時(shí)間：2022-03-24 00:47:05
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[關(guān)鍵詞]MES系統(tǒng)、智能制造、助力
中圖分類(lèi)號(hào)：F714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）05-0136-02
1 傳統(tǒng)MES系統(tǒng)的定義與應(yīng)用
MES系統(tǒng)是制造執(zhí)行系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由美國(guó)的AMR公司在90年代初期的時(shí)候提出來(lái)的，目的是為了使MPR計(jì)劃的執(zhí)行功能進(jìn)行加強(qiáng)，把車(chē)間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和MPR計(jì)劃進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制，利用執(zhí)行系統(tǒng)把它們連接起來(lái)。這里面所說(shuō)的現(xiàn)場(chǎng)控制主要指的是數(shù)據(jù)采集器、條形碼、PLC程序控制器、機(jī)械手以及各種各樣的檢測(cè)和計(jì)量的儀器。MES系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置必要的接口，和廠商之間建立起合作關(guān)系?，F(xiàn)代的MES系統(tǒng)是一種管理系統(tǒng)，它是面向制造企業(yè)和執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化。它能夠給企業(yè)提供計(jì)劃排程管理、設(shè)備管理、采購(gòu)和成本管理、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制、對(duì)項(xiàng)目看板進(jìn)行管理、對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行集成分析、對(duì)上層數(shù)據(jù)進(jìn)行集成分解等等的管理模塊，目的是為企業(yè)打造出一個(gè)可靠、全面、可行并且扎實(shí)的制造協(xié)同管理的一個(gè)平臺(tái)。
MES的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷過(guò)兩個(gè)發(fā)展歷程，即從T-MES向I-MES的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的MES（即T-MES）是在1960年在零星的車(chē)間級(jí)應(yīng)用里面發(fā)展起來(lái)的。它又可以分為專(zhuān)用MES和集成MES兩大類(lèi)。專(zhuān)用的MES是屬于一種自己就是一體的應(yīng)用系統(tǒng)。它一般是對(duì)單一的生產(chǎn)問(wèn)題來(lái)說(shuō)的。這些問(wèn)題包括制品的庫(kù)存過(guò)大、設(shè)備的利用率低以及a品的質(zhì)量不能夠得到更好的保證，它能夠給這些問(wèn)題去提供有限功能。比如質(zhì)量設(shè)備、設(shè)備的維護(hù)、作業(yè)維度、物料管理，還可以適合于某一種特定的生產(chǎn)環(huán)境（如應(yīng)用于MEMS車(chē)間和半導(dǎo)體的MES，應(yīng)用于FMS系統(tǒng)的MES）。專(zhuān)用的MES具有投入少、實(shí)施快等等的優(yōu)點(diǎn)，但是它的可集成性和通用性都比較差。集成MES系統(tǒng)的初衷是為了針對(duì)某些特定的行業(yè)（如裝配、半導(dǎo)體、食品和衛(wèi)生、航空等等）特定的環(huán)境而進(jìn)行設(shè)定的。目前整個(gè)的工業(yè)領(lǐng)域都得到了拓展。它在功能上面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與上層處理事務(wù)和下層控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的集成。MES集成化具有相當(dāng)豐富的應(yīng)用功能，還具有統(tǒng)一的邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)和產(chǎn)品及工程的模型等優(yōu)點(diǎn)。但是這類(lèi)系統(tǒng)一般都會(huì)對(duì)特定的車(chē)間環(huán)境有著特殊的依賴(lài)，柔性相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較差，缺少?gòu)V泛的集成能力和通用性，很難伴隨著業(yè)務(wù)的過(guò)程發(fā)生變化而進(jìn)行重新的配置。
可集成MES這個(gè)概念是AMR在發(fā)展和分析信息技術(shù)的方面和MES應(yīng)用的前景之下提出來(lái)的，它是將消息機(jī)制、組件技術(shù)模塊化應(yīng)用到MES系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，它是兩類(lèi)傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)的結(jié)合。在表現(xiàn)形式方面看，I-MES具有專(zhuān)業(yè)MES系統(tǒng)的特點(diǎn)，就是說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)上下兩層的集成。另外，I-MES還具有可擴(kuò)展、可重構(gòu)、客戶(hù)化和互操作等等的特性。能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)不同廠商之間的集成和原有系統(tǒng)方便的進(jìn)行，目前的基于組件的I-MES是MES發(fā)展的主要的方面。綜合利用成熟的技術(shù)和理論，形成可以適應(yīng)，可以集成，可以重構(gòu)的MES的框架體系，為了進(jìn)一步提高M(jìn)ES軟件能夠跨行業(yè)的使用、適應(yīng)和協(xié)調(diào)能力進(jìn)行強(qiáng)有力的支持?；诂F(xiàn)在已經(jīng)具有的成果和基礎(chǔ)，發(fā)出符合我國(guó)流程工業(yè)和離散制造業(yè)特點(diǎn)及需求的MES軟件系統(tǒng)、構(gòu)件庫(kù)和相關(guān)的工具。
