探究面向新一代智能制造的智能工廠體系架構(gòu)

本文從功能架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)兩個維度對面向新一代智能制造的鋼鐵行業(yè)智能工廠進行體系架構(gòu)研究，嘗試通過一套通用架構(gòu)模型形成構(gòu)建流程工業(yè)智能工廠的基本模式，為鋼鐵行業(yè)智能工廠的建設(shè)實施提供應(yīng)用參考。

伴隨著信息技術(shù)與制造技術(shù)的發(fā)展和融合，智能制造從傳統(tǒng)制造向數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造、新一代智能制造不斷前進。信息技術(shù)發(fā)明以前，人類不斷發(fā)明、創(chuàng)造與改進各種動力機器并使用它們來制造各種工業(yè)品，這種由人和機器所組成的制造系統(tǒng)大量替代了人的體力勞動，提高了制造的質(zhì)量和效率，社會生產(chǎn)力得以極大提高。

隨著信息技術(shù)的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，制造系統(tǒng)進入數(shù)字化制造時代，與傳統(tǒng)制造相比 ，數(shù)字化制造最本質(zhì)的變化是在人和物理系統(tǒng)之間增加了一個信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)由軟件和硬件組成，對輸入信息進行各種計算分析，并代替操作者去控制物理系統(tǒng)完成工作任務(wù)。

數(shù)字化制造通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，其能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得到極大提高。上世紀(jì)末，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展并得到廣泛普及和應(yīng)用，推動制造業(yè)從數(shù)字化制造向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造轉(zhuǎn)變。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的實質(zhì)是在數(shù)字化制造的基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)將人、流程、數(shù)據(jù)和資源等生產(chǎn)要素連接起來，使得組織要素的邊際生產(chǎn)力得到了大幅提升，通過企業(yè)內(nèi) 、企業(yè)間的協(xié)同和各自資源的共享與集成優(yōu)化，重塑制造業(yè)的整體價值鏈。

?1 新一代智能制造HCPS2.0的內(nèi)涵

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能制造正加速向新一代智能制造邁進。新一代智能制造的信息系統(tǒng)通過人工智能技術(shù)賦予信息系統(tǒng)強大的“智能”，使其不僅具有更加強大的感知、決策與控制的能力，更是具有了學(xué)習(xí)認(rèn)知、產(chǎn)生知識的能力，從而極大提高處理制造系統(tǒng)復(fù)雜性、不確定問題的能力，在新一代智能制造的驅(qū)動下制造知識的產(chǎn)生、利用、傳承和積累效率均會發(fā)生革命性變化 。

新一代智能制造HCPS2.0（Human-Cyber-Physical Systems）是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，其核心是新一代人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合。將新一代人工智能技術(shù)與制造領(lǐng)域知識和技術(shù)進行深度融合，使人的智慧與機器智能的各自優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，相互啟發(fā)式地增長成為新一代智能制造技術(shù)，用于解決制造系統(tǒng)價值維、組織維和制造全流程及其集成的問題，通過工業(yè)智能“賦能”創(chuàng)新，極大釋放人類智慧的創(chuàng)新潛能，提升制造業(yè)的集成式創(chuàng)新能力。

?2 鋼鐵行業(yè)智能工廠體系架構(gòu)

新一代智能制造是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與制造企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)有效融合，具有信息深度自感知、智能優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。在當(dāng)前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，新一代智能制造對推動鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)快速市場響應(yīng)、資源柔性配置、縮短產(chǎn)品研制周期、提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、促進源頭減少和能源高效轉(zhuǎn)化，乃至整個行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，即敏捷化、精益化 、綠色化發(fā)展均具有十分重要的時代意義。

鋼鐵工業(yè)是典型的流程制造工業(yè)，鋼鐵企業(yè)實施智能制造需以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐。在智能工廠建設(shè)層面，按照《鋼鐵工業(yè)智能制造體系架構(gòu)白皮書》指引，應(yīng)以工藝過程在線閉環(huán)控制、全流程界面協(xié)同優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)突破為先決條件，重點關(guān)注一體化計劃調(diào)度、全流程質(zhì)量管控、生產(chǎn)能環(huán)協(xié)同調(diào)配和資產(chǎn)全生命周期管理的建設(shè)，實現(xiàn)冶金全流程物質(zhì)流、能量流和信息流協(xié)同優(yōu)化，從而形成高效能、低耗散、自組織、動態(tài)有序、連續(xù)運行的生產(chǎn)模式。

考慮到鋼鐵流程工業(yè)智能工廠建設(shè)的復(fù)雜性和實施難度，為給鋼鐵行業(yè)智能工廠實施提供一套可執(zhí)行的參考模型，按照功能架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)兩大板塊，形成以智能工廠評估標(biāo)準(zhǔn)和鋼鐵行業(yè)業(yè)務(wù)需求為牽引的面向新一代智能制造的鋼鐵行業(yè)智能工廠體系架構(gòu)。

2.1 功能架構(gòu)

