智能化無(wú)人車間的建構(gòu)模式及運(yùn)作邏輯

高錫榮，鄧瀅瀅

（重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，重慶 400065）

智能機(jī)器人取代車間人力作業(yè)是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的基本方向。從制造業(yè)發(fā)展歷史來(lái)看，人力在生產(chǎn)制造活動(dòng)中的位置一直在持續(xù)后移。原始手工業(yè)時(shí)代，人們使用簡(jiǎn)易的手持工具對(duì)勞動(dòng)對(duì)象進(jìn)行加工，人力直接位于生產(chǎn)最前端；第一次工業(yè)革命引入機(jī)械化生產(chǎn)工具，人們操作機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)，人力開(kāi)始離開(kāi)生產(chǎn)前端；第二次工業(yè)革命引入電氣化生產(chǎn)工具，人們操作電力設(shè)施進(jìn)行生產(chǎn)，人力進(jìn)一步遠(yuǎn)離生產(chǎn)前端；第三次工業(yè)革命引入自動(dòng)化、信息化生產(chǎn)工具，人們可以在后臺(tái)操控計(jì)算機(jī)從事生產(chǎn)，人力再一次遠(yuǎn)離生產(chǎn)前端。當(dāng)前，5G 通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展正在快速孕育第四次工業(yè)革命——智能化工業(yè)革命，將制造業(yè)推向智能制造階段，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)由智能機(jī)器人完全取代人力、人力完全退出生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，生產(chǎn)車間演變成為智能化無(wú)人車間。相比于人力作業(yè)，智能機(jī)器人具有三大生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)：一是生產(chǎn)動(dòng)作高度規(guī)范，智能機(jī)器人操作行為具有高精度、高標(biāo)準(zhǔn)化特征，不受人為心理因素和個(gè)體差異的影響，產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性極高；二是生產(chǎn)效率大幅提升，智能機(jī)器人生產(chǎn)動(dòng)作速度快，持續(xù)生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)；三是生產(chǎn)過(guò)程更加安全，智能機(jī)器人對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境耐受能力強(qiáng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)人身安全事故。智能化無(wú)人車間盡管讓人力充分遠(yuǎn)離了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，但仍需要人們?cè)谶h(yuǎn)程對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及時(shí)解決可能出現(xiàn)的生產(chǎn)協(xié)調(diào)、設(shè)備故障和安全問(wèn)題。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，智能化無(wú)人車間將成為制造行業(yè)的標(biāo)配。為了有效地應(yīng)對(duì)正在到來(lái)的智能化無(wú)人車間時(shí)代挑戰(zhàn)，當(dāng)前亟需探明智能化無(wú)人車間的建構(gòu)模式，深度領(lǐng)會(huì)智能化無(wú)人車間的運(yùn)作邏輯，進(jìn)而快速搶占智能制造的戰(zhàn)略先機(jī)。

1 文獻(xiàn)回顧

一是關(guān)于5G 與智能制造關(guān)系的研究。金雪濤［1］認(rèn)為 5G 是人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、物聯(lián)網(wǎng)的前置技術(shù)，將開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)深度交互的智能時(shí)代。Cheng 等［2］認(rèn)為，5G 作為未來(lái)先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)，在推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和CPMS 研發(fā)過(guò)程管理平臺(tái)方面有著巨大的潛力。邱銳［3］引用我國(guó)工信部觀點(diǎn)，認(rèn)為5G 作為新一代信息通信技術(shù)，依托高帶寬、低時(shí)延、大容量、高可靠性等新特性，將成為引領(lǐng)機(jī)器人領(lǐng)域融合創(chuàng)新和驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)的新動(dòng)力。林瑋平等［4］分析了5G 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括工業(yè)傳感器、云AR/VR、云端機(jī)器人、遠(yuǎn)程控制等。陳燕燕等［5］通過(guò)在5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的性能進(jìn)行不同應(yīng)用場(chǎng)景及不同網(wǎng)絡(luò)配置下的測(cè)試與分析，驗(yàn)證了5G 網(wǎng)絡(luò)具有的大帶寬低時(shí)延等特性可以解決遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的時(shí)延問(wèn)題。

