丁 濤，閆光榮，劉愛軍

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.北京數(shù)碼大方科技股份有限公司，北京 100094；3.智能化協(xié)同制造技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室，北京 100094）

0 引言

隨著用戶需求的個性化程度越來越高，工業(yè)生產(chǎn)的組織方式也從以前的大規(guī)模批量化生產(chǎn)往多品種個性化定制方向轉(zhuǎn)變，制造需求的多樣化和生產(chǎn)周期的縮短給傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式提出新的挑戰(zhàn)。為了滿足市場的個性化需求，不少學(xué)者提出很多新的生產(chǎn)模式，比如并行工程、敏捷制造、網(wǎng)格制造等[1～4]，在一定程度上提升了生產(chǎn)效率和制造資源利用率，但由于缺少生產(chǎn)全生命周期統(tǒng)一的協(xié)同架構(gòu)平臺，這些新的生產(chǎn)模式并沒有帶來根本性的變革。

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以智能協(xié)同制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)革命逐漸興起，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為制造業(yè)發(fā)展的方向[5]。智能協(xié)同制造模式下，制造企業(yè)將不再自上而下地集中控制生產(chǎn)，不再從事單獨的設(shè)計與研發(fā)環(huán)節(jié)，或者單獨的生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)，或者單獨的營銷與服務(wù)環(huán)節(jié)。而是從顧客需求開始，到接受產(chǎn)品訂單、尋求合作生產(chǎn)、采購原材料或零部件、共同進行產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)組裝，整個環(huán)節(jié)都通過智能協(xié)同方式聯(lián)接起來并進行實時通信，從而確保最終產(chǎn)品滿足大規(guī)?？蛻舻膫€性化定制需求。

制定統(tǒng)一的框架平臺是智能協(xié)同制造的關(guān)鍵[6,7]。為了更好的實現(xiàn)企業(yè)智能協(xié)同制造各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集成和流程貫通，本文自底向上分析制造生產(chǎn)組織方式，提出基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架，將生產(chǎn)制造過程劃分為硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)流程貫通、云端協(xié)同三個層面進行討論，分別構(gòu)建了基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺、基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平和基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺，三個層次平臺內(nèi)部橫向集成，層間縱向貫通，從而為企業(yè)構(gòu)建靈活組織和快速響應(yīng)的智能協(xié)同制造平臺提供借鑒意義。

1 基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架模型

分析企業(yè)生產(chǎn)制造組織方式及數(shù)據(jù)流向，可以將企業(yè)的生產(chǎn)制造過程分為三個層次：硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通和云端協(xié)同。最底層的制造設(shè)備及相關(guān)硬件是生產(chǎn)具體的執(zhí)行單元，底層的生產(chǎn)過程通過產(chǎn)品全生命周期（設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、物流、銷售）的數(shù)據(jù)貫通與企業(yè)內(nèi)其他環(huán)節(jié)實現(xiàn)互聯(lián)互通，近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云制造逐漸成為一種新的生產(chǎn)組織模式[8]，企業(yè)內(nèi)的制造資源和制造能力通過發(fā)布到云端，形成服務(wù)于制造需求的基礎(chǔ)公共服務(wù)和功能服務(wù)，從而實現(xiàn)制造企業(yè)之間及企業(yè)與用戶之間的云端協(xié)同。

針對生成制造過程的三個層次，本文提出基于層次化的智能協(xié)同制造平臺總體框架，如圖1所示?？傮w框架包含三個層次的子框架平臺：1）基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺；2）基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺；3）基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺。三個層次平臺內(nèi)容如下：

1）基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺。構(gòu)建基于OPC、OPC-UA等標(biāo)準(zhǔn)的交互式生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)和基于MODBUS、RS232等協(xié)議的數(shù)據(jù)通信聯(lián)網(wǎng)條件，為數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能傳感器、DCS、PLC等硬件提供互聯(lián)的協(xié)同平臺。

2）基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺。搭建基于產(chǎn)品全生命周期（設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)）的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)貫通，制定企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部各生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的橫向集成和互聯(lián)互通。

3）基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺?；诠I(yè)云、云存儲和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建企業(yè)制造能力共享和企業(yè)間制造協(xié)同的生態(tài)服務(wù)平臺，將企業(yè)內(nèi)部的制造資源和能力價值通過云端服務(wù)延伸到用戶和其他企業(yè)之間，構(gòu)建價值鏈協(xié)同平臺。

