基于全制造服務(wù)周期的智能工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

張祖國(guó)（1. 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一四研究所，北京 100101）

基于全制造服務(wù)周期的智能工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

張祖國(guó)1， 2
（1. 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一四研究所，北京 100101）

為支撐工廠的制造智能化，需要建立有效的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)。智能工廠的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)應(yīng)在保護(hù)既有遺存系統(tǒng)和制造資源的基礎(chǔ)上，滿足制造資源動(dòng)態(tài)配置的需求及制造服務(wù)化需求，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間集成?；趶难邪l(fā)創(chuàng)新到產(chǎn)品運(yùn)維的全制造服務(wù)生命周期迭代過(guò)程，構(gòu)造智能工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型。模型從微服務(wù)架構(gòu)出發(fā)，建立制造資源的分類樹，并進(jìn)行服務(wù)封裝，構(gòu)造微制造服務(wù)單元，通過(guò)改進(jìn)的企業(yè)業(yè)務(wù)總線和集成開發(fā)環(huán)境，發(fā)布制造應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能工廠運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)。基于微服務(wù)的企業(yè)業(yè)務(wù)總線既保持對(duì)遺存系統(tǒng)的繼承，也可彈性部署以支持不同規(guī)模的智能工廠。企業(yè)業(yè)務(wù)總線在智能工廠環(huán)境下的數(shù)據(jù)總線、知識(shí)總線、流程總線和安全總線子類，及多個(gè)服務(wù)域的部署通過(guò)案例予以闡明。

智能制造；全制造服務(wù)周期；微制造服務(wù)單元；企業(yè)業(yè)務(wù)總線；服務(wù)域；制造應(yīng)用商店

0　引　言

智能制造（IM，Intelligent Manufacturing）作為信息技術(shù)、管理流程與經(jīng)營(yíng)模式結(jié)合而成的制造服務(wù)狀態(tài)，無(wú)論是過(guò)程智能化和產(chǎn)品智能化，均依賴于信息系統(tǒng)的支撐。該系統(tǒng)需要考慮包括智能制造體系結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)集成方法、制造服務(wù)流程中信息交換模式、制造服務(wù)運(yùn)營(yíng)模式、企業(yè)間協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造過(guò)程與產(chǎn)品用戶之間的交互模型等諸多方面。

當(dāng)前智能制造的研究與應(yīng)用多集中在以機(jī)器人為代表的過(guò)程自動(dòng)化等環(huán)節(jié)，并逐步深入到各子系統(tǒng)間的集成和制造數(shù)據(jù)的智能分析。從系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)說(shuō)，云制造作為制造管理的云端托管模式，還不能很好地支持工廠內(nèi)從車間控制到管理層應(yīng)用的全面智能集成［1］。CPS（Cyber-Physical System）架構(gòu)［2］面向客戶，由匯聚平臺(tái)、研發(fā)應(yīng)用平臺(tái)、基礎(chǔ)服務(wù)、集成服務(wù)數(shù)據(jù)骨干構(gòu)成。該架構(gòu)針對(duì)制造資源的集成標(biāo)準(zhǔn)化、智能工廠在面對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同應(yīng)用、工廠內(nèi)部制造應(yīng)用間的通信和集成機(jī)制還有待細(xì)化。

目前大多數(shù)工廠距離工業(yè) 4.0［2］還存在相當(dāng)距離。如何從當(dāng)前實(shí)際狀況出發(fā)，一方面以彈性可重構(gòu)流程、自組織運(yùn)行并進(jìn)而支持社會(huì)化協(xié)同的智能工廠為目標(biāo)，另一方面充分繼承既有系統(tǒng)和數(shù)據(jù)、融合成熟開放的信息技術(shù)，通過(guò)定義資源和流程標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建可擴(kuò)展的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)實(shí)可行的集成方法，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能化制造、智能化產(chǎn)品和智能制造服務(wù)模式的漸進(jìn)式平滑進(jìn)化，是具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

1　需求分析

面向互聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)物協(xié)同制造模式［3］建立在單體企業(yè)的智能化基礎(chǔ)上。達(dá)到智能制造狀態(tài)的企業(yè)稱為智能企業(yè)（IME，IM-ed Enterprise）。典型的智能企業(yè)場(chǎng)景具有如下層次：IME 內(nèi)部可細(xì)分為智能車間IMW（IM-ed workshop），智能車間內(nèi)設(shè)有智能生產(chǎn)線IML（IM-ed Line），在智能生產(chǎn)線中，智能制造單元IMU（IM-ed Unit）由一系列的智能制造設(shè)備 IMD（IM-ed Device）組合而成。這種模塊化組合本質(zhì)上緣于制造過(guò)程的細(xì)粒度合作。制造環(huán)節(jié)中的合作來(lái)自于市場(chǎng)、技術(shù)、管理等維度。具體如下：