2 智能制造的概念及體系架構(gòu)
智能制造的定義是由人類(lèi)專(zhuān)家和智能設(shè)備一起組成的人和機(jī)器一體化的一種智能系統(tǒng)，它主要在制造的過(guò)程中進(jìn)行智能的活動(dòng)，比如一系列了判斷、分析和決策等等。主要通過(guò)人與機(jī)器結(jié)合在一起共同做事，進(jìn)而擴(kuò)大延伸或者部分的去取代人類(lèi)的專(zhuān)家從事制造中進(jìn)行的腦力勞動(dòng)。它更新了制造及其自動(dòng)化的概念，并擴(kuò)展到高度集成化、柔性化和智能化。
產(chǎn)品的智能化一般包括自適應(yīng)工況、產(chǎn)品的個(gè)性化定制與服務(wù)、人機(jī)交換、自主決策；而裝備的智能化，是將很多歌專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行融入感知、執(zhí)行和決策的環(huán)節(jié)，給產(chǎn)品制造在線注入知識(shí)進(jìn)化和學(xué)習(xí)的能力，比如來(lái)說(shuō)在很多機(jī)械裝備里面實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)態(tài)信息的制造；車(chē)間的智能化，主要表現(xiàn)為一個(gè)車(chē)間到底要生產(chǎn)什么，車(chē)間的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)如何，質(zhì)量如何的去管控，物料是否能做到及時(shí)的配送，是不是具有生產(chǎn)防范錯(cuò)誤的系統(tǒng)，是不是有作業(yè)的指導(dǎo)，什么時(shí)候可以開(kāi)始進(jìn)行生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品是不是能進(jìn)行及時(shí)的發(fā)送和運(yùn)輸?shù)鹊榷伎梢猿晒Φ膶?shí)現(xiàn)全局的生產(chǎn)和管理控制；工廠的智能化，一般包括智能化生產(chǎn)的管理與控制。智能化的物流與倉(cāng)儲(chǔ)、智能的生產(chǎn)線和加工中心，還有智能化生產(chǎn)的管理與控制；當(dāng)然最重要還是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能化控制，舉例而言很多很多的企業(yè)都開(kāi)始使用了自動(dòng)化的倉(cāng)庫(kù)，還有沒(méi)人引導(dǎo)的小車(chē)等等。實(shí)現(xiàn)了工廠智能化最應(yīng)該重視的人與機(jī)器的互動(dòng)。智能制造還體現(xiàn)在建立制造一體化知識(shí)庫(kù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系；以生產(chǎn)知識(shí)的再次利用和共享作為目標(biāo)聚焦制造問(wèn)題下的制約條件，從而進(jìn)一步建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)的體系；把那些長(zhǎng)期研究目標(biāo)的工廠和生產(chǎn)過(guò)程中的一些知識(shí)的共享作為目的，來(lái)建立出可以重構(gòu)的生產(chǎn)與生產(chǎn)管理的體系；構(gòu)造建立出柔性的設(shè)備，把研究庫(kù)的研究成果加以利用，從而開(kāi)發(fā)探討出一種柔性人機(jī)一體化的新模式，進(jìn)一步的去探討出大規(guī)模下的生產(chǎn)模式。
關(guān)鍵詞：智能制造設(shè)備聯(lián)網(wǎng)環(huán)控
中圖分類(lèi)號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
1.智能制造概況
智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)和智能技術(shù)與裝備制造過(guò)程技術(shù)的深度融合與集成。
智能制造集成應(yīng)用系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、生產(chǎn)指揮中心、生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換應(yīng)用平臺(tái)及數(shù)字化車(chē)間系統(tǒng)集成等六部分組成。其中車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可分為生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)兩部分，生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)包括：數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、現(xiàn)有機(jī)床改造、能源管控及設(shè)備管理、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線覆蓋、看板管理、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用；環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)包括：空氣懸浮顆粒物監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)。
2.車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)
