèn)題，研究基于SDN的可管控、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決傳統(tǒng)架構(gòu)缺乏全局管控和優(yōu)化手段的問(wèn)題；研究基于業(yè)務(wù)需求的按需資源動(dòng)態(tài)分配技術(shù)，通過(guò)資源抽象化和組件化技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行重構(gòu)并統(tǒng)一管理，滿足個(gè)性化定制等業(yè)務(wù)的部署。

（3）關(guān)鍵技術(shù)3：工藝工序自適應(yīng)重構(gòu)

實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠中的設(shè)備模型、工藝流程數(shù)據(jù)統(tǒng)一語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)化框架，構(gòu)建數(shù)字工廠雙胞胎的虛擬設(shè)備庫(kù)和工藝庫(kù)；研究語(yǔ)義化數(shù)字工廠建模，實(shí)現(xiàn)物理制造控制系統(tǒng)在信息空間的無(wú)損映射，并對(duì)人類反饋提供友好接口。

實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的規(guī)則推理機(jī)制和基于模型匹配的動(dòng)態(tài)服務(wù)組合，實(shí)現(xiàn)工藝工序的動(dòng)態(tài)重組。通過(guò)研究多維異構(gòu)數(shù)據(jù)流語(yǔ)義建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海量多維數(shù)據(jù)異構(gòu)性的屏蔽，為數(shù)據(jù)跨層跨域綜合應(yīng)用提供支持；研究面向工藝流程及生產(chǎn)調(diào)度可重構(gòu)的時(shí)空數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)檢索，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的快速、智能檢索；研究動(dòng)態(tài)服務(wù)合成技術(shù)，解決復(fù)雜任務(wù)調(diào)度中的響應(yīng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

（4）關(guān)鍵技術(shù)4：預(yù)測(cè)性維護(hù)的智能數(shù)據(jù)處理

通過(guò)故障參數(shù)特征自學(xué)習(xí)，研究故障特征提取與設(shè)備狀態(tài)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)故障參數(shù)的特征融合；研究面向單一故障機(jī)理，實(shí)現(xiàn)故障參數(shù)的解耦。由于設(shè)備狀態(tài)與故障參數(shù)之間存在著非線性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在故障特征提取過(guò)程中考慮不同影響因素的影響，建立故障特征與設(shè)備狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)模型。

研究智能工廠資產(chǎn)壽命預(yù)測(cè)維護(hù)規(guī)劃模型，引入設(shè)備的衰退性能因素，集成設(shè)備的故障診斷信息和預(yù)測(cè)信息，以總維護(hù)成本和總維護(hù)時(shí)間為目標(biāo)，研究在線監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)維護(hù)規(guī)劃建模方法，并基于實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷更新最優(yōu)預(yù)防維護(hù)策略，優(yōu)化維護(hù)成本。

（5）關(guān)鍵技術(shù)5：自適應(yīng)生產(chǎn)原型系統(tǒng)、測(cè)試床及離散制造業(yè)解決方案

為了測(cè)試、驗(yàn)證室內(nèi)定位與SLAM導(dǎo)航、可靠工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)、工業(yè)SDN技術(shù)、數(shù)字工廠建模技術(shù)、工藝工序可重構(gòu)技術(shù)的性能和技術(shù)指標(biāo)，并為面向個(gè)性化定制的自適應(yīng)模塊化智能制造技術(shù)體系日后的應(yīng)用與推廣提供參考實(shí)施范例，本項(xiàng)目擬研發(fā)面向個(gè)性化定制的模塊化原型系統(tǒng)，搭建測(cè)試床并研發(fā)電梯個(gè)性化定制解決方案。

本解決方案的支撐技術(shù)體系和產(chǎn)品將為探索適應(yīng)中國(guó)現(xiàn)狀的智能制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和解決方案，推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型起到積極的推動(dòng)作用。

03代表性及推廣價(jià)值

本項(xiàng)目共計(jì)形成面向電梯個(gè)性化定制生產(chǎn)系統(tǒng)、面向鈑金加工個(gè)性化定制生產(chǎn)系統(tǒng)兩大類示范應(yīng)用，在2017~2019年間共計(jì)形成經(jīng)濟(jì)效益2.3億元。

在社會(huì)發(fā)展方面，我國(guó)提出了《中國(guó)制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略，到2025年，對(duì)我國(guó)的制造企業(yè)進(jìn)行全面升級(jí)改造，達(dá)到制造強(qiáng)國(guó)目標(biāo)。物源平臺(tái)將對(duì)我國(guó)制造業(yè)升級(jí)提供工具平臺(tái)支撐和技術(shù)保障，將形成符合我國(guó)國(guó)情的智能制造解決方案，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)離散制造行業(yè)向批量定制的生產(chǎn)方式升級(jí)具有重要的意義。

在技術(shù)進(jìn)步方面，物源平臺(tái)是IT技術(shù)與OT技術(shù)的融合，是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、語(yǔ)義化Web技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)信息化技術(shù)的全面升級(jí)。具體包括以下幾個(gè)方面：

（1）基于互聯(lián)網(wǎng)Web化開放服務(wù)模式，構(gòu)建了新一代服務(wù)與離散制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)。通過(guò)集成傳感網(wǎng)，提高制造信息化系統(tǒng)對(duì)設(shè)備工況的精確感知和精準(zhǔn)管控；通過(guò)語(yǔ)義化Web服務(wù)集成，擴(kuò)大了底層生產(chǎn)硬件設(shè)備與PLM/ERP/MES系統(tǒng)的互聯(lián)與集成程度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全流程、全生命周期優(yōu)化。

（2）為傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，提供了新的技術(shù)方案，將引領(lǐng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。

（3）初步形成了面向離散制造業(yè)的互聯(lián)生產(chǎn)與智能服務(wù)新模式，構(gòu)建了面向離散裝備制造行業(yè)的新型應(yīng)用系統(tǒng)，為智能工廠的發(fā)展提供了新的技術(shù)體系。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年增刊《邊緣計(jì)算2019專輯》