信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試床案例分析

引言

信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試床由中國信息通信研究院牽頭，聯(lián)合海爾、中興、樹根互聯(lián)、歐姆龍、西北工業(yè)大學(xué)等產(chǎn)學(xué)研單位共同建設(shè)。重點圍繞離散行業(yè)生產(chǎn)模擬環(huán)境，開展機床、機器人、檢測設(shè)備、物流設(shè)備等數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化建模、雙胞胎構(gòu)建等，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的三維可視化監(jiān)測，探索開展基于數(shù)字雙胞胎、大數(shù)據(jù)算法的優(yōu)化，以及北京、上海的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同。

一、測試床項目概述

1. 概述及該測試床目標(biāo)

信息物理系統(tǒng)是目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究的前沿領(lǐng)域，是驅(qū)動傳統(tǒng)行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)集群和戰(zhàn)略聚焦點，工業(yè)4.0、先進制造戰(zhàn)略的內(nèi)在驅(qū)動均是信息物理系統(tǒng)。

當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)面臨諸多問題：設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集集成問題；產(chǎn)線、流程、工藝固化問題；海量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分析問題等。現(xiàn)有的技術(shù)處理起來有較大難度，例如：底層設(shè)備數(shù)據(jù)不開放，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集無法實現(xiàn)；系統(tǒng)異構(gòu)性明顯，導(dǎo)致系統(tǒng)集成效果不佳；產(chǎn)線編排靈活性低，新產(chǎn)品換線需要多次調(diào)試；工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用有限，缺少結(jié)合工業(yè)機理的算法模型；網(wǎng)絡(luò)可靠性低，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)存儲管理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)缺失，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)協(xié)同應(yīng)用水平較淺等。

信息物理系統(tǒng)的應(yīng)用將為上述問題提供一條有效的解決途徑：通過數(shù)字雙胞胎技術(shù)，疊加各類傳感器、板卡，采集啞設(shè)備運轉(zhuǎn)各類數(shù)據(jù)，并形成設(shè)備運行、診斷模型；通過產(chǎn)線柔性可重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)集成，并采用柔性連接和軟件配置的方式實現(xiàn)產(chǎn)線布局快速調(diào)整，流程和工藝快速切換等。信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試床選取離散行業(yè)機加工流程，配置常見的工業(yè)設(shè)備和信息系統(tǒng)，搭建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開展信息物理系統(tǒng)各項技術(shù)的測試驗證。

信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試床根據(jù)工業(yè)領(lǐng)域?qū)π畔⑽锢硐到y(tǒng)共性技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品、解決方案試驗驗證需求的考慮，擬在北京與上海兩地同步建設(shè)，一方面，可以結(jié)合本地的特色產(chǎn)業(yè)，擴大本平臺的輻射范圍，提高影響力和知名度；另一方面，異地環(huán)境能夠更好的模擬網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造的實際需求，提高本平臺的試驗驗證的準(zhǔn)確性和真實性。

2. 目標(biāo)

打造信息物理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與解決方案孵化的開放創(chuàng)新平臺，為工業(yè)企業(yè)開展信息物理系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)和新模式研究提供一個通用的試驗環(huán)境，降低企業(yè)采用新技術(shù)的風(fēng)險，推進不同企業(yè)解決方案的適配測試，加快新技術(shù)、新模式跨地域、跨行業(yè)的推廣，形成一批切實可行的信息物理系統(tǒng)解決方案，并促進企業(yè)間的交流、合作，提升我國信息物理系統(tǒng)研究水平和應(yīng)用能力。

構(gòu)建2條各具特色的離散行業(yè)生產(chǎn)模擬線，開發(fā)不少于5種以上設(shè)備的三維數(shù)字化模型并實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，形成不少于包括機床、機器人在內(nèi)的兩類設(shè)備與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案（啞設(shè)備改造），建設(shè)1個異地協(xié)同信息物理系統(tǒng)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)數(shù)字雙胞胎、設(shè)備智能優(yōu)化、納米級產(chǎn)品檢測、異地網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的應(yīng)用新模式。

二、測試床項目解決方案

1. 解決方案架構(gòu)

結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟通用實施架構(gòu)1.0，信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試驗證平臺的整體架構(gòu)如下：

圖1 測試床架構(gòu)及與AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用實施架構(gòu)1.0的對應(yīng)

主要實施步驟包括：

（1）通過不同設(shè)備的資產(chǎn)模型建設(shè)和數(shù)據(jù)開放采集，面向設(shè)備和工藝構(gòu)建認(rèn)知模型，實現(xiàn)全三維實時診斷，構(gòu)建從設(shè)備到單元的數(shù)字雙胞胎。