二是關(guān)于智能體的研究。“智能體”的概念來(lái)自于美國(guó)科學(xué)家Atkinson 等［6］提出的actor 模型，該模型具有內(nèi)在狀態(tài)且能與外界交換信息。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Minsky［7］在Society of Mind一書(shū)中采用了“智能體”一詞，并將其定義為一個(gè)具有自治能力的軟件或硬件實(shí)體，其目的在于模仿和學(xué)習(xí)人類的行為。之后，眾多學(xué)者從人工智能視角廣泛開(kāi)展了智能體研究，一般都將智能體視為對(duì)人腦的功能模擬器，通過(guò)傳感器感知環(huán)境、通過(guò)執(zhí)行器作用于環(huán)境，并具備自治性、反應(yīng)性、社會(huì)性、進(jìn)化性、主動(dòng)性、交互性、協(xié)作性等多種特性。

三是關(guān)于智能系統(tǒng)邊緣計(jì)算的研究。設(shè)備的智能化和工業(yè)機(jī)器人的引入促使車間產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，陳冬梅［8］認(rèn)為邊緣計(jì)算在靠近用戶端的位置提供存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)服務(wù)，可以就近為用戶提供邊緣位置的云計(jì)算服務(wù)。王志剛等［9］認(rèn)為AI×5G的聚變效應(yīng)是邊緣計(jì)算催生超異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的背景，邊緣計(jì)算解決了四代機(jī)器人發(fā)展中的許多難題。Zhang 等［10］為了減少云中的高計(jì)算量，開(kāi)發(fā)了一種基于邊緣計(jì)算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)物理機(jī)床，實(shí)現(xiàn)遙感和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雙應(yīng)用。Chen 等［11］提出了一種在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)，分析了邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)制造中的作用，實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)方法相比，邊緣計(jì)算的自組織任務(wù)調(diào)度機(jī)制在業(yè)務(wù)靈活性和帶寬優(yōu)化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Qi 等［12］提出了一種基于云計(jì)算、霧計(jì)算和邊緣計(jì)算的智能制造的層次參考體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于數(shù)字雙車間。Lee 等［13］提出了一個(gè)融合邊緣計(jì)算和區(qū)塊鏈技術(shù)的智能制造系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在智能制造中引入邊緣計(jì)算機(jī)制可以顯著提高加工時(shí)間，尤其是在任務(wù)數(shù)量較大的情況下。

四是關(guān)于機(jī)器人無(wú)人生產(chǎn)應(yīng)用的研究。目前的無(wú)人機(jī)器人生產(chǎn)主要集中在煤礦等特殊領(lǐng)域或生產(chǎn)過(guò)程中的某個(gè)流程或工序，例如，林志偉等［14］開(kāi)發(fā)了一套面向網(wǎng)絡(luò)制造的三維打印無(wú)人車間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；李小忠等［15］利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)器人上下料系統(tǒng)；王鵬凱［16］設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)；Urhal 等［17］討論了機(jī)器人輔助增材制造的概念，并介紹了機(jī)器人輔助添加劑制造系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中在對(duì)某一工序或某個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)人生產(chǎn)的探索，缺少對(duì)無(wú)人生產(chǎn)模式的一般化探討。本研究將智能化無(wú)人車間視為一種整合性工業(yè)智能體，構(gòu)思其結(jié)構(gòu)框架，探討其建構(gòu)模式，闡釋其運(yùn)作邏輯，為奠定無(wú)人生產(chǎn)模式理論基礎(chǔ)提供參考。

2 智能化無(wú)人車間概念框架

2.1 概念定義

智能化無(wú)人車間系指運(yùn)用人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等，對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行完全智能化改造，將過(guò)去“人+機(jī)器”二元生產(chǎn)模式全面升級(jí)為智能機(jī)器人一元生產(chǎn)模式；同時(shí)，將智能機(jī)器人連同整個(gè)生產(chǎn)車間都傳感、映射到網(wǎng)絡(luò)空間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人及生產(chǎn)車間的遠(yuǎn)程鏡像監(jiān)控。經(jīng)過(guò)上述智能化改造，生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)不再安排工人和管理人員，故稱之為智能化無(wú)人車間。

