柴俊 徐夏民

摘? 要 針對傳統(tǒng)車間生產(chǎn)管理作用日益突出的問題，為強化車間生產(chǎn)管理，提高車間生產(chǎn)管理水平，基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對智慧車間構(gòu)建進行研究。通過智能感知技術(shù)對車間的信息進行采集，并對采集的信息進行分析處理;構(gòu)建出智慧車間，在生產(chǎn)計劃的制訂、執(zhí)行和跟蹤的制成等方面為車間管理和操作人員提供分析服務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，該車間構(gòu)建具有可行性、創(chuàng)新性和實用價值。

關(guān)鍵詞 泛在網(wǎng)絡(luò);智慧車間;智能感知;車間構(gòu)建

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0019-03

Research on Structure of Smart Workshop based on Ubiquitous Network Technology//CHAI Jun， XU Xiamin

Abstract In order to solve the increasingly prominent issues of work-

shop production management， strengthen the workshop production management and improve the workshop production management level， the paper studies the smart workshop construction based on the

ubiquitous network technology. It uses intelligent perception tech-nology to collect information of the workshop， and carries out the collection of information. Through building a smart workshop，it pro-

vides analysis service for workshop management and operation per-sonnel on the production plan preparation， execution， tracking and so on. The study shows that the workshop construction is feasible， innovative and practical.

Key words ubiquitous network; smart workshop; intelligent percep-tion; workshop construction

1 引言

目前，我國大多中小型制造企業(yè)面臨品種多樣化、生產(chǎn)批量小、制造過程不集中等問題，而且我國大部分中小型制造企業(yè)依然采用需人工干預(yù)的被動信息交互的方法，難以滿足制造過程信息化的需求，制約了企業(yè)的穩(wěn)定、快速發(fā)展。針對這些問題，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建智慧車間成為必然的趨勢。

近年來，國內(nèi)外對于智慧車間的研究逐漸增多，提出過若干解決方案。文獻[1]主要是介紹了工業(yè)4.0的概念，以及制藥工業(yè)在工業(yè)4.0智慧工廠中運用的相關(guān)技術(shù)的概要等，但沒有深入探討所需技術(shù)。文獻[2-3]分析了汽車制造行業(yè)與CNC規(guī)模化生產(chǎn)中目前使用的智能化制造方案，探討了其優(yōu)劣，并提出一種基于CNC智慧工廠的“自動化+互聯(lián)網(wǎng)+精益生產(chǎn)=智慧工廠”的生產(chǎn)模式，但未考慮實際生產(chǎn)的復(fù)雜程度。文獻[4]提出一種基于工廠設(shè)計為主要環(huán)節(jié)的智慧工廠參考模型，定義了智慧工廠組成域及各個組成元素的內(nèi)外聯(lián)系，并對該模型進行了驗證，但并未對具體的生產(chǎn)組織方式進行設(shè)計。文獻[5-6]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，深入分析了物聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧工廠建設(shè)中的地位，提出基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的“關(guān)聯(lián)+預(yù)測+調(diào)控”的車間運行、分析和決策的生產(chǎn)新模式。文獻[7]針對國內(nèi)目前未形成有效合理的智慧工廠模式這一問題，分析工廠建模重難點，運用多種傳感器技術(shù)設(shè)計了一種應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的智慧工廠綜合管理信息系統(tǒng)。

本文針對傳統(tǒng)型車間加工制造管理中存在的困難，結(jié)合上述論文的方法，以高職院校實習(xí)車間為藍本，提出一種基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建研究。研究發(fā)現(xiàn)，基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建可呈現(xiàn)出生產(chǎn)的可視化，為管理和操作人員提供各種分析服務(wù)，對于降低生產(chǎn)成本，提高實習(xí)效率，改善車間管理，具有顯著效果，具有較高的實用價值。

2 智慧車間

智慧車間的概念? 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的興起，智慧概念逐漸滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。IBM最早提出“智慧城市”的概念，已逐漸被國內(nèi)外廣泛接受，而后德國主導(dǎo)的“工業(yè)4.0”概念進一步將“智慧制造”這一概念帶入生產(chǎn)制造領(lǐng)域。目前，我國工業(yè)企業(yè)都在逐步進行智慧化升級改造，多種多樣的智慧工廠概念、方法、模式在不斷涌現(xiàn)，進一步促進了國內(nèi)企業(yè)向智慧化方面的轉(zhuǎn)型。

智慧車間是在數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)之上增加了智能感知和智能分析的車間，運用智能感知技術(shù)對車間的信息進行采集，并對采集的信息進行分析處理，為管理和操作人員進行生產(chǎn)計劃制訂、執(zhí)行和跟蹤提供分析服務(wù)，并可呈現(xiàn)生產(chǎn)的可視化信息。

