智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化分析與互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證方案研究

汪松松

摘要：針對(duì)國(guó)家智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)的撰寫和互聯(lián)互通互操作的驗(yàn)證，分析了智能制造的發(fā)展方向與技術(shù)思路，在基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)草案上，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，形成具體行業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，并需要符合國(guó)家驗(yàn)收要求。針對(duì)驗(yàn)證方案，研究了互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證方案的內(nèi)容與方法。以紡織行業(yè)為例，設(shè)計(jì)了針織裝備間互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：智能制造；互聯(lián)互通；標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）25-0290-03

工業(yè)和信息化部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同組織制訂了《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018年版）》，要實(shí)現(xiàn)智能制造，首先需要從底層生產(chǎn)裝備的信息標(biāo)準(zhǔn)化、裝備間互聯(lián)互通為著力點(diǎn)，“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”。從工信部智能制造項(xiàng)目計(jì)劃來(lái)看，到2018年，累計(jì)制修訂150項(xiàng)以上智能制造標(biāo)準(zhǔn)，到2019年，累計(jì)制修訂300項(xiàng)以上智能制造標(biāo)準(zhǔn)，主要方向是基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其中綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目近三年來(lái)占一半左右，涉及行業(yè)廣泛，目前大部分處理互聯(lián)互通驗(yàn)證階段。

智能制造互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證已經(jīng)被提升到標(biāo)準(zhǔn)草案是否可行的位置，決定標(biāo)準(zhǔn)是否可在企業(yè)生產(chǎn)中推廣，這是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。建設(shè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)互通互操作試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條款逐條驗(yàn)證，并以外提供互聯(lián)互通驗(yàn)證公共服務(wù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證以提高智能制造互聯(lián)互通互操作標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量。

紡織行業(yè)作為國(guó)計(jì)民生的重要行業(yè)，為響應(yīng)“中國(guó)制造2025”號(hào)召，我國(guó)在紡織機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域相繼制訂和修訂了一批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并積極申報(bào)了國(guó)家智能制造項(xiàng)目，并已經(jīng)列入國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南中十大重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域。論文以紡織行業(yè)互聯(lián)互通為例，闡述驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)方案。

1 智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)具有系統(tǒng)層級(jí)、智能特征、生命周期三個(gè)維度。在系統(tǒng)層級(jí)的設(shè)備、單元、車間與智能維的互聯(lián)互通、融合共享、系統(tǒng)集成交叉結(jié)合，為行業(yè)互聯(lián)互通互操作提供了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)定位與技術(shù)思路。

1.1 智能制造發(fā)展方向

根據(jù)2015-2017年工信部批準(zhǔn)的項(xiàng)目來(lái)看，主要依據(jù)基礎(chǔ)共性項(xiàng)目到行業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目，再到智能制造新模式，項(xiàng)目的信息化智能化層級(jí)越來(lái)越高，互聯(lián)互通互操作的層次向行業(yè)應(yīng)用和信息技術(shù)領(lǐng)域縱深發(fā)展。如表1所示，工信部智能制造項(xiàng)目互聯(lián)互通互操作行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單類設(shè)備到行業(yè)綜合系統(tǒng)，基于互聯(lián)互通、信息共享與集成貫穿于智能制造行業(yè)項(xiàng)目。

另一方面，國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系首先通過(guò)研究各類行業(yè)信息化智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提取其共性抽象特征，建立標(biāo)準(zhǔn)化信息模型通用結(jié)構(gòu)，構(gòu)建智能制造系統(tǒng)維度與層級(jí)，認(rèn)知現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)間的交叉重疊關(guān)系，形成智能制造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)層級(jí)和維度自上向下的分解，形成以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、以智能化信息處理與應(yīng)用為關(guān)鍵技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

從重點(diǎn)支持的行業(yè)角度來(lái)看，以新一代信息技術(shù)、高等數(shù)控與機(jī)器人、航空航天裝備、海洋裝備、交通裝備、電力裝備、農(nóng)機(jī)裝備等信息化基礎(chǔ)好、投入大、影響力強(qiáng)的行業(yè)為主，并逐步向家電、石油石化、紡織行業(yè)等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域展開，逐步覆蓋智能制造各行業(yè)領(lǐng)域，促使傳統(tǒng)行業(yè)改造升級(jí)。