2.2 結(jié)構(gòu)解析

智能化無(wú)人車間主要由車間實(shí)體、車間智能體、車間鏡像三大部分構(gòu)成。

（1）車間實(shí)體指由車間及機(jī)器構(gòu)成的物質(zhì)體，是執(zhí)行生產(chǎn)活動(dòng)的“肌肉”“骨骼”。

（2）車間智能體指車間及機(jī)器實(shí)體通過(guò)智能傳感系統(tǒng)，被賦予感知和被感知能力后的智能化功能體，是指揮生產(chǎn)活動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)。

（3）車間鏡像指車間及機(jī)器智能體通過(guò)智慧物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程網(wǎng)端形成的虛擬投影體，是生產(chǎn)活動(dòng)在遠(yuǎn)程管理后臺(tái)的數(shù)字再現(xiàn)。

總體上看，車間實(shí)體與車間鏡像之間互為數(shù)字孿生體，車間智能體則為車間實(shí)體與車間鏡像之間的中轉(zhuǎn)形態(tài)。

2.3 建構(gòu)過(guò)程

智能化無(wú)人車間的建構(gòu)包括智能化、鏡像化兩個(gè)過(guò)程。

（1）智能化。從車間實(shí)體到車間智能體的變化過(guò)程，稱之為智能化。智能化的關(guān)鍵在于對(duì)車間及機(jī)器的信息傳感，通過(guò)傳感系統(tǒng)賦予車間及機(jī)器智能感知的功能，從而使得車間及機(jī)器獲得像人一樣的生產(chǎn)活動(dòng)能力。

（2）鏡像化。從車間智能體到車間鏡像的變化過(guò)程，稱之為鏡像化。鏡像化就是將車間及機(jī)器的信息映射到網(wǎng)絡(luò)空間，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)形成車間及機(jī)器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投影，從而使得后臺(tái)管理者可以通過(guò)虛擬投影實(shí)施對(duì)車間及機(jī)器生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視和適時(shí)人為干預(yù)。

智能化無(wú)人車間的總體結(jié)構(gòu)及建構(gòu)過(guò)程可形象表達(dá)如圖1 所示。其中，邊緣計(jì)算是為車間智能體提供現(xiàn)場(chǎng)算力服務(wù)的。充足的邊緣計(jì)算系統(tǒng)配置可以極大地減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，緩解集中計(jì)算負(fù)擔(dān)，降低數(shù)據(jù)傳輸及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)延。

3 車間智能體的建構(gòu)

車間智能體是車間實(shí)體經(jīng)過(guò)傳感系統(tǒng)充分智能化后所形成。車間智能體的建構(gòu)，就是對(duì)車間及機(jī)器安裝充足的智能傳感系統(tǒng)，賦予車間及機(jī)器足夠的感知和被感知功能，使得車間及機(jī)器成為具有自主生產(chǎn)智能的功能體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在無(wú)人環(huán)境下自主執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。具體來(lái)說(shuō)，車間智能體包括作業(yè)機(jī)器人和監(jiān)視機(jī)器人兩大類。其中，作業(yè)機(jī)器人既要有自我感知功能，又要有感知生產(chǎn)工序的功能；而監(jiān)視機(jī)器人主要是感知車間全景。下面將分別闡釋這兩大類智能體的3 種感知場(chǎng)景建構(gòu)。

3.1 機(jī)器人自感

機(jī)器人自感是指機(jī)器人的自我感知，即通過(guò)在機(jī)器人體內(nèi)嵌入眾多的傳感器，全方位采集機(jī)器人自身的各種物理狀態(tài)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)匯總到機(jī)器人的“神經(jīng)中樞”，形成機(jī)器人對(duì)自我狀態(tài)的全面認(rèn)知。自我感知是機(jī)器人的智能基礎(chǔ)，是機(jī)器智能化的重要體現(xiàn)。