邊界擴(kuò)大。制造不僅包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。交付不再是制造的終結(jié)。產(chǎn)品使用過(guò)程中，產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)和用戶對(duì)產(chǎn)品體驗(yàn)的反饋是改進(jìn)制造的決策基礎(chǔ)之一；產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前需要更多的創(chuàng)新孵化過(guò)程，前序的預(yù)研究以及預(yù)創(chuàng)新是智能制造的重要組成。

數(shù)據(jù)繼承。遺存系統(tǒng)往往基于多樣化的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和編程語(yǔ)言。系統(tǒng)運(yùn)行所積累的數(shù)據(jù)在制造升級(jí)過(guò)程中應(yīng)得以集成或繼承。

環(huán)境監(jiān)控。設(shè)備的持續(xù)無(wú)故障運(yùn)行與維護(hù)水平是智能制造關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。有必要通過(guò)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控與參數(shù)分析、原料與工具齊套配送的快速響應(yīng)、設(shè)備故障的主動(dòng)預(yù)警、產(chǎn)品質(zhì)量控制及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，預(yù)防故障并縮短維修時(shí)間，提高工廠整體效率。

安全控制。工業(yè)控制系統(tǒng)與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)的連接將數(shù)字化制造設(shè)備暴露在除了操作者外的其他員工、合作伙伴與消費(fèi)者面前。制造設(shè)備的信息安全風(fēng)險(xiǎn)隨之加大。

知識(shí)工程。各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行所積累的數(shù)據(jù)、來(lái)自產(chǎn)品終端的運(yùn)行數(shù)據(jù)、源于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)輿情、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手與合作伙伴的信息、行業(yè)相關(guān)技術(shù)趨勢(shì)與市場(chǎng)準(zhǔn)入等競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)類信息共同構(gòu)成了工廠的制造大數(shù)據(jù)。制定業(yè)務(wù)戰(zhàn)略、產(chǎn)品更新和流程優(yōu)化的決策依賴于制造大數(shù)據(jù)的分析與商業(yè)智能挖掘。

制造社交。智能工廠在獲取訂單、明確客戶需求、設(shè)計(jì)及制造過(guò)程管理、資源分享、合作伙伴間協(xié)作、產(chǎn)品交付和用戶體驗(yàn)各環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生制造社交活動(dòng)。電子商務(wù)網(wǎng)站、獨(dú)立移動(dòng) App、基于微信微博等自媒體微營(yíng)銷平臺(tái)，需要與制造應(yīng)用融合。

系統(tǒng)集成。除了企業(yè)內(nèi)跨部門、跨流程、跨業(yè)務(wù)的系統(tǒng)間集成外，還需要兼容工廠復(fù)雜多樣的技術(shù)體系，例如私有云架構(gòu)、虛擬化服務(wù)器與桌面終端、容災(zāi)備份系統(tǒng)以及數(shù)字化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)環(huán)境下的車間無(wú)線熱點(diǎn)等。由于產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的專業(yè)化分工，智能工廠需要適應(yīng)更廣泛的供應(yīng)鏈、物流、生產(chǎn)制造及設(shè)計(jì)研發(fā)等外包伙伴。因此智能工廠既是自治系統(tǒng)，也通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口與外界其他IME協(xié)作。

動(dòng)態(tài)重構(gòu)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程會(huì)拋棄部分制造資產(chǎn)。智能工廠應(yīng)具有動(dòng)態(tài)按需配置資源的特征。企業(yè)應(yīng)滿足因產(chǎn)品更新、流程重組而帶來(lái)的制造流程變化。IMD，IMU，IML，IMW 均可以通過(guò)流程重構(gòu)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)配置，制造資產(chǎn)應(yīng)可以最大限度重用。