智慧車間可行性分析? 工業(yè)自動化的發(fā)展經(jīng)歷了兩個主要階段：第一個階段是單一化階段，解決了直接與人力接觸的、生產(chǎn)單一的問題，針對工人勞動強度大、成本高的環(huán)節(jié)，開發(fā)出功能較為單一的、離散的自動化生產(chǎn)設(shè)備;第二階段是將現(xiàn)場實體設(shè)備進行連接，將工廠內(nèi)生產(chǎn)過程進行整體設(shè)計規(guī)劃，降低了車間內(nèi)的人力物流成本，開發(fā)出自動化流水線等技術(shù)，將工廠內(nèi)原本離散的生產(chǎn)設(shè)備、工位等有效地連接，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，進一步降低了成本及中間損耗。經(jīng)過這兩個階段的發(fā)展，工廠自動化的發(fā)展日趨成熟，全面加強了規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的實力。流水線自動化設(shè)備的大量使用以及工業(yè)機器人的逐漸投入，大大降低了工業(yè)生產(chǎn)中的人力需求，為解決企業(yè)“用工難”等問題發(fā)揮了重大作用。

建立智慧車間，是為了提升企業(yè)生產(chǎn)效率以及資源的利用率，創(chuàng)造出不斷發(fā)掘企業(yè)工業(yè)化潛力的生產(chǎn)環(huán)境，以原先的自動化技術(shù)作為基礎(chǔ)，將車間設(shè)備及管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，建立“自動化+互聯(lián)網(wǎng)+精益生產(chǎn)”的智慧循環(huán)系統(tǒng)（圖1），將原有的生產(chǎn)要素一并融入網(wǎng)絡(luò)中，進行實時的數(shù)據(jù)采集，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，交換信息，對生產(chǎn)進行集中分析管理，保持生產(chǎn)的持續(xù)高效穩(wěn)定。

3 基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間構(gòu)建

泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述? 以感知技術(shù)和智能技術(shù)為特點的泛在技術(shù)的提出，成為推動制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個新的動力，制造技術(shù)也將由傳統(tǒng)的信息有限時代進入信息豐富的新階段。泛在（Ubiquitous）一詞源自拉丁語，其意思是存在于任意地方。泛在網(wǎng)絡(luò)是指把先進的計算技術(shù)及數(shù)字處理技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)等其他先進技術(shù)結(jié)合而成的技術(shù)社會形態(tài)。泛在網(wǎng)絡(luò)以“無所不包”“無所不在”“無所不能”為主要特點，使人們達到任何地點（anywhere）、任何時間（anytime）、任何物（anything）、任何人（anyone）都可以順暢通信的4A化通信。

泛在計算是由美國Xerox PAPC實驗室的Mark Weiser于1991年提出的一種超越傳統(tǒng)桌面計算而存在的全新的計算模式。泛在計算有兩個關(guān)鍵特點：一是不可見性;二是具有能隨時隨地訪問到信息的能力。通過在環(huán)境中安插大量傳感器、處理器、通信設(shè)備和其他信息處理設(shè)備，在用戶無須察覺的情況下進行各種計算、通信、信息處理服務(wù)，最大限度減少用戶對系統(tǒng)的介入。

在泛在計算發(fā)展的基礎(chǔ)上進一步衍生出泛在網(wǎng)絡(luò)。泛在網(wǎng)絡(luò)是一種無所不在的網(wǎng)絡(luò)，建立泛在網(wǎng)絡(luò)是要在建立人與人、物與物、人與計算機、物與計算機廣泛連接的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，加載各類應(yīng)用以提高人們生活的效率和便利性。泛在網(wǎng)絡(luò)的體系標準研究內(nèi)容主要包括泛在網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)、泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點、泛在網(wǎng)絡(luò)體系中各個組件和功能模塊及各個模塊間的接口、應(yīng)用服務(wù)標準等。

泛在網(wǎng)絡(luò)與智慧車間的聯(lián)系? 對于將制造作為首要功能的智慧車間，其泛在網(wǎng)絡(luò)是將工業(yè)級傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、工廠控制網(wǎng)絡(luò)、面向管理的RFID網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息互聯(lián)網(wǎng)的融合和集成，是未來制造之中將人和人、機器和機器以及人和機器有機關(guān)聯(lián)、交互信息的有效手段。

對于智慧車間的生產(chǎn)設(shè)計，要求通過傳感器收集現(xiàn)場信息，并實時通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，遠程了解現(xiàn)場生產(chǎn)狀況;對于設(shè)備方面，要求持續(xù)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的磨損老化狀況，預(yù)計設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，及時控制風(fēng)險，合理安排維護，減少維修成本;對于控制方面，全面詳盡地獲取數(shù)據(jù)和產(chǎn)品信息，以便為控制提供最優(yōu)策略;對于管理，要求持續(xù)不斷地取得現(xiàn)場各個設(shè)備的運行狀況，監(jiān)控跟蹤資產(chǎn)信息，收集車間作業(yè)人員各項相關(guān)信息，以提高智慧車間的自動化水準。

基于泛在網(wǎng)絡(luò)的智慧車間的實現(xiàn)? 傳統(tǒng)加工制造車間制造環(huán)境復(fù)雜，底層加工設(shè)備的差異性過大，在車間中無法將設(shè)備聯(lián)動，生產(chǎn)加工狀態(tài)成為企業(yè)管理的信息盲點。泛在網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，提供了一種車間信息傳遞的新方法，使得智慧車間的實現(xiàn)成為可能。