車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)是指的是將車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、智能儀表、移動(dòng)終端、數(shù)控設(shè)備、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”的如貼上電子標(biāo)簽的各種物料及工位等智能化物件，通過(guò)各種無(wú)線或有線的長(zhǎng)距離或短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、應(yīng)用集成等模式，在企業(yè)局域網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級(jí)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“企業(yè)資源”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營(yíng)”一體化。車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)又細(xì)分為服務(wù)于生產(chǎn)管理的生產(chǎn)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)于職業(yè)健康衛(wèi)生的環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)。
2.1生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)
2.1.1數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、局域網(wǎng)、CAD/CAM計(jì)算機(jī)、管理系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主控機(jī)、遠(yuǎn)程通訊接口、通訊電纜、數(shù)控機(jī)床等。
2.1.2人機(jī)交互界面
工業(yè)人機(jī)交互界面是一種帶微處理器的智能終端，一般用于工業(yè)場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器之間的信息交互，包括文字或圖形顯示以及輸入等功能。工業(yè)人機(jī)界面正在向應(yīng)用范圍更廣的高可靠性智能化信息終端發(fā)展。
觸摸屏人機(jī)界面具備豐富的圖形功能，能夠?qū)崿F(xiàn)各種需求的圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能，且可靠性高，體積小，是工業(yè)場(chǎng)合的首選，可替代工業(yè)PC成為主流的智能化信息終端。工業(yè)人機(jī)界面配套組態(tài)軟件，以方便客戶(hù)的圖形化編程。
2.1.3現(xiàn)有機(jī)床改造
針對(duì)現(xiàn)有機(jī)床控制系統(tǒng)及通訊接口的不同、普通機(jī)床無(wú)法聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行一些改造，使其至少能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能。
具有控制系統(tǒng)的機(jī)床，但既不支持網(wǎng)卡通訊，也不支持宏B采集，一般是一些比較老的機(jī)床。對(duì)這類(lèi)機(jī)床采用的是專(zhuān)用智能采集硬件的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。
2.1.4能源管控
為高效利用資源能源，走企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，能源管控中心需要將生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的電力、水、蒸汽、氧、氮、氬等能源介質(zhì)集中管理，提高企業(yè)調(diào)度自動(dòng)化水平，更好地保證生產(chǎn)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于能源介質(zhì)管網(wǎng)遍布全廠，線路長(zhǎng)，需要配套建設(shè)能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)，作為能源管理現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的安全技術(shù)措施，在能源中心控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所、混合加壓站等重要場(chǎng)所進(jìn)行視頻巡檢和環(huán)境集中監(jiān)控，確保在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)安全隱患。
2.1.5看板管理
管理看板是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的非常有效且直觀的手段，是優(yōu)秀的現(xiàn)場(chǎng)管理必不可少的工具之一。
管理看板是管理可視化的一種表現(xiàn)形式，即對(duì)數(shù)據(jù)、情報(bào)等的狀況一目了然地表現(xiàn)，主要是對(duì)于管理項(xiàng)目、特別是情報(bào)進(jìn)行的透明化管理活動(dòng)。它通過(guò)各種形式如標(biāo)語(yǔ)/現(xiàn)況板/圖表/電子屏等把文件上、腦子里或現(xiàn)場(chǎng)等隱藏的情報(bào)揭示出來(lái)，以便任何人都可以及時(shí)掌握管理現(xiàn)狀和必要的情報(bào)，從而能夠快速制定并實(shí)施應(yīng)對(duì)措施。
2.1.6生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控
生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)狀態(tài)視頻監(jiān)控兩部分。
生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)RPC，主要實(shí)現(xiàn)將企業(yè)各個(gè)生產(chǎn)裝置（NC、DCS、PLC等）控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)集中監(jiān)控，并且制作報(bào)表以及對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用分析。包括數(shù)據(jù)采集接口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器（PI、IP21等）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)C/S應(yīng)用和B/S以及制作報(bào)表等。