2　全制造服務(wù)生命周期及協(xié)作模型

從上述智能工廠的綜合需求來(lái)看，包括制造的智能化覆蓋與制造相關(guān)的各環(huán)節(jié)，而不僅僅只限于制造本身。在新的技術(shù)條件和社會(huì)分工要求下，應(yīng)將制造的預(yù)先研究、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、制造生產(chǎn)、市場(chǎng)營(yíng)銷、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、用戶服務(wù)集成到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)鏈中，構(gòu)造全制造服務(wù)生命周期（TMSL，Total Manufacturing Service Lifecycle），如圖1 所示。

在智能工廠中，TMSL 的兩級(jí)迭代循環(huán)具有如下特征：

1）全過(guò)程既包括傳統(tǒng)的制造與管理環(huán)節(jié)，也包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前的創(chuàng)新孵化階段，以及產(chǎn)品交付后產(chǎn)品運(yùn)維及用戶社區(qū)的運(yùn)營(yíng)。

2）制造任務(wù)是一個(gè)多重迭代與進(jìn)化過(guò)程，整體迭代中包括多個(gè)子系統(tǒng)的并行微迭代。

3）整體系統(tǒng)與各子系統(tǒng)作為自治系統(tǒng)，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以與其他系統(tǒng)協(xié)同工作。每個(gè)子系統(tǒng)均是一個(gè)智能體，智能工廠的完整制造服務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)多智能體系統(tǒng)。

圖1　全制造服務(wù)生命周期Fig. 1　Total Manufacturing Service Lifecycle

4）角色包括設(shè)備操作者、管理者、產(chǎn)品使用者、制造合作伙伴、制造服務(wù)個(gè)體承接者。

5）TMSL 與技術(shù)平臺(tái)無(wú)關(guān)。

智能工廠要實(shí)現(xiàn) TMSL，須考慮與協(xié)作伙伴的信息對(duì)接。從制造服務(wù)的協(xié)同對(duì)象來(lái)看，應(yīng)提供如下的兩種模型及相應(yīng)的工作模式：

1）E2E（Enterprise to Enterprise）模型。企業(yè)對(duì)企業(yè)協(xié)作模型。智能企業(yè)將部分制造環(huán)節(jié)外包給聯(lián)盟企業(yè)。

2）E2P（Enterprise to Person）模型。即企業(yè)對(duì)個(gè)體的協(xié)作模型。E2P 第一種工作模式為分包模式，適用于外包設(shè)計(jì)、產(chǎn)品體驗(yàn)的改進(jìn)、外包個(gè)體制造、臨時(shí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作等；第二種工作模式為自定義產(chǎn)品模式，用于客戶（包括最終客戶、下游批發(fā)商和零售商）通過(guò)動(dòng)態(tài)配置工具自定義產(chǎn)品參數(shù)。

3　智能工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能制造服務(wù)面向四個(gè)維度的對(duì)象：內(nèi)部員工、消費(fèi)者、緊耦合合作伙伴和松耦合伙伴。智能工廠的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為實(shí)體資源層、智能資源層、制造協(xié)作層和制造應(yīng)用層。

實(shí)體資源層包括數(shù)字化的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字化的實(shí)體制造設(shè)備，以及其他傳統(tǒng)制造資源，例如材料、物資、能源、專家工時(shí)、技術(shù)文檔、甚至碳排放指標(biāo)等。數(shù)字化實(shí)體制造設(shè)備包括工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)車、柔性控制單元、數(shù)控機(jī)床等。

李波，出生于1959年8月，中級(jí)攝影師、原昆明市東川區(qū)文化館館長(zhǎng)。中國(guó)優(yōu)秀攝影家十杰、中國(guó)藝術(shù)攝影學(xué)會(huì)會(huì)員、中國(guó)人像攝影學(xué)會(huì)會(huì)員、中國(guó)民俗攝影協(xié)會(huì)會(huì)員、東川區(qū)文學(xué)藝術(shù)界聯(lián)合會(huì)副主席、東川區(qū)攝影家協(xié)會(huì)主席、昆明攝影家協(xié)會(huì)理事。

智能資源層通過(guò)微服務(wù)架構(gòu)將實(shí)體資源封裝成智能制造資源，進(jìn)而與制造服務(wù)邏輯合成微制造服務(wù)單元。制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)作為代理接收來(lái)自制造協(xié)作層的服務(wù)調(diào)用請(qǐng)求，調(diào)用微制造服務(wù)單元或直接調(diào)用智能制造資源。智能制造所涉及到的業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備間接口標(biāo)準(zhǔn)、資源編碼標(biāo)準(zhǔn)處于智能資源層中。