基于層次化的智能協(xié)同制造平臺總體框架，實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)制造橫向集成和縱向貫通，并通過工業(yè)云將制造資源和制造能力價值鏈延伸到用戶及其他企業(yè)，針對行業(yè)形成服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用的公共基礎(chǔ)服務(wù)和功能服務(wù)，從而形成智能化協(xié)同制造生態(tài)，提升企業(yè)生產(chǎn)響應(yīng)效率和協(xié)作能力。下面對總體框架涉及的層次子框架及關(guān)鍵技術(shù)進行詳細描述。

2 智能協(xié)同制造平臺關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)對總體框架涉及到的三個層次子框架及各自的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細描述，從生產(chǎn)組織的硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通、云端協(xié)同三個層面闡述協(xié)同制造平臺構(gòu)建過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 構(gòu)建基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺

基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同是指制造過程的數(shù)控機床、工業(yè)機器人和其他自動化設(shè)備在OPC、OPC-UA的采集標(biāo)準(zhǔn)和MODBUS、RS232通信協(xié)議的支撐下，實現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)和數(shù)據(jù)通信，在硬件層下達和反饋制造信息，形成硬件互聯(lián)互通的協(xié)同平臺，實現(xiàn)硬件層的協(xié)同效率倍增效應(yīng)。基于工業(yè)物聯(lián)的硬件平臺層次架構(gòu)如圖2所示。

圖中硬件控制系統(tǒng)包括PLC、驅(qū)動器、機器人、電機、傳感器、網(wǎng)關(guān)、通信服務(wù)器等，采集標(biāo)準(zhǔn)包括OPC、OPC-UA等，通信標(biāo)準(zhǔn)包括MODBUS、TCP等。圖中以紅色框內(nèi)的部分是為對硬件采集通信數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。該平臺框架按對象化、層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，關(guān)鍵技術(shù)包含設(shè)備接入與數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)管理與基礎(chǔ)服務(wù)、設(shè)備間協(xié)同控制、可視化展示和與第三方軟件數(shù)據(jù)接口等五個方面。

1）設(shè)備接入與數(shù)據(jù)交互

圖1 智能化協(xié)同制造技術(shù)與應(yīng)用平臺

圖2 硬件平臺協(xié)同框架

框架底層部分為彈性的接口框架，可以開發(fā)插件式驅(qū)動程序，以適配不同的接口協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，從而與不同類型的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互的內(nèi)容包括設(shè)備自身信息、生產(chǎn)統(tǒng)計類信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)實際值、質(zhì)量類信息、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、報警類信息、可視化信息、維保類信息、核心部件類信息、能耗類信息、生產(chǎn)工單、換型指令、生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備工作模式、對時信息、信息安全、設(shè)備專用的數(shù)據(jù)信息等。

2）數(shù)據(jù)管理與基礎(chǔ)服務(wù)

數(shù)據(jù)管理與基礎(chǔ)服務(wù)是框架底層平臺的核心，包括內(nèi)容實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、設(shè)備信息模型、產(chǎn)品信息模型、報警&事件服務(wù)、協(xié)同控制服務(wù)、腳本引擎服務(wù)、日志服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、時鐘同步服務(wù)、可視化展示服務(wù)、報表管理服務(wù)、打印管理服務(wù)、信息安全服務(wù)等。

3）設(shè)備間協(xié)同控制

在單體設(shè)備管控的基礎(chǔ)上，對由多臺相關(guān)設(shè)備、傳感器、儀器儀表、識別設(shè)備等組成的單一或多條相關(guān)生產(chǎn)線，以及分屬不同系統(tǒng)的相關(guān)儀表和設(shè)備進行聯(lián)動控制等。

4）可視化展示

在設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求對各個層次的對象進行統(tǒng)一的可視化展示。包括工廠、產(chǎn)線、設(shè)備、人員、樓宇、工業(yè)視頻。除了常規(guī)的大屏、操作終端電腦屏幕、語音/廣播等方式外，也可以通過郵件、短信息、Web服務(wù)等支持移動端設(shè)備。

5）與第三方軟件數(shù)據(jù)接口

軟件平臺要與第三方MES、WMS、PDM之間存在數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)集成的方式主要有兩種：中間數(shù)據(jù)庫和基于SOA的服務(wù)集成，從而使設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)能及時與其他系統(tǒng)進行交互。