RPC實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息的采集，通過(guò)信息集成形成優(yōu)化控制、優(yōu)化調(diào)度和優(yōu)化決策等的判斷或指令。實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的安全、穩(wěn)定、均衡、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目標(biāo)；同時(shí)，企業(yè)內(nèi)部物流的控制與管理、生產(chǎn)過(guò)程成本的控制與管理等生產(chǎn)管理活動(dòng)都在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)層完成，使生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)和企業(yè)管理數(shù)據(jù)的在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)中融合與貫通。
生產(chǎn)狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為依托，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和播放為核心，以智能實(shí)用的圖像理解和分析為特色。視頻監(jiān)控技術(shù)還可以應(yīng)用于企業(yè)管理和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理，提高生產(chǎn)效率。數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)，融合了新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、視頻技術(shù)，是技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的巨大飛躍。
2.1.7環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)
a)空氣懸浮顆粒物監(jiān)測(cè)
懸浮在空氣中的粒徑小于100微米的顆粒物通稱(chēng)總懸浮顆粒物，其中粒徑小于10微米的稱(chēng)可吸入顆粒物（PM10）。
車(chē)間設(shè)基于TCP/IP協(xié)議空氣懸浮顆粒物監(jiān)測(cè)儀，控制標(biāo)準(zhǔn)為pm2.5。監(jiān)測(cè)儀直接聯(lián)動(dòng)車(chē)間新風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)等空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)空氣換氣，保證生產(chǎn)人員安全，同時(shí)針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題做針對(duì)性治理。
b)噪聲監(jiān)測(cè)
噪聲是一種環(huán)境污染，尤其在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。它是一種致人死命的慢性毒素。
強(qiáng)的噪聲可以引起耳部的不適，使工作效率降低。據(jù)測(cè)定，超過(guò)115分貝的噪聲還會(huì)造成耳聾。據(jù)臨床醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，若在80分貝以上噪音環(huán)境中生活，造成耳聾者可達(dá)50％。
為了控制以上噪聲引起的種種不良反應(yīng)，必須要控制設(shè)備噪聲對(duì)人的損害。車(chē)間工作位設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)控員工所接收到的噪聲水平。
c)有害氣體監(jiān)測(cè)
經(jīng)常遇到的有害氣體有：一氧化碳（CO)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、硫化氫(H2S)等。
氣體控制指標(biāo)為：一氧化碳（CO)
有害氣體監(jiān)測(cè)儀直接聯(lián)動(dòng)車(chē)間新風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)等空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)空氣換氣，保證生產(chǎn)人員安全。
3.生產(chǎn)信息基礎(chǔ)平臺(tái)
3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能主要表現(xiàn)在硬件資源共享、軟件資源共享和用戶(hù)間信息交換三個(gè)方面。
硬件資源共享?？梢栽谌W(wǎng)范圍內(nèi)提供對(duì)處理資源、存儲(chǔ)資源、輸入輸出資源等昂貴設(shè)備的共享，使用戶(hù)節(jié)省投資，也便于集中管理和均衡分擔(dān)負(fù)荷。
軟件資源共享。允許互聯(lián)網(wǎng)上的用戶(hù)遠(yuǎn)程訪問(wèn)各類(lèi)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以得到網(wǎng)絡(luò)文件傳送服務(wù)、遠(yuǎn)地進(jìn)程管理服務(wù)和遠(yuǎn)程文件訪問(wèn)服務(wù)，從而避免軟件研制上的重復(fù)勞動(dòng)以及數(shù)據(jù)資源的重復(fù)存貯，也便于集中管理。
用戶(hù)間信息交換。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為分布在各地的用戶(hù)提供了強(qiáng)有力的通信手段。用戶(hù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送生產(chǎn)數(shù)據(jù)、新聞消息和在線傳輸設(shè)計(jì)代碼等活動(dòng)。