制造協(xié)作層，基于微制造服務(wù)單元，該層提供制造業(yè)務(wù)邏輯中間件、制造應(yīng)用間數(shù)據(jù)交換中間件、消息中間件、制造工作流引擎API、協(xié)作訪問(wèn)安全接口等。通過(guò)該層，智能工廠可構(gòu)造企業(yè)業(yè)務(wù)總線，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)的集成協(xié)同、產(chǎn)業(yè)鏈端到端的應(yīng)用集成協(xié)同、實(shí)現(xiàn)客戶的定制化產(chǎn)品制造及合作伙伴參與制造服務(wù)的協(xié)作。

制造應(yīng)用層面向四個(gè)維度提供匹配的應(yīng)用。企業(yè)員工、終端客戶、緊耦合與松耦合伙伴在應(yīng)用授權(quán)與數(shù)據(jù)交換方式上存在較大的不同。應(yīng)用層基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、嵌入在產(chǎn)品中的傳感器提供制造應(yīng)用商店模式，實(shí)現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

3.2實(shí)現(xiàn)方法

為了確保制造流程的靈活性，服務(wù)需要更小的顆粒度。微服務(wù)架構(gòu)［4］MSA（Microservice Architecture）本質(zhì)上基于 SOA，其粒度基于 OOP 中的“單一職責(zé)”原則，只封裝彼此完全關(guān)聯(lián)的屬性和方法，例如任務(wù)A 和任務(wù) B 的任何一方的變化要同步影響另外一方的變化，那么任務(wù) A 和 B 可以封裝在一個(gè)微服務(wù)中，否則作為 2 個(gè)微服務(wù)來(lái)處理；其次微服務(wù)運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程中，與其他微服務(wù)通過(guò)基于語(yǔ)言無(wú)關(guān)、平臺(tái)無(wú)關(guān)的協(xié)議交互。

3.2.1制造資源分類與微服務(wù)封裝

智能制造狀態(tài)下資源應(yīng)具有智能化、獨(dú)立化、微型化和自組織特征。因此包括材料、設(shè)備、工具、廠房、車間、產(chǎn)品、分段、資金、能源等元素的傳統(tǒng)人力、物力、財(cái)力資源和包括信息系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施、軟件基礎(chǔ)設(shè)施、部署在基礎(chǔ)設(shè)施之上的信息系統(tǒng)及信息系統(tǒng)中間件、組件、功能模塊、WebService 等智力資源被統(tǒng)一分類。企業(yè)內(nèi)制造流程、信息系統(tǒng)存儲(chǔ)加工的數(shù)據(jù)、從數(shù)據(jù)挖掘而來(lái)的規(guī)律、源于統(tǒng)計(jì)結(jié)論的智慧、工藝可用性、工藝精度、設(shè)計(jì)工時(shí)、制造工時(shí)、服務(wù)工時(shí)、生產(chǎn)線狀態(tài)、機(jī)器人狀態(tài)、加工經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰蛯＜铱捎枚龋踔撂寂欧胖笜?biāo)均可定義為獨(dú)立資源對(duì)象或者對(duì)象的智能屬性的一部分。資源及其屬性構(gòu)成智能制造資源（IMR，Intelligent Manufacturing Resource）對(duì)象。

圖2　智能工廠的 4 層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系Fig. 2　System Architecture Reference Model of Intelligent Factory

圖3　IMR 分類樹Fig. 3　Sample of Classification of manufacturing resource

基于 MSA 重新封裝遺留系統(tǒng)內(nèi)部的中間件或業(yè)務(wù)邏輯構(gòu)成的 MMSU，成為遺留系統(tǒng)的適配器。針對(duì)遺留數(shù)據(jù)的 MMSU 也可以在未來(lái)的新的制造應(yīng)用中復(fù)用。

MMSU 之間的消息交換采用類似 JSON、ProtoBuffer的輕消息機(jī)制。MMSU 可以隨時(shí)發(fā)布事件或者數(shù)據(jù)，將信息推送到消息隊(duì)列上，訂閱/調(diào)用/監(jiān)聽該微服務(wù)的制造服務(wù)應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)再離線獲取。當(dāng)集成的應(yīng)用增多，MMSU 間的消息數(shù)量增大，除了常規(guī)的定向靜態(tài)消息路由配置方法，可進(jìn)一步使用基于消息內(nèi)容的智能識(shí)別以加快消息轉(zhuǎn)發(fā)［5］。