1.2 智能制造的技術(shù)思路

實(shí)現(xiàn)智能制造首先要對(duì)參與的生產(chǎn)元素進(jìn)行信息化建模[1]。制造裝備是由若干部件、物理屬性以及各類操作組成的，每個(gè)部件又可以包含其他子部件和物理屬性，通過(guò)對(duì)制造裝備進(jìn)行抽象和描述，準(zhǔn)定義制造裝備的屬性元素、屬性、屬性集、組件、組件集、設(shè)備、方法、方法集等信息模型元素，從下自上集成制造裝備信息化模型。OPC UA是目前在工業(yè)信息化領(lǐng)域中非常成熟建模方法，它既能夠解決建模問(wèn)題，同時(shí)OPC UA還可用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一通信協(xié)議，能夠很好地解決互聯(lián)互通問(wèn)題。

智能制造生產(chǎn)裝備標(biāo)準(zhǔn)除了研究標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型外，研究數(shù)據(jù)字典、通信協(xié)議、接口、集成和互聯(lián)互通技術(shù)要求是解決智能生產(chǎn)裝備間、裝備與系統(tǒng)間、系統(tǒng)與工業(yè)云平臺(tái)間數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通的問(wèn)題的主要思路。由于各企業(yè)生產(chǎn)車間的異構(gòu)性、各生產(chǎn)裝備種類配置、自身的性能各不相同，需要在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中研究信息交互、文件傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)方面，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）OPC UA的結(jié)合，形成符合工業(yè)性能需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以符合智能工廠/數(shù)字化車間集成標(biāo)準(zhǔn)要求。

生產(chǎn)裝備聯(lián)網(wǎng)需要一定的物聯(lián)功能，即生產(chǎn)裝備的物聯(lián)網(wǎng)的物品相關(guān)能力、自主操作能力。邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)則智能制造生產(chǎn)裝備上的信息處理提供了技術(shù)思路，以解決制造業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需求。

要實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)各生產(chǎn)制造裝備能接入企業(yè)管理系統(tǒng)，就需要各生產(chǎn)制造裝備在規(guī)范的信息模型下，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，以覆蓋各類不同通信基礎(chǔ)的生產(chǎn)制造裝備，獲得車間最低改造成本。

2 互聯(lián)互通互操作標(biāo)準(zhǔn)要求

互聯(lián)互通互操作要求生產(chǎn)裝備間、生產(chǎn)系統(tǒng)間通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上的實(shí)體（設(shè)備、系統(tǒng)軟件軟件、企業(yè)等）相互交換信息，以便能互相協(xié)作，共同完成任務(wù)。

2.1 與基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要包括數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)云服務(wù)模型標(biāo)準(zhǔn)、智能制造評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及成熟度模型標(biāo)準(zhǔn)、智能工廠（車間）通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、智能制造工業(yè)云、大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證等，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的共性基礎(chǔ)，最先立項(xiàng)并由各標(biāo)準(zhǔn)化研究院開展研究。由于標(biāo)準(zhǔn)草案從立項(xiàng)到發(fā)布的時(shí)間較長(zhǎng)，各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定單位目前無(wú)法從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)全文公開系統(tǒng)中獲得具體內(nèi)容，則需要與各基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)指定單位進(jìn)行技術(shù)對(duì)接，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、中國(guó)信息通信研究院、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院等都是智能制造總體組單位，通過(guò)對(duì)接，對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指定與驗(yàn)證進(jìn)行指導(dǎo)，或直接參與到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式

隨著《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》政策的出臺(tái)，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)白皮書（2017）》對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)層級(jí)結(jié)構(gòu)的全面闡述，并全面對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)，給智能制造體系提出了詳細(xì)的技術(shù)指導(dǎo)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，通過(guò)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中各軟硬件海量數(shù)據(jù)采集、處理、分析，對(duì)上層的屬于應(yīng)用、工業(yè)APP、人工智能等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式能讓制造業(yè)真正跨入智能時(shí)代。

2.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

開展智能制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，需要通過(guò)至少三次專家審查的標(biāo)準(zhǔn)草案，包括標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明、標(biāo)準(zhǔn)研究告等。標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告包括標(biāo)準(zhǔn)目的、范圍、設(shè)計(jì)思想和框架結(jié)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容概述、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)、驗(yàn)證方案的總體評(píng)價(jià)等內(nèi)容。