2.2 構(gòu)建基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺

在基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺上提供了設(shè)計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）等產(chǎn)品，平臺不僅實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)不同產(chǎn)品間的數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)協(xié)同，還實現(xiàn)與異構(gòu)CAD、PDM、ERP、MES等系統(tǒng)的集成接口，以及與3D掃描、3D打印及其他企業(yè)數(shù)控設(shè)備之間的互聯(lián)互通，協(xié)同平臺框架如圖3所示。

本層次平臺框架的關(guān)鍵技術(shù)包括：1）基于PLM的接口標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范PLM和CAD、CAPP、CAM、MES、ERP、網(wǎng)絡(luò)DNC的集成方式和內(nèi)容，規(guī)范PLM、ERP、網(wǎng)絡(luò)DNC、數(shù)控設(shè)備等與MES的集成方式和內(nèi)容；2）在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支持下實現(xiàn)全生命周期里的軟件之間、軟件和硬件之間的互聯(lián)互通和融合創(chuàng)新；3）面向行業(yè)的知識管理，實現(xiàn)基于協(xié)同架構(gòu)的產(chǎn)品生產(chǎn)知識管理。關(guān)鍵技術(shù)詳述如下：

1）基于PLM的接口標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的軟件之間及軟硬件之間的數(shù)據(jù)交換接口，軟件之間統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)庫和SOA的方式進行數(shù)據(jù)集成，軟硬件之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)先對硬件的數(shù)控系統(tǒng)接口程序進行升級，并按照平臺架構(gòu)的設(shè)計進行組裝，實現(xiàn)各種接口可按插件形式配置，實現(xiàn)軟硬件之間的接口標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)一的規(guī)范。

圖3 基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同架構(gòu)

2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的軟件及軟硬件間的互聯(lián)互通和融合創(chuàng)新

在設(shè)計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）等產(chǎn)品中支持?jǐn)?shù)據(jù)互聯(lián)互通，并支持按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求以中間數(shù)據(jù)格式或服務(wù)的形式與第三方公司的產(chǎn)品軟件進行數(shù)據(jù)集成，并實現(xiàn)軟件與數(shù)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

3）基于協(xié)同架構(gòu)的產(chǎn)品知識管理

構(gòu)建基于協(xié)同架構(gòu)的統(tǒng)一知識管理工具，實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的知識管理和積累。在設(shè)計工具（CAD、PDM）、工藝管理（CAPP、CAM、PDM）、數(shù)字制造（DNC、MES）各階段增加對產(chǎn)品知識的調(diào)用，如提供在線的設(shè)計/工藝/制造手冊，提供設(shè)計/工藝/制造知識庫，標(biāo)準(zhǔn)件庫、零件庫、設(shè)計模塊庫、產(chǎn)品色彩方案庫，材料、材質(zhì)、設(shè)備、工裝、工具等資源庫等，支持設(shè)計生產(chǎn)流程導(dǎo)航，支持基于典型工藝的工藝設(shè)計和智能生產(chǎn)等。

2.3 構(gòu)建基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺

基于云制造、云存儲和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建以制造資源共享和企業(yè)間制造協(xié)同的融合創(chuàng)新云服務(wù)平臺。價值鏈協(xié)同平臺基于個性化定制、柔性制造和服務(wù)模式，分為服務(wù)運營、云服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)中心、用戶終端和行業(yè)應(yīng)用五個部分，數(shù)據(jù)中心完成云端數(shù)據(jù)的存儲和計算，云服務(wù)平臺提供云端服務(wù)的載體平臺，服務(wù)運營對云端的服務(wù)進行綜合管理，協(xié)同平臺的運行情況通過用戶終端與用戶進行交互，協(xié)同平臺架構(gòu)如圖4所示。

基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺將企業(yè)的制造資源價值延伸到云端，企業(yè)及相關(guān)應(yīng)用開通企業(yè)庫，在平臺上展現(xiàn)設(shè)計、制造、檢測、工程服務(wù)等能力，信息聚合后即可呈現(xiàn)為整個行業(yè)的綜合能力，同時制造企業(yè)之間可以通過工業(yè)云進行制造過程協(xié)作，通過用戶終端承接個性化定制的訂單和需求，在平臺上完成需求與能力的對接，服務(wù)或產(chǎn)品交付后，需求方可以進行服務(wù)評價，并持續(xù)向企業(yè)反饋意見，從而將資源和能力價值發(fā)揮到最大。

構(gòu)建基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺的關(guān)鍵技術(shù)包含云服務(wù)框架、資源庫建設(shè)、軟件服務(wù)和平臺安全體系建設(shè)。以下對涉及到的四個關(guān)鍵技術(shù)進行詳細描述。