3.2.2構(gòu)造智能工廠的企業(yè)業(yè)務(wù)總線

MMSU 是構(gòu)造企業(yè)業(yè)務(wù)總線 ESB（Enterprise Service Bus）的基礎(chǔ)服務(wù)單元。ESB 通過(guò)服務(wù)交換點(diǎn)SIP（Service Interactive Point）隔離 MMSU，形成一個(gè)抽象的 Web 服務(wù)集合。本地的改變也不影響企業(yè)內(nèi)遠(yuǎn)程的參與方（業(yè)務(wù)系統(tǒng)）的活動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)的虛擬化效果［6］。ESB 通常具有如下機(jī)制：消息增強(qiáng)、消息轉(zhuǎn)換、相關(guān)聚合元數(shù)據(jù)管理、服務(wù)注冊(cè)、質(zhì)量管理、事件監(jiān)視、安全管理及服務(wù)管理等［7］。

智能工廠內(nèi) ESB 在兩方面予以改進(jìn)：1）提供方的服務(wù)封裝均采用微服務(wù)架構(gòu)的封裝原則。將需求方和提供方 SIP 建立在微服務(wù)架構(gòu)上，MMSU 之間以輕消息機(jī)制進(jìn)行通信?？紤]到智能工廠多廠區(qū)多應(yīng)用的集成，同時(shí)擴(kuò)展到上下產(chǎn)業(yè)鏈，需要增加社會(huì)化調(diào)用接口。2）智能工廠通過(guò)兼并重組、投資或聯(lián)合等經(jīng)常形成多廠區(qū)多分支的企業(yè)集團(tuán)或者聯(lián)盟。通過(guò)建立ESB 之間的信任關(guān)系，實(shí)現(xiàn) ESB 之間多種連接和服務(wù)的動(dòng)態(tài)路由［8］。傳統(tǒng)的部署模式均面向緊耦合，需要通過(guò)外部安全管理提供 ESB 之間的松耦合服務(wù)授權(quán)。

全局 ESB（Global ESB）模式中所有服務(wù)共享一個(gè)名稱空間，適合小型 IME 內(nèi)部只部署統(tǒng)一的一套業(yè)務(wù)總線的場(chǎng)景；直連 ESB（Directly-Connected ESB）模式在多個(gè)分支機(jī)構(gòu)中建立一個(gè)公共服務(wù)注冊(cè)中心使幾個(gè)獨(dú)立的 ESB 中的所有服務(wù)對(duì)服務(wù)需求者均可見；代理（Brokered ESB）模式按照一定策略將部分服務(wù)或者需求公開給其他 ESB 域，用于只共享部分服務(wù)或有選擇地訪問(wèn)企業(yè)提供的服務(wù)；聯(lián)合（Federated ESB）：將多個(gè)彼此關(guān)聯(lián) ESB 聯(lián)合配置到主 ESB。服務(wù)需求者和提供者通過(guò)連接到主 ESB 或關(guān)聯(lián) ESB，以訪問(wèn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)，適用于在一個(gè)監(jiān)管部門的保護(hù)下聯(lián)合有適度自治權(quán)的部門的組織。后四類 ESB 部署方式可以在不變更原有系統(tǒng)的前提下實(shí)現(xiàn)智能工廠的橫向集成。

因此，改進(jìn) ESB 結(jié)構(gòu)如下：簡(jiǎn)化內(nèi)部服務(wù)消息機(jī)制；將服務(wù)請(qǐng)求分為 IME 內(nèi)部請(qǐng)求與 IME 外部請(qǐng)求。通過(guò) IME 外部服務(wù)接口來(lái)接受 IME 合作伙伴或用戶產(chǎn)品定制請(qǐng)求。在外部服務(wù)請(qǐng)求處理環(huán)節(jié)，通過(guò)安全管理和外部服務(wù)注冊(cè)建立合作伙伴與 IME 之間的服務(wù)等級(jí)、調(diào)用和授權(quán)通道。

圖4　基于 MSA 并滿足產(chǎn)業(yè)鏈請(qǐng)求的改進(jìn) ESB 結(jié)構(gòu)Fig. 4　Modified ESB structure for Intelligent Enterprise