在功能架構(gòu)上，依據(jù)智能工廠評估通則和智能制造能力成熟度模型，智能工廠應(yīng)包括智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能運營、智能物流，層級范圍為企業(yè)層、車間層、單元層和設(shè)備層。根據(jù)智能工廠評估標(biāo)準(zhǔn)中對智能工廠業(yè)務(wù)范圍和層級的定義，圍繞產(chǎn)品全生命周期，將鋼鐵行業(yè)智能工廠劃分為智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能運營、智能服務(wù)四個部分。

（1） 智能設(shè)計

以滿足客戶需求為目標(biāo)，采用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)、結(jié)構(gòu)化模型文件描述和傳遞等功能，實現(xiàn)基于三維模型的制造產(chǎn)品設(shè)計、試驗驗證、工藝全要素的仿真分析和迭代優(yōu)化。保證產(chǎn)品和工藝的功能，提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制和制造周期 ，降低制造成本。

（2）智能生產(chǎn)

以智能設(shè)計輸出為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用自動化、信息化、智能賦能技術(shù)等技術(shù)手段，提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交期。

1）數(shù)字孿生工廠方面，在工廠設(shè)計、設(shè)備三維模型基礎(chǔ)上集成生產(chǎn)、設(shè)備、能耗 、環(huán)境等實時運行參數(shù)，實現(xiàn)物理制造與數(shù)字模型間的信息實時互聯(lián)和精準(zhǔn)映射 ；

2）計劃與調(diào)度方面，基于先進排程調(diào)度算法模型，自動給出滿足多種約束條件的優(yōu)化排產(chǎn)方案，形成優(yōu)化的詳細(xì)生產(chǎn)作業(yè)計劃，同時實施監(jiān)控各生產(chǎn)要素，實現(xiàn)對異常情況的自動決策和優(yōu)化調(diào)度；

3）生產(chǎn)管理方面，根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃，自動將生產(chǎn)程序、運行參數(shù)或生產(chǎn)指令下發(fā)到數(shù)字化設(shè)備，構(gòu)建模型實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的在線分析、優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)資源配置等；

4）質(zhì)量管理方面，基于在線監(jiān)測的質(zhì)量數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量數(shù)據(jù)算法模型預(yù)測生產(chǎn)過程異常、實時預(yù)警，實時采集產(chǎn)品原料、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)追溯，并通過數(shù)據(jù)分析和知識庫的運用，進行產(chǎn)品的缺陷分析，提出改善方案；

5）設(shè)備管理方面，基于設(shè)備運行模型和設(shè)備故障知識庫，自動給出預(yù)測性維護解決方案，基于設(shè)備綜合效率的分析，自動驅(qū)動工藝優(yōu)化和生產(chǎn)作業(yè)計劃優(yōu)化；

6）廠內(nèi)物流方面，通過數(shù)字化儲運設(shè)備與信息系統(tǒng)集成，依據(jù)實際生產(chǎn)狀態(tài)實時拉動物料配送，建立倉儲模型和配送模型，實現(xiàn)庫存和路徑的優(yōu)化，根據(jù)儲罐狀態(tài)實時數(shù)據(jù)進行趨勢預(yù)測，結(jié)合知識庫自動給出糾正和預(yù)防措施；

7）安環(huán)管理方面，基于安全作業(yè)、風(fēng)險管控等數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)危險源的動態(tài)識別、評審和治理，實現(xiàn)環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)和生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用，建立數(shù)據(jù)分析模型，開展排放分析及預(yù)測預(yù)警；

8）能源管理方面，建立節(jié)能模型，實現(xiàn)能流的精細(xì)化和可視化管理，根據(jù)能效評估結(jié)果及時對高能耗設(shè)備進行技術(shù)改造和更新。

（3）智能運營

智能運營包括智能研發(fā)、采購、產(chǎn)銷、供應(yīng)鏈、財務(wù)、能環(huán)、辦公等。智能運營為智能生產(chǎn)服務(wù)，通過對供應(yīng)鏈的協(xié)同管理、以客戶和市場為中心的產(chǎn)品開發(fā)、銷售管理，以財務(wù)、辦公、能環(huán)等綜合管理為生產(chǎn)保障，實現(xiàn)制造企業(yè)的產(chǎn)銷供一體化管理。

（4）智能服務(wù)

通過建立遠程運維服務(wù)平臺，為關(guān)鍵工序設(shè)備提供遠程監(jiān)測和遠程診斷功能，預(yù)測性維護等服務(wù)，對裝備上傳的運行參數(shù)，維保、用戶使用等數(shù)據(jù)進行挖掘分析，并于產(chǎn)品研發(fā)管理集成實現(xiàn)產(chǎn)品性能、工藝過程優(yōu)化和創(chuàng)新。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

在技術(shù)架構(gòu)上，以《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)2.0》中的功能視圖平臺體系框架為基礎(chǔ)，形成全面、安全和彈性擴展的技術(shù)架構(gòu)，按照功能層級劃分，包括設(shè)備層 、邊緣層、平臺層及應(yīng)用層四個關(guān)鍵功能組成部分。