每個(gè)機(jī)器人的所有物理狀態(tài)通過(guò)對(duì)應(yīng)的傳感器感知轉(zhuǎn)化，匯總至機(jī)器人“神經(jīng)中樞”，就形成機(jī)器人智能體。設(shè)車間內(nèi)全部個(gè)機(jī)器人的傳感轉(zhuǎn)化矩陣為Fs：

綜合式（1）（2），機(jī)器人智能體矩陣可表示為Xs：

由于傳感器數(shù)量的有限性，以及傳感器感知過(guò)程存在的誤差，機(jī)器人與智能體之間亦存在差異。兩者之差可定義為：

一般來(lái)說(shuō)，隨著傳感器種類及數(shù)量的不斷增加，以及傳感器質(zhì)量的不斷改進(jìn)，機(jī)器人與其智能體之間的差異將會(huì)越小越來(lái)，但卻很難消除。

3.2 生產(chǎn)工序感知

生產(chǎn)工序感知是指作業(yè)機(jī)器人感知生產(chǎn)工序，即通過(guò)在工序設(shè)備內(nèi)部或外部嵌入眾多傳感器，全方位采集生產(chǎn)工序的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)匯總到機(jī)器人“神經(jīng)中樞”，形成機(jī)器人對(duì)工序作業(yè)的全面感知。一般為在保證生產(chǎn)效率的情況下降低感知設(shè)施成本，可根據(jù)工序作業(yè)的需求優(yōu)化搭配不同類別的傳感器。生產(chǎn)工序感知將賦予機(jī)器人獨(dú)立操作生產(chǎn)工序的能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)替代人力作業(yè)。

一般來(lái)說(shuō)，隨著傳感器種類及數(shù)量的不斷增加，以及傳感器質(zhì)量的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)工序與其智能體之間的差異將會(huì)越小越來(lái)，但卻很難消除。

3.3 車間全景感知

車間全景感知是指監(jiān)視機(jī)器人對(duì)車間生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行全方位整體性感知，即通過(guò)在車間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)嵌入環(huán)境傳感器，全方位采集車間環(huán)境的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)，并匯總到監(jiān)視機(jī)器人“神經(jīng)中樞”，形成對(duì)車間整體狀態(tài)的全面感知。一般地，監(jiān)視機(jī)器人不僅要有視、聽(tīng)感知功能，還要有嗅、味、溫、壓等感知功能。監(jiān)視機(jī)器人類似于監(jiān)工，不直接參與生產(chǎn)，其數(shù)據(jù)連通遠(yuǎn)端后臺(tái)。

每個(gè)監(jiān)視機(jī)器人監(jiān)視的所有物理狀態(tài)通過(guò)對(duì)應(yīng)的傳感器感知轉(zhuǎn)化，匯總至監(jiān)視機(jī)器人“神經(jīng)中樞”，就形成車間全景智能體。設(shè)車間全景的傳感轉(zhuǎn)化矩陣為Ks：

一般來(lái)說(shuō)，隨著傳感器種類及數(shù)量的不斷增加，以及傳感器質(zhì)量的不斷改進(jìn)，機(jī)器人與其智能體之間的差異將會(huì)越小越來(lái)，但卻很難消除。

4 車間鏡像的建構(gòu)

車間鏡像是車間智能體映射到互聯(lián)網(wǎng)上而形成的虛擬鏡像。車間鏡像的建構(gòu)就是將整個(gè)車間及機(jī)器設(shè)備全部映射到網(wǎng)絡(luò)空間，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)形成車間及機(jī)器設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投影，并呈現(xiàn)于后臺(tái)，使得管理者可以通過(guò)虛擬投影實(shí)現(xiàn)對(duì)車間及機(jī)器生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視和干預(yù)。具體來(lái)說(shuō)，車間鏡像包含3 類，分別是機(jī)器人鏡像、工序鏡像和車間全景鏡像。