上述改進(jìn)的 ESB 為制造流程的動(dòng)態(tài)配置提供MMSU 集合，為滿足不同分支或伙伴的協(xié)同提供不同部署方式，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用間的集成，從而形成智能工廠的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（IM-BOSS，Business Operation and Supporting System）。IM-BOSS 通過(guò)合理的 IT 架構(gòu)將傳統(tǒng)的制造過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃旆?wù)（IMAAS，Intelligent Manufacturing As A Service），并構(gòu)造成智能工廠的開放網(wǎng)絡(luò)生態(tài)（I M-O N E，O p e n N e t w o r k i n g Ecosystem）。開放網(wǎng)絡(luò)生態(tài)，意味著企業(yè)內(nèi)應(yīng)用間數(shù)據(jù)與知識(shí)的開放，不同產(chǎn)品制造單元間的制造資源開放，不同廠區(qū)制造工藝和流程的開放，客戶產(chǎn)品體驗(yàn)與工廠產(chǎn)品制造過(guò)程間的信息開放，工廠上下產(chǎn)業(yè)鏈的制造服務(wù)的彼此開放。

圖5　IM-ONE 智能制造開放網(wǎng)絡(luò)生態(tài)下的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)Fig. 5　BOSS for Intelligent manufacturing’s open networking

4　智能工廠信息系統(tǒng)構(gòu)造實(shí)例

A 工廠是一家電機(jī)系統(tǒng)離散型生產(chǎn)商，具有獨(dú)立的設(shè)計(jì)、制造、銷售和服務(wù)環(huán)節(jié)。

其現(xiàn)有系統(tǒng)場(chǎng)景如圖6 所示，具有傳統(tǒng)的：①外網(wǎng)門戶；②客戶服務(wù)電話或者呼叫中心，但還沒(méi)有構(gòu)成系統(tǒng)化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)體系；③微博/微信/百度應(yīng)用/移動(dòng) App 等自媒體工具剛開始規(guī)劃；④辦公自動(dòng)化OA（Office Automation）和項(xiàng)目管理 PM（Project Management）已部署，但決策支持系統(tǒng) DSS（Decision Support System）薄弱；⑤具有基本的生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，其中客戶關(guān)系管理 CRM（Customer Relationship Management）和供應(yīng)鏈管理 SCM（Supply Chain Management）薄弱；⑥部署專業(yè)工具CAD/CAPP（Computer Aided Process Planning）/CAE（Computer Aided Engineering）等；⑦M(jìn)ES（Manufacturing execution system）/DNC（Distributed Numerical Control）/MDC （Manufacturing Data Collection）系統(tǒng)未完全覆蓋全部車間；⑧機(jī)器人/微機(jī)電系統(tǒng) MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）/自動(dòng)引導(dǎo)車 AGV（Automated Guided Vehicle）較少使用。現(xiàn)有系統(tǒng)之間采用單點(diǎn)與單點(diǎn)的集成連接方式。

圖6　A 工廠的典型系統(tǒng)環(huán)境Fig. 6　Typical system environment of Factory A

根據(jù)前述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型，對(duì) A 工廠開展三方面的評(píng)估：資源管理與業(yè)務(wù)流程、現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)和產(chǎn)品商業(yè)模式，為其 IM-BOSS 的實(shí)現(xiàn)提出兩類策略：補(bǔ)充完善類和新增功能類策略。補(bǔ)充完善類策略包括：

1）完善制造資源的標(biāo)準(zhǔn)分類和制造工序的標(biāo)準(zhǔn)化（即圖5（b）中的 IMRS 和 IMTS）。將標(biāo)準(zhǔn)化工序與裝配工藝、工時(shí)、材料、人力、設(shè)備關(guān)聯(lián)。

2）將現(xiàn)有 OA 中的身份認(rèn)證系統(tǒng)升級(jí)到統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)體系 CA/PKI（Certificate Authority/ Public Key Infrastructure），并延伸到車間相應(yīng)工序。

3）擴(kuò)展 MES 系統(tǒng)到每個(gè)車間，擴(kuò)展工具齊套性檢查與配送功能，縮短工序預(yù)備時(shí)間。

4）基于 ESB 實(shí)現(xiàn) ERP、PDM 和的 MES 集成。將生產(chǎn)計(jì)劃細(xì)化到工位和工序粒度，將產(chǎn)品標(biāo)識(shí)細(xì)化到零部件級(jí)別，采用矩陣型、鄰接表型、層次型、父子型、二叉樹型或組合型 BOM（Bill of Material）表單在一致性、重用性與搜索性能上滿足工廠實(shí)際需要［9］。