本文根據(jù)智慧車間的要求標準以及泛在網(wǎng)絡(luò)的特點，設(shè)計了一種具有三層構(gòu)架的設(shè)備監(jiān)控及信息交換系統(tǒng)。

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層是設(shè)備監(jiān)控及信息交換系統(tǒng)的最底層，其功能是采集設(shè)備當(dāng)前的工序和狀態(tài)信息。對于開放系統(tǒng)的設(shè)備，可以直接通過開放的接口獲得設(shè)備數(shù)據(jù)，其余的可以通過在設(shè)備上大量安置傳感器的方式獲取。

C/S架構(gòu)是一個車間聯(lián)網(wǎng)框架，是以設(shè)備（傳感器）為核心構(gòu)建的框架，設(shè)備（傳感器）的協(xié)議無關(guān)性，可以隨意掛載設(shè)備驅(qū)動在框架下運行。所以其本質(zhì)上可以協(xié)調(diào)設(shè)備驅(qū)動（協(xié)議）、IO通道（COM和NET）、運行機制（模式）之間的關(guān)系，使之無縫結(jié)合、運行。同時，C/S架構(gòu)具有實時通信速率高、信息處理能力強及操作頁面形式多樣等特點，故采用其實現(xiàn)對現(xiàn)場級別采集軟件的設(shè)計與程序編寫，從而有效協(xié)調(diào)設(shè)備驅(qū)動、IO通道、控制模式和實際硬件設(shè)備。

串口和網(wǎng)絡(luò)通信時，采集軟件架構(gòu)通過輪詢模式對系統(tǒng)進行控制。將機床等設(shè)備都虛擬成IDevice設(shè)備驅(qū)動，當(dāng)有多個設(shè)備連接到通信平臺時，通信平臺會輪詢調(diào)度設(shè)備進行通信任務(wù)，保證每一時刻只有一個設(shè)備發(fā)送請求命令并等待接收返回數(shù)據(jù)。應(yīng)用場景下，服務(wù)端與設(shè)備均遵循呼叫應(yīng)答的方式進行通信，即在IO可用的情況下，服務(wù)端發(fā)出通信命令請求后，設(shè)備根據(jù)命令信息返回數(shù)據(jù)給服務(wù)端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。智慧車間數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層用于對機床、工況等信息的實時掌握，從而實現(xiàn)從環(huán)境、資源到運作的全部數(shù)字化。以車間工作人員為核心，在傳統(tǒng)工廠的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個數(shù)字空間，方便對資源利用的最大化和高效化，實現(xiàn)有效的人機互動。數(shù)據(jù)處理層包括管理人員、機床、班級、學(xué)生和物料五個基本模塊。通過查詢管理人員資源和機床資源，提供數(shù)據(jù)依據(jù)，完成對數(shù)據(jù)的采集分析，通過對工作過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，進而判斷不同時間段、不同人的工作情況。該數(shù)據(jù)管理層可以用于輔助車間管理，提高日常管理效率，進行進一步的人機智能化管理，是實現(xiàn)精細化管理的有效工具。

數(shù)據(jù)處理過程中，首先要將這些通過采集層獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)教幚砥脚_，因車間內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)選用無線通信方式進行數(shù)據(jù)的傳輸;將信息整合后需要進行分析處理并過濾分類，進而判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)并為接下來的運作提供編排依據(jù)。為了記錄實際產(chǎn)品內(nèi)部每個操作的真實情況，機臺一旦開始實操，就要記錄之后的每個過程的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)保存于獨立文件內(nèi)，用于后期的其他分析。同時，每次試驗完成后，應(yīng)對導(dǎo)入獨立文件的數(shù)據(jù)以曲線或散點形式進行分析。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)應(yīng)用層處于此系統(tǒng)頂端，其功能是對已取得的監(jiān)控結(jié)果進行應(yīng)用。應(yīng)用層分為常規(guī)管理級和實時報警級：常規(guī)管理級用于日常教學(xué)班級和學(xué)生的管理和統(tǒng)計，讓車間管理人員對生產(chǎn)車間的生產(chǎn)狀況進行掌控，實現(xiàn)監(jiān)管的實時化、細節(jié)化;實時報警級用于加強教師與實習(xí)學(xué)生的實時聯(lián)系，方便教師和工作人員及時處理實習(xí)時發(fā)生的故障和困難。

基于以上對數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層的描述，可以得到圖4所示的基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧車間理論模型。

4 結(jié)論

本文基于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種應(yīng)用于高職院校智慧車間的構(gòu)建方法，設(shè)計了一種具有數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層的三層架構(gòu)系統(tǒng)，及基于此系統(tǒng)的理論模型框圖。該系統(tǒng)可在生產(chǎn)實習(xí)計劃的制訂、執(zhí)行和跟蹤等方面為車間管理和操作人員提供管理和分析服務(wù)，有效提高生產(chǎn)實習(xí)的效率，提升車間管理的信息化程度，具有一定的實用和參考價值?！?/p>

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