4.1 機(jī)器人鏡像映射

4.2 工序鏡像映射

4.3 車間全景鏡像映射

5 車間無(wú)人化運(yùn)作邏輯

5.1 車間整體運(yùn)作邏輯

智能化無(wú)人車間由生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)、邊緣計(jì)算系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。其中，生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)由作業(yè)機(jī)器人及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成，主要承擔(dān)生產(chǎn)線上各工序的感知和操作；邊緣計(jì)算系統(tǒng)為生產(chǎn)線提供現(xiàn)場(chǎng)算力，現(xiàn)場(chǎng)支持作業(yè)機(jī)器人的工序操作決策以及工序之間的上下游協(xié)調(diào)；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、監(jiān)視機(jī)器人和控制機(jī)器人構(gòu)成，主要承擔(dān)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，必要時(shí)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)給予適當(dāng)干預(yù)。智能化無(wú)人車間的整體運(yùn)作邏輯參見(jiàn)圖2。

圖2 智能化無(wú)人車間的整體運(yùn)作邏輯

5.2 生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)作

生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)是智能化無(wú)人車間的軀干，其核心功能是按任務(wù)計(jì)劃和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)由個(gè)作業(yè)機(jī)器人、個(gè)生產(chǎn)工序以及若干生產(chǎn)輔助設(shè)施構(gòu)成。生產(chǎn)輔助設(shè)施主要包括物料供應(yīng)、輔助設(shè)備、車間環(huán)境等。全部生產(chǎn)工序及其對(duì)應(yīng)的作業(yè)機(jī)器人共同構(gòu)成生產(chǎn)線，并由作業(yè)機(jī)器人按照任務(wù)指令調(diào)用輔助設(shè)施完成生產(chǎn)操作，見(jiàn)圖3。

圖3 智能化無(wú)人車間的生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)

智能化無(wú)人生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)的本質(zhì)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，即將所有的生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施智能化以后接入網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)下自主運(yùn)行生產(chǎn)線；網(wǎng)絡(luò)鏈接采用有線與無(wú)線相結(jié)合的方式。其中，對(duì)于空間位置相對(duì)固定的設(shè)備設(shè)施，主要采用有線鏈接方式，以獲取更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸效果；但對(duì)于需要經(jīng)常移動(dòng)的設(shè)備設(shè)施，則主要采用無(wú)線鏈接方式，以獲取更加靈活機(jī)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸效果。

5.3 邊緣計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)作

邊緣計(jì)算系統(tǒng)是智能化無(wú)人車間的大腦，其核心功能是為生產(chǎn)活動(dòng)提供現(xiàn)場(chǎng)算力，支持作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)工序決策和輔助設(shè)施調(diào)用，以及各工序之間的上下游協(xié)調(diào)。采用邊緣計(jì)算系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省海量數(shù)據(jù)長(zhǎng)途傳輸流量，實(shí)現(xiàn)更加貼近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)時(shí)延、無(wú)堵塞計(jì)算。根據(jù)功能差異，可以將邊緣計(jì)算系統(tǒng)劃分為作業(yè)機(jī)器人邊緣計(jì)算系統(tǒng)和生產(chǎn)線協(xié)同邊緣計(jì)算系統(tǒng)。作業(yè)機(jī)器人邊緣計(jì)算系統(tǒng)主要支持作業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)工序決策和輔助設(shè)施調(diào)用；生產(chǎn)線協(xié)同邊緣計(jì)算系統(tǒng)主要支持工序間協(xié)調(diào)。如圖4 所示。

圖4 智能化無(wú)人車間邊緣計(jì)算系統(tǒng)的功能類型劃分

生產(chǎn)工序決策過(guò)程，就是將單個(gè)工序的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、物料供應(yīng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)、故障發(fā)生數(shù)據(jù)等，由作業(yè)機(jī)器人傳向作業(yè)機(jī)器人邊緣計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算處理后再傳回作業(yè)機(jī)器人，作業(yè)機(jī)器人據(jù)此采取相應(yīng)的生產(chǎn)行動(dòng)。如圖5 所示。

圖5 智能化無(wú)人車間生產(chǎn)工序決策過(guò)程

輔助設(shè)施調(diào)用過(guò)程，就是將作業(yè)機(jī)器人對(duì)生產(chǎn)輔助設(shè)施的需求數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶鳂I(yè)機(jī)器人邊緣計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)算，并經(jīng)生產(chǎn)線協(xié)同邊緣計(jì)算系統(tǒng)的統(tǒng)籌計(jì)算，完成輔助設(shè)施的分配調(diào)用。如圖6 所示。