（2）利用生產(chǎn)模擬產(chǎn)線，構(gòu)建各個單元的管理殼，實現(xiàn)基于軟件的模塊化設(shè)計與配置，完成系統(tǒng)重構(gòu)。

（3）基于邊緣側(cè)-云端協(xié)作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能。邊緣側(cè)進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和模型部署，云端進行數(shù)據(jù)分析算法和應(yīng)用的開發(fā)，邊緣分析與云端分析結(jié)果相互迭代，實現(xiàn)分析模型不斷演進。

（4）利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，突破協(xié)議兼容、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)互操作等數(shù)據(jù)集成技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的云端集成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計和制造。

圖2 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)

信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)測試床，涵蓋主流工業(yè)協(xié)議，構(gòu)建多元異構(gòu)設(shè)備接入和海量數(shù)據(jù)生成環(huán)境，支撐高復(fù)雜、多元異構(gòu)的數(shù)據(jù)集成試驗驗證。

2. 測試床預(yù)期效果

（1）輸出新模式、實施方法論：如數(shù)字雙胞胎、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能檢測等新模式實施路徑（軟硬件方案）。

（2）輸出新標(biāo)準(zhǔn)：如面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的移動式機器人標(biāo)準(zhǔn)、信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺互操作標(biāo)準(zhǔn)等。

（3）輸出相關(guān)解決方案和產(chǎn)品：如移動式機器人創(chuàng)新產(chǎn)品、啞設(shè)備數(shù)據(jù)采集解決方案、設(shè)備預(yù)測性維護解決方案等。

（4）輸出人才培訓(xùn)平臺：如開展示范教育、人才實訓(xùn)、聯(lián)合創(chuàng)新等。

（5）應(yīng)用試點推廣：面向家電、電子、汽車、裝備制造等重點行業(yè)，加速信息物理系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用落地，形成合作試點項目。

三、測試床當(dāng)前情況

1. 測試床當(dāng)前建設(shè)情況

北京部分：完成場地裝修；完成一期設(shè)備集成和數(shù)據(jù)采集，并利用仿真建模軟件對生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境、關(guān)鍵設(shè)備進行三維建模，再結(jié)合設(shè)備數(shù)據(jù)開放，打造數(shù)字雙胞胎。

（1）選取離散制造業(yè)和電子設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)流程，抽取倉儲、加工、檢測、人工、裝配、包裝等有代表性的環(huán)節(jié)，并配置相應(yīng)的軟硬件。

圖3 北京實驗室軟硬件規(guī)劃

（2）北京實驗室利用仿真建模軟件對生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境、關(guān)鍵設(shè)備進行三維建模，再結(jié)合設(shè)備數(shù)據(jù)開放，打造數(shù)字雙胞胎。

圖4 北京實驗室數(shù)字雙胞胎

在一期建設(shè)中，對啞設(shè)備（數(shù)控機床、機器人）進行數(shù)據(jù)采集改造，采集位置、速度、狀態(tài)信息，并對機器人、機床、機柜、操作臺等生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境進行建模，所有模型做到與實物匹配。在下一步建設(shè)中，對物流設(shè)備、倉儲設(shè)備、檢測設(shè)備以及其他加工設(shè)備進行建模。

上海部分：場地裝修已經(jīng)進入收尾階段，即將具備設(shè)備入場安裝調(diào)試條件；完成底層物理設(shè)備的招標(biāo)采購工作，即將進行設(shè)備調(diào)試。

2. 測試床合作伙伴組成及各自提供組件描述

中國信息通信研究院：負(fù)責(zé)整體建設(shè)方案編制，開展技術(shù)試驗驗證，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并創(chuàng)新成果的孵化和行業(yè)應(yīng)用推廣。

海爾集團：負(fù)責(zé)柔性產(chǎn)線相關(guān)技術(shù)試驗驗證，并推動行業(yè)應(yīng)用推廣。

中興集團：負(fù)責(zé)產(chǎn)品質(zhì)量檢測相關(guān)技術(shù)試驗驗證，并推動行業(yè)應(yīng)用推廣。

樹根互聯(lián)：負(fù)責(zé)啞設(shè)備數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同等方面技術(shù)試驗驗證，并推動行業(yè)應(yīng)用推廣。

歐姆龍：負(fù)責(zé)關(guān)鍵智能單元AGV+機械手的研發(fā)與試驗。

西北工業(yè)大學(xué)：負(fù)責(zé)虛擬仿真建模相關(guān)技術(shù)試驗驗證和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制。