3.2數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施工程包括數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的裝飾裝修工程、機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房電氣工程、機(jī)房消防系統(tǒng)、機(jī)房弱電系統(tǒng)和機(jī)房機(jī)柜系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)中心機(jī)房由主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)、行政辦公區(qū)組成。
主機(jī)房?jī)?nèi)放置大量網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器群、存儲(chǔ)設(shè)備等，是綜合布線和信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心，也是信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚中心，其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備24h不間斷運(yùn)行，電源和空調(diào)不允許中斷，對(duì)機(jī)房的潔凈度、溫濕度要求較高。
參考文獻(xiàn)：
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[2]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論.科學(xué)出版社，2011年3月
摘要：認(rèn)為當(dāng)前亟需泛在信息制造技術(shù)，使生產(chǎn)制造過(guò)程在廣度上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在深度上實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的融合。為此，提出了一種泛在信息化智能制造系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)群，實(shí)現(xiàn)制造資源的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)，信息資源的語(yǔ)義化表達(dá)和制造服務(wù)的自組織運(yùn)行。此外，還指出如何實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)流的混合傳輸，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)信息的集成與互操作，以及如何面向復(fù)雜時(shí)空關(guān)系建立抽象模型，是需要解決的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 智能制造；網(wǎng)絡(luò)化制造；工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；信息物理融合系統(tǒng)；服務(wù)化
Abstract： In this paper， we consider that ubiquitous information manufacturing technology is needed to realize interconnection in the extent， and achieve integration of cyber space and physical space in the depth. Therefore， a ubiquitously information-based smart manufacturing system and its related enabling technologies are proposed. In this way， manufacturing resources are networked， information resources are semantically described and manufacturing services are self-organized. More challenge problems are also pointed out， such as how to transport mixed data flow， how to integrate and interoperate heterogeneous information， and how to build the abstract model facing the complex space-time relationship.
Key words： smart manufacturing； networked manufacturing； industrial control network； cyber-physical systems； service oriented
制造I經(jīng)歷多年發(fā)展，企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)分工日趨明確，總體上可以劃分為兩大領(lǐng)域，即縱向生產(chǎn)管理控制和橫向產(chǎn)品生命周期管理。根據(jù)ANSI/ISA 65[1]和IEC 62264-3[2]的定義，縱向生產(chǎn)管理控制可以概括為3個(gè)層次：經(jīng)營(yíng)決策、計(jì)劃調(diào)度和生產(chǎn)控制；橫向產(chǎn)品生命周期涉及4個(gè)領(lǐng)域：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、生產(chǎn)運(yùn)行和產(chǎn)品服務(wù)。隨著自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述不同領(lǐng)域和層次逐漸形成了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS），以及包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（CAX）；網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器、傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以及企業(yè)管理所需的以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等[3]。