1）協(xié)同制造平臺云服務(wù)框架

平臺基于底層彈性云基礎(chǔ)設(shè)施，以虛擬化技術(shù)為主要支撐、對平臺的軟硬件及虛擬機等各類資源進行服務(wù)化管理，滿足靈活管理和高效利用資源的需要。

基于IaaS平臺，實現(xiàn)資源虛擬化、動態(tài)規(guī)模擴展、自動化部署、負載管理、數(shù)據(jù)管理、性能故障管理、配置管理等服務(wù)，構(gòu)建PaaS層，實現(xiàn)中間件層面統(tǒng)一，支持SaaS應(yīng)用層面擴展。部署統(tǒng)一模型服務(wù)、文倉服務(wù)、工作流服務(wù)、會話服務(wù)、認證授權(quán)服務(wù)、測試服務(wù)、部署服務(wù)等。重點建設(shè)行業(yè)能力供應(yīng)平臺，包括企業(yè)庫能力呈現(xiàn)與搜索、交易機制，構(gòu)建創(chuàng)新設(shè)計與協(xié)同制造云服務(wù)模式、體系架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

圖4 基于工業(yè)云價值鏈協(xié)同平臺

2）資源庫建設(shè)

資源服務(wù)圍繞行業(yè)，建設(shè)包括2D/3D設(shè)計零部件庫、專業(yè)應(yīng)用構(gòu)件庫、產(chǎn)品模型庫、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和手冊、工藝知識庫、制造資源庫、行業(yè)應(yīng)用模板等。

資源庫建設(shè)本著資源共享、有效利用的原則，在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上進行“填平補齊”，建立一個豐富的軟硬件資源體系，建設(shè)一個能有效支持異地協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，同時根據(jù)行業(yè)共性需求特點，建設(shè)若干設(shè)計數(shù)據(jù)庫以及協(xié)同工具，實現(xiàn)平臺內(nèi)部的資源共享和設(shè)計信息互通。主要建設(shè)策略為：規(guī)劃平臺的資源布局，填平補齊軟硬件工具，建設(shè)專業(yè)設(shè)計資源庫。

3）SaaS軟件和服務(wù)

SaaS應(yīng)用層面，包括軟件和能力交易平臺，提供工業(yè)設(shè)計工具和軟件，資源庫，3D打印，數(shù)控編程，仿真分析等工程服務(wù)，以及交易對接服務(wù)、對接后的供應(yīng)鏈協(xié)作項目管理服務(wù)。具體的，云平臺主要有以下十方面的建設(shè)內(nèi)容，包括軟件服務(wù)系統(tǒng)、設(shè)計資料庫系統(tǒng)、培訓(xùn)和社區(qū)交流服務(wù)系統(tǒng)、搜索服務(wù)系統(tǒng)、項目管理服務(wù)系統(tǒng)、交易服務(wù)系統(tǒng)、認證服務(wù)系統(tǒng)、廣服務(wù)系統(tǒng)、定制服務(wù)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)呈現(xiàn)服務(wù)。

4）平臺安全體系建設(shè)

為有效保障云計算應(yīng)用的安全，針對平臺SaaS應(yīng)用安全層、PaaS網(wǎng)絡(luò)安全層、PaaS系統(tǒng)安全層、IaaS基礎(chǔ)設(shè)施安全層、管理安全層五個層次，從安全接入、權(quán)限管理、安全存儲、安全傳輸、安全審計、服務(wù)安全六個方面保障云服務(wù)平臺的安全。

3 結(jié)束語

用戶需求個性化定制程度的提高給傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式帶來挑戰(zhàn)，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能協(xié)同制造模式逐漸成為制造業(yè)發(fā)展的方向。本文從硬件物聯(lián)、數(shù)據(jù)貫通、云端協(xié)同三個層面分析了制造企業(yè)的生產(chǎn)組織方式，并構(gòu)建了基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架。自底向上提出支持平臺架構(gòu)的三個子平臺框架，即基于工業(yè)物聯(lián)的硬件協(xié)同平臺、基于PLM的生產(chǎn)制造協(xié)同平臺和基于工業(yè)云的價值鏈協(xié)同平臺，文中詳細探討了平臺涉及到的核心關(guān)鍵技術(shù)，三個層次內(nèi)部橫向集成，層間縱向貫通，從而構(gòu)成基于層次化的智能協(xié)同制造平臺框架，為企業(yè)構(gòu)建靈活高效的生產(chǎn)組織模式提供了有益的參考。

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