5）擴(kuò)展設(shè)計(jì)平臺(tái)從單機(jī)版本到企業(yè)私有云，實(shí)現(xiàn)到云協(xié)同設(shè)計(jì)。建立產(chǎn)品組件標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)組件的復(fù)用率納入設(shè)計(jì)師 KPI（Key Performance Indicator）考核。

6）將目前 OA 中的自定義工作流從基于管理系統(tǒng)擴(kuò)展到制造實(shí)體單元，實(shí)現(xiàn)自定義制造流程。按照MMSU 封裝方法，將車間制造設(shè)備如數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)、機(jī)器臂邏輯映射為制造服務(wù)單元。

7）擴(kuò)展目前的門戶網(wǎng)站，使其具備電子商務(wù)功能和用戶社區(qū)功能，支持在線銷售管理，為客戶、渠道商提供入口；為合作伙伴提供 SCM 入口；將 WWW服務(wù)擴(kuò)展到微信平臺(tái)、微博平臺(tái)和獨(dú)立移動(dòng) APP，構(gòu)造完整的自媒體體系。

根據(jù)工廠 A 的需要，在 IM-BOSS 中需要新增功能如下：

1）在產(chǎn)品研發(fā)前端增加預(yù)研科技情報(bào)跟蹤分析系統(tǒng)。工廠 A 根據(jù)產(chǎn)品特征和電機(jī)行業(yè)特征設(shè)立所關(guān)注的詞條，建立行業(yè)范疇表，跟蹤全球相關(guān)技術(shù)的研究成果、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品及市場(chǎng)狀態(tài)，為產(chǎn)品的創(chuàng)新提供支撐。

2）QHSE（Quality， Health， Safe and Environment）監(jiān)控管理。通過(guò)部署在工廠各處的監(jiān)控、傳感器，通過(guò)部署在工人裝備或服裝上的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控制造區(qū)域的粉塵、有毒或易燃易爆氣體濃度，確保制造環(huán)境健康。通過(guò)應(yīng)急模塊提高全實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，降低制造的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）生產(chǎn)設(shè)備 MRO（Maintenance， Repair and Operations）。管理制造設(shè)備單元或工具的運(yùn)行狀態(tài)、故障及維護(hù)記錄，實(shí)現(xiàn)設(shè)備或工具的狀態(tài)預(yù)警，保證制造活動(dòng)的連續(xù)和有效。

4）能耗管理系統(tǒng)。集成水電氣等量表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，跟蹤總體能耗，評(píng)估能耗的效率。

5）三維設(shè)計(jì)與工藝圖紙輕量化閱讀功能并擴(kuò)展到工位，提高工人對(duì)新產(chǎn)品加工的適應(yīng)能力，減少誤差，縮短時(shí)間。

6）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化柔性檢測(cè)。提供面向不同產(chǎn)品的檢測(cè)流程、檢測(cè)工藝、檢測(cè)課程培訓(xùn)和故障發(fā)現(xiàn)。檢測(cè)員基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種產(chǎn)品的快速檢測(cè)，并記錄檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題；檢測(cè)過(guò)程與后續(xù)產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析指導(dǎo)產(chǎn)品的進(jìn)一步改進(jìn)。

7）車間自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ) ASRS（Automated Storage and Retrieval System），建立企業(yè)和車間多級(jí)物料和工具庫(kù)存體系，縮短物料自動(dòng)搜索、識(shí)別、獲取和輸送時(shí)間；增加 AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車），在車間 ASRS 和工位之間、工位與工位之間建立快速物流通道；在 A 工廠的轉(zhuǎn)子噴涂和轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)增加機(jī)器人或機(jī)器臂。

8）在產(chǎn)品中增加智能 MEMS 用于遠(yuǎn)程監(jiān)控產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)造產(chǎn)品 MRO 云系統(tǒng)。產(chǎn)品中主要增加包括北斗/LTE 通信模塊和數(shù)據(jù)采集單元。產(chǎn)品MRO 是用戶獲得售后服務(wù)的體系化平臺(tái)，同時(shí)也包含產(chǎn)品用戶社區(qū)，通過(guò)用戶的反饋支持新產(chǎn)品的升級(jí)需求。

9）重新對(duì)遺存應(yīng)用封裝服務(wù)接口，在按照 MSA原則為新應(yīng)用開發(fā)接口的過(guò)程中，增加數(shù)據(jù)的語(yǔ)義分析功能，包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)語(yǔ)義篩選、目錄文件語(yǔ)義掃描、圖片文件 OCR 識(shí)別、語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為文字和視頻文件關(guān)鍵幀提取等，最終構(gòu)造制造大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