然而，種類(lèi)繁多的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)造成了以下兩方面問(wèn)題：
（1）在廣度上，部分網(wǎng)絡(luò)雖然實(shí)現(xiàn)了少數(shù)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，但是企業(yè)內(nèi)部仍然存在大量信息孤島，受時(shí)間、空間的限制，人與人、系統(tǒng)與系統(tǒng)、人與系統(tǒng)之間還無(wú)法建立起廣泛的互聯(lián)，信息無(wú)法在企業(yè)內(nèi)部高效地流轉(zhuǎn)；
（2）在深度上，數(shù)字化制造的發(fā)展，雖然初步形成了信息空間的概念，但是信息空間還未能實(shí)現(xiàn)與物理制造空間的深度融合，無(wú)法根據(jù)物理空間的需求，主動(dòng)提供數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)。
綜上所述，當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)亟需廣泛、深度互聯(lián)的基礎(chǔ)，縱向上打破系統(tǒng)之間的壁壘，橫向上打通信息與物理的隔閡，實(shí)現(xiàn)跨層次、跨領(lǐng)域的業(yè)務(wù)集成，提高制造業(yè)企業(yè)的運(yùn)行效率和敏捷性。
與此同時(shí)，隨著芯片制造、無(wú)線寬帶、射頻識(shí)別、信息傳感及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等信息通信技術(shù)（ICT）的發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)已更加全面、深入地融合人與人、人與物，乃至物與物之間的現(xiàn)實(shí)物理空間與抽象信息空間，并向無(wú)所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)[4]。
根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的定義，泛在網(wǎng)絡(luò)是指在預(yù)訂服務(wù)的情況下，個(gè)人和/或設(shè)備無(wú)論何時(shí)、何地、何種方式以最少的技術(shù)限制接入到服務(wù)和通信的能力[5]。泛在網(wǎng)絡(luò)可以將信息空間與物理空間深度融合，其服務(wù)能夠以無(wú)所不在、無(wú)所不包、無(wú)所不能的方式，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)間、地點(diǎn)，任意的人、物都能順暢地通信，獲得個(gè)性化的信息服務(wù)。
顯然，泛在網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理念、技術(shù)和方法有助于解決制造業(yè)當(dāng)前面臨的問(wèn)題。正是在這種背景下，有學(xué)者提出了泛在信息制造技術(shù)的概念：泛在信息制造技術(shù)是以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以泛在感知為核心，以泛在服務(wù)為目的，并以泛在智能拓展和提升為目標(biāo)的綜合性、一體化的信息處理技術(shù)[6]。
泛在信息制造技術(shù)為解決制造業(yè)當(dāng)前面臨的問(wèn)題提供了全新的思路和手段：將物理制造空間中跨層次、跨領(lǐng)域的物理制造資源映射到信息空間，從廣度上打破信息壁壘，實(shí)現(xiàn)人、制造設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程的泛在互聯(lián)互通；在深度上實(shí)現(xiàn)制造信息空間與物理空間的深度融合，按需提供主動(dòng)的智能制造服務(wù)。因此，泛在信息制造技術(shù)的提出符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)需求。
1 泛在信息化智能制造
系統(tǒng)的架構(gòu)
根據(jù)泛在信息制造技術(shù)的內(nèi)涵，基于該技術(shù)的泛在信息化智能制造系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)要滿(mǎn)足以下3方面的功能需求。
（1）制造實(shí)體網(wǎng)絡(luò)化：分布式物理資源接入、數(shù)據(jù)感知和信息傳輸，要求系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)化能力；
（2）信息資源模型化、語(yǔ)義化：多尺度、異構(gòu)虛擬資源的統(tǒng)一組織，要求虛擬資源的形式是模型化的，并且具備豐富的語(yǔ)義；
（3）制造能力服務(wù)化：支持多種應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)作式運(yùn)行，需要系統(tǒng)為不同的業(yè)務(wù)提供核心服務(wù)。
為此提出了如圖1所示的泛在信息化智能制造系統(tǒng)的4層架構(gòu)，包括：泛在化感知層、全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)層、語(yǔ)義化信息集成層和服務(wù)化制造應(yīng)用層。