圖6 智能化無(wú)人車間輔助設(shè)施調(diào)用過(guò)程

工序間協(xié)調(diào)過(guò)程，就是將生產(chǎn)線上所有工序的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴a(chǎn)線協(xié)同邊緣計(jì)算系統(tǒng)，由生產(chǎn)線協(xié)同邊緣計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行工序之間的上下游進(jìn)度匹配分析，并及時(shí)調(diào)節(jié)各工序的操作進(jìn)度，確保工序之間生產(chǎn)節(jié)拍的高度一致；當(dāng)遇到協(xié)調(diào)困難時(shí)，可以請(qǐng)求遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的及時(shí)干預(yù)。如圖7 所示。

圖7 智能化無(wú)人車間工序間協(xié)調(diào)過(guò)程

5.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)作

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是智能化無(wú)人車間的外腦，其核心功能是實(shí)時(shí)監(jiān)視車間場(chǎng)景，并在必要時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施適當(dāng)?shù)耐獠扛深A(yù)。其中，對(duì)車間場(chǎng)景的實(shí)時(shí)監(jiān)視，主要是通過(guò)監(jiān)視機(jī)器人來(lái)執(zhí)行；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的外部干預(yù)，主要是通過(guò)控制機(jī)器人來(lái)執(zhí)行；遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)則是作為后臺(tái)中樞，接收并顯示車間虛擬鏡像，包括機(jī)器人鏡像、生產(chǎn)工序鏡像和車間全景鏡像。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的外部干預(yù)主要是針對(duì)作業(yè)機(jī)器人和邊緣計(jì)算系統(tǒng)難以解決的非程序化突發(fā)狀況或者技術(shù)故障，具體干預(yù)措施包括預(yù)警、糾錯(cuò)、停機(jī)、檢修、重啟等。如圖8 所示。

圖8 智能無(wú)人車間場(chǎng)景的遠(yuǎn)程監(jiān)控

6 結(jié)論

本研究針對(duì)正在到來(lái)的智能制造時(shí)代需求，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生等新興信息技術(shù)，引入“車間智能體”和“車間鏡像”概念，探討了智能化無(wú)人車間的智能化和鏡像化建構(gòu)模式；將智能化無(wú)人車間分解為生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)、邊緣計(jì)算系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，闡釋了智能化無(wú)人車間的運(yùn)作邏輯。主要研究結(jié)論如下：

（1）隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用，未來(lái)的智能制造就是在車間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以智能機(jī)器人完全取代人力，智能化無(wú)人車間將成為制造行業(yè)的標(biāo)配。

（2）智能化無(wú)人車間就是對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行完全智能化改造，將“人+機(jī)器”二元生產(chǎn)模式升級(jí)為智能機(jī)器人一元生產(chǎn)模式，并在網(wǎng)絡(luò)空間形成生產(chǎn)車間的遠(yuǎn)程鏡像孿生體。

（3）智能化無(wú)人車間可分解為車間實(shí)體、車間智能體、車間鏡像三大部分，三大部分之間的轉(zhuǎn)化包含智能化和鏡像化兩個(gè)過(guò)程。

（4）智能化包括機(jī)器人自感、生產(chǎn)工序感知和車間全景感知；鏡像化包括機(jī)器人鏡像映射、工序鏡像映射和車間全景鏡像映射。限于技術(shù)水平和隨機(jī)干擾，智能化和鏡像化兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程皆存在一定誤差。

（5）智能化無(wú)人車間的運(yùn)作架構(gòu)由生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)、邊緣計(jì)算系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，其中生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)是執(zhí)行軀干、邊緣計(jì)算系統(tǒng)是決策中樞、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)急外腦，三者密切配合共同實(shí)現(xiàn)車間運(yùn)作。

科學(xué)建構(gòu)智能化無(wú)人車間，理清其運(yùn)作邏輯，有助于推進(jìn)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，進(jìn)而快速搶占智能制造的戰(zhàn)略先機(jī)。