（1）設(shè)備層

設(shè)備層是實現(xiàn)智能工廠的基礎(chǔ)，智能工廠設(shè)備層智能化的主要任務(wù)是實現(xiàn)設(shè)備層全感知、自執(zhí)行。

在全感知領(lǐng)域，為實現(xiàn)工廠精益管控，需對質(zhì)量管理層面的在線、離線裝備的生產(chǎn)參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)等，對成本、能環(huán)管理層面的計量數(shù)據(jù)，對物料管理層面的識別 堯 跟蹤數(shù)據(jù)，對設(shè)備管理層面的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和維護數(shù)據(jù)等實現(xiàn)全感知；并通過引入先進的智能檢測、感知裝備進一步優(yōu)化工序感知能力。

在自執(zhí)行領(lǐng)域，通過進一步改善、規(guī)范基礎(chǔ)自動化，引入工業(yè)機器人、智能物流裝備，進一步實現(xiàn)工序的少人化、無人化，提升工序的自執(zhí)行能力。

（2）邊緣層

邊緣層基于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)對工廠內(nèi)人、機 、料、法、能、環(huán)等生產(chǎn)要素的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，通過全面感知與互聯(lián)互通形成泛在的工業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)廠內(nèi)物料、產(chǎn)品、設(shè)備、環(huán)境和人員的感知、識別和控制 ，形成一體化管控基礎(chǔ)。

在工業(yè)現(xiàn)場采用工業(yè)網(wǎng)關(guān)通過OPC UA等主流工業(yè)總線協(xié)議與廠商協(xié)議接入工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)，使用MQTT等輕量級物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)關(guān)與工業(yè)云平臺的實時通訊 ；支持與之相關(guān)的通訊配置管理、通訊狀態(tài)監(jiān)控等。同時，支持各工序控制優(yōu)化和界面優(yōu)化相關(guān)的邊緣計算智能服務(wù)的邊緣部署，保障現(xiàn)場生產(chǎn)實時性需求的滿足 。

基于邊緣數(shù)據(jù)接入和緩存管理提供邊緣計算能力，通過類SQL流式數(shù)據(jù)處理和計算服務(wù)，在邊緣節(jié)點運行業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)、事件腳本觸發(fā)、邊緣規(guī)則處理引擎、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)報警判定和設(shè)備反控操作，同時將實時分析結(jié)果推送至工業(yè)云平臺，有效分擔(dān)云端計算壓力。

（3）平臺層

平臺層提供數(shù)據(jù)中心、知識中心和開發(fā)中心，面向工廠管控一體化、數(shù)字孿生及大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求進行功能完善與服務(wù)定制，有效支撐上層智能應(yīng)用和服務(wù)的運行 、開發(fā)、運營與維護提供。

該層圍繞資源管理、開發(fā)過程管理、數(shù)據(jù)開發(fā)、模型服務(wù)、微服務(wù)治理等主要需求 ，提供各類專用業(yè)務(wù)服務(wù)、通用業(yè)務(wù)服務(wù)和技術(shù)服務(wù)組件。在現(xiàn)有PaaS雜層容器服務(wù)、微服務(wù)中心、云數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)上，開展工業(yè)數(shù)據(jù)開發(fā)、工業(yè)模型構(gòu)建、工業(yè)應(yīng)用開發(fā)等功能建設(shè)。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層是基于數(shù)據(jù)模型、知識模型、數(shù)理模型、應(yīng)用需求等，依托開發(fā)環(huán)境、平臺工具開發(fā)的應(yīng)用于過程控制、運營管控、生態(tài)協(xié)同各層級的應(yīng)用型軟件，其載體可以是模型、管理軟件、APP、網(wǎng)頁等。通過應(yīng)用層的科學(xué)決策，指導(dǎo)物理系統(tǒng)精準(zhǔn)執(zhí)行，進而實現(xiàn)“感知-分析-決策-執(zhí)行”的科學(xué)閉環(huán)，讓數(shù)據(jù)價值和裝備能力得以充分體現(xiàn)。

?3 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造的支撐系統(tǒng)，建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是制造業(yè)從數(shù)字化向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵實施路徑。以智能生產(chǎn)為核心，通過提升數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)集成、數(shù)據(jù)分析、創(chuàng)新效益等能力，實現(xiàn)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的智能工廠，作為新一代智能制造大系統(tǒng)中的主線，是實現(xiàn)智能制造的重要基石 。

我國智能制造必須充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取“并聯(lián)式”的發(fā)展方式，也就是要數(shù)字化 、網(wǎng)絡(luò)化、智能化“并行推進、融合發(fā)展”，在規(guī)劃上應(yīng)注重自上而下的頂層設(shè)計，在實施上應(yīng)注重自下而上的技術(shù)和管理創(chuàng)新，充分發(fā)揮人的主體優(yōu)勢，通過反復(fù)驗證及階段性的成果評估，夯實智能場景應(yīng)用的落地，堅持穩(wěn)定、長期、堅定不移地推進智能制造系統(tǒng)的建設(shè)，激發(fā)組織創(chuàng)新活力，促進制造業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展。

編輯：jq