開展試驗(yàn)驗(yàn)證，包括標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證所需的設(shè)施和設(shè)備與測(cè)試軟件，編制驗(yàn)證條款與驗(yàn)證的方法，并給出驗(yàn)證的結(jié)論。標(biāo)準(zhǔn)草案必須在試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)和至少三個(gè)企業(yè)中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)全部?jī)?nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 互聯(lián)互通驗(yàn)證方案

智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)草案的制訂，更重要的是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的每一條款進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證。整個(gè)驗(yàn)證方案主要涉及驗(yàn)證的內(nèi)容、驗(yàn)證方法等驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容。

3.1 驗(yàn)證內(nèi)容

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證主要包括一致性驗(yàn)證、互操作性驗(yàn)證、性能驗(yàn)證、魯棒性驗(yàn)證等內(nèi)容[2-4]，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案內(nèi)容整理成詳細(xì)驗(yàn)證條款，列出各條款的驗(yàn)證方法、測(cè)試步驟、判定準(zhǔn)則，確保能驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)草案的所有內(nèi)容。

驗(yàn)證的條款一致性驗(yàn)證主要是測(cè)試智能制造裝備在試驗(yàn)室平臺(tái)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)否與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致，通常預(yù)先設(shè)計(jì)一組測(cè)試案例序列，在試驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)互聯(lián)互通的裝備間、服務(wù)系統(tǒng)間進(jìn)行通信，通過(guò)測(cè)試儀器與分析軟件對(duì)實(shí)際通信數(shù)據(jù)比對(duì)，從而判定標(biāo)準(zhǔn)草的正確性?；ゲ僮餍则?yàn)證主要測(cè)試互聯(lián)互通雙方在網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境中能否實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)草案中規(guī)定的功能，如數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程控制、文件傳輸?shù)然A(chǔ)功能，從而判定標(biāo)準(zhǔn)草案的功能可行性。性能驗(yàn)證是針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域各行業(yè)的實(shí)際要求而對(duì)互聯(lián)互通的性能要求，如實(shí)時(shí)性、并發(fā)性等，涉及標(biāo)準(zhǔn)草案的可用性，魯棒性則是關(guān)注特殊裝備采用標(biāo)準(zhǔn)草案后的可靠性。

3.2 驗(yàn)證方法

互聯(lián)互通的驗(yàn)證方法主要分為實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證與工廠現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證主要是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案所涉及的智能制造互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)進(jìn)行演示、對(duì)定量的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，工廠現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證主要考查企業(yè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案實(shí)施情況、工廠環(huán)境下的適應(yīng)度等，總體上主要有專家論證、定量檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)考查等方法。

采用OPC UA來(lái)演示行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案的互聯(lián)互通互操作性具有數(shù)據(jù)直觀、與世界接軌等特點(diǎn)，在驗(yàn)證方法中研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA server與client，并獲得OPC UA測(cè)試中心的認(rèn)證，則讓行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案能獲得更多社會(huì)認(rèn)可。

4 紡織互聯(lián)互通驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案

紡織行業(yè)屬于典型的離散型制造行業(yè)，紡織裝備電控系統(tǒng)部分是負(fù)責(zé)互聯(lián)互通的典型部件單元[5]。電控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)、WIFI等接入實(shí)驗(yàn)室/工廠局域網(wǎng)，并與企業(yè)服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)等平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。紡織裝備互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室可和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，在企業(yè)監(jiān)視紡織生產(chǎn)線。

數(shù)據(jù)分析平臺(tái)則主要對(duì)通信協(xié)議數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)功能、通信性能等進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析儀、OPC UA接口等硬軟件。還包括數(shù)據(jù)分析演示系統(tǒng)、工廠現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證遠(yuǎn)程演示平臺(tái)等標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證展示系統(tǒng)。

紡織生產(chǎn)線主要包括針織機(jī)械電控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手持網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)儀器、數(shù)據(jù)服務(wù)中心等，以實(shí)現(xiàn)紡織電控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳入實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

5 結(jié)論

國(guó)家智能制造項(xiàng)目的實(shí)施促進(jìn)了制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，讓制造業(yè)向信息化、智能化、精細(xì)化發(fā)展，指定與驗(yàn)證行業(yè)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)，采用使用適應(yīng)行業(yè)的基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)與新興信息技術(shù)將是提高項(xiàng)目的建設(shè)效率的主要途徑。

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