根據(jù)總線功能差異，可細(xì)分為 4 類總線：數(shù)據(jù)總線 DSB（Data Service Bus）、知識(shí)總線 KSB（Knowledge Service Bus）、流程總線 FSB（Flow Service Bus）和安全總線 SSB（Safe Service Bus）最終形成了制造應(yīng)用總線?？偩€連接共 7 個(gè)服務(wù)域：基礎(chǔ)服務(wù)域、安全服務(wù)域、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)域、資源管理服務(wù)域、設(shè)計(jì)與工藝服務(wù)域、制造與控制服務(wù)域和產(chǎn)品與用戶服務(wù)域，總線與服務(wù)域共同構(gòu)成 A 工廠的分布式制造服務(wù)開發(fā)平臺(tái)［10］。通過(guò) 7 個(gè)服務(wù)域，A 工廠實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品營(yíng)銷、生產(chǎn)管理、工藝設(shè)計(jì)、制造裝備、產(chǎn)品運(yùn)維到產(chǎn)品更新的智能制造閉環(huán)。

A 廠私有應(yīng)用商店發(fā)布面向四類用戶群體的小型制造應(yīng)用。制造應(yīng)用商店如圖8 所示

圖7　A 工廠的四類服務(wù)總線和 7 個(gè)服務(wù)域示意Fig. 7　Four service sub-ESBs and seven service domains

圖8　A 工廠制造應(yīng)用商店示意圖Fig. 8　Manufacturing Application Store

5　結(jié)　語(yǔ)

基于 TSML，以 4 個(gè)維度的視角提出 1 個(gè)參考模型，并從制造資源的標(biāo)準(zhǔn)化及微服務(wù)封裝出發(fā)，構(gòu)造微制造服務(wù)單元，改進(jìn) ESB，實(shí)現(xiàn)智能工廠的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)，達(dá)到制造即服務(wù)和開放網(wǎng)絡(luò)生態(tài)的目標(biāo)。通過(guò)實(shí)例可以證明該路徑是有效可行的。ESB 的有效運(yùn)行還需要進(jìn)一步優(yōu)化制造應(yīng)用間的服務(wù)聯(lián)合安全授權(quán)與認(rèn)證，例如 oAuth，openID 和CA/PKI，可作為候選方案開展研究。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型在面向企業(yè)內(nèi)部的同時(shí)也兼顧對(duì)上下游合作伙伴的應(yīng)用集成和協(xié)同擴(kuò)展的支持。但是外部資源如何進(jìn)入工廠資源池，如何與內(nèi)部資源一起編排服務(wù)計(jì)劃，如何在安全前提下實(shí)現(xiàn)合作伙伴應(yīng)用與內(nèi)部應(yīng)用的協(xié)同還需要進(jìn)一步探索。

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Research on system architecture model of intelligent factory based on total manufacturing service lifecycle

ZHANG Zu-guo1， 2
（1. Center for Space Science and Applied Research， CAS， Beijing 100190， China；2. The 714 Research Institute of CSIC， Beijing 100101， China）

In order to support intelligent manufacturing， BOSS（Business Operation Supporting System） need to be developed. Intelligent factory's BOSS should firstly inherit applications and relative manufacturing resources instead of discarding them， then meet the requirement of dynamic configuration of manufacturing resources and the requirement of manufacturing servitization，in the end complete integration of various system. Total Manufacturing Service Lifecycle starts from pre-R&D to the operation of intelligent product. System architecture reference model is defined for intelligent factory. Based on the MicroService Architecture ， the model is fulfilled by classifying and standardizing resources， encapsulating as Micro Manufacturing Service Unit， deploying upgraded ESB（Enterprise Service Bus） and Integrated Development Environment， and releasing manufacturing Apps.ESB both supports inhering legacy systems and matches different scales of factories. Under intelligent factory's circumstances， ESB develops four categories： Data Service Bus， Knowledge Service Bus， Flow Service Bus and Safe Service Bus. These Buses and service domains are demonstrated in a case.

Intelligent Manufacturing；Total Manufacturing Service Lifecycle；Micro Manufacturing Service Unit；Enterprise Service Bus；Service Domain；Manufacturing Appstore

TP399

A

1672-7619（2016）05- 0121-08

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.026

2016-03-17；

2016-04-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAFB00）

張祖國(guó)（1971-），男，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄苤圃?、信息安全、知識(shí)工程與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。