首先，網(wǎng)絡(luò)化是泛在信息化制造系統(tǒng)的本質(zhì)特征。針對(duì)制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的特殊需求提出了兩層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中泛在化感知層實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)物理資源泛在接入、感知，在此之上全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)層使現(xiàn)場(chǎng)級(jí)傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)與企業(yè)級(jí)管理網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)扁平化、對(duì)等化互聯(lián)。
其次，模型化是信息空間的虛擬信息資源統(tǒng)一組織的必要形式，語(yǔ)義化是異構(gòu)模型能夠跨層次、跨領(lǐng)域集成的核心。一方面，模型化是信息資源集中組織的有效手段；另一方面，語(yǔ)義化是模型能夠進(jìn)行跨層次、跨領(lǐng)域異構(gòu)集成的核心。針對(duì)這種需求提出了語(yǔ)義化信息集成層，基于模型化和語(yǔ)義化手段，實(shí)現(xiàn)跨層次、跨領(lǐng)域虛擬信息資源的統(tǒng)一組織、集成和管理。
最后，服棧是制造物理空間與虛擬信息空間實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)手段。制造服務(wù)聚集在信息空間根據(jù)具體業(yè)務(wù)特點(diǎn)，按需進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)制造應(yīng)用的動(dòng)態(tài)自組織。因此，針對(duì)系統(tǒng)服務(wù)化的需求提出了服務(wù)化制造應(yīng)用層，為具體的制造應(yīng)用業(yè)務(wù)運(yùn)行提供核心服務(wù)。
2 泛在信息化智能制造
系統(tǒng)的支撐技術(shù)群
圖1所示的泛在信息化智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)需要相應(yīng)技術(shù)群才能支撐其系統(tǒng)特征。本節(jié)分別總結(jié)了各層相應(yīng)的技術(shù)群。
2.1 面向泛在化感知的無(wú)線傳感網(wǎng)
技術(shù)群
面向泛在化感知的無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、控制器、生產(chǎn)設(shè)備接入、感知和控制的一系列無(wú)線傳感技術(shù)[7]。作為泛在信息化制造系統(tǒng)中虛擬信息空間與物理制造空間的接口，該技術(shù)群一方面從物理制造空間獲取數(shù)據(jù)并映射入信息空間；另一方面接收信息空間的指令，完成對(duì)物理制造過(guò)程的控制。如圖2所示，該技術(shù)群具體包括兩方面：物理資源接入技術(shù)[8]和物理過(guò)程感知技術(shù)[9]。在資源接入方面，包括面向多種協(xié)議的物理資源即插即用技術(shù)，即根據(jù)協(xié)議類(lèi)型、設(shè)備類(lèi)別、生產(chǎn)流程等信息動(dòng)態(tài)適配多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為資源構(gòu)建邏輯鏈路，滿(mǎn)足其通信關(guān)系。在感知方面的主要支撐技術(shù)包括智能傳感器技術(shù)[10]和以無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）為代表的智能識(shí)別技術(shù)[11]等。
在無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的支撐下，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息泛在化感知和設(shè)備可移動(dòng)運(yùn)行促進(jìn)信息流轉(zhuǎn)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和信息―物融合深度。此外，無(wú)線傳感網(wǎng)模塊化、可重構(gòu)、即插即用等特點(diǎn)，能夠最大限度滿(mǎn)足底層系統(tǒng)對(duì)可組合性的需求，實(shí)現(xiàn)協(xié)作運(yùn)行。
2.2 面向全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與
傳輸技術(shù)群
面向全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與傳輸技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)工廠全覆蓋，管理和控制業(yè)務(wù)混流傳輸，并提供安全可靠保障的一系列組網(wǎng)與傳輸技術(shù)。作為泛在信息化制造系統(tǒng)中完成網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)的核心，該技術(shù)群基于互聯(lián)網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議（TCP）/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠管理網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面互聯(lián)，并與互聯(lián)網(wǎng)集成，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫信息傳輸。如圖3所示，該技術(shù)群的組成主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)傳感網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)采用的專(zhuān)用傳輸協(xié)議的IP化設(shè)計(jì)[12]，具體包括針對(duì)嵌入式設(shè)備的IP 協(xié)議裁剪技術(shù)、針對(duì)嵌入式設(shè)備的低開(kāi)銷(xiāo)IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)、面向完整和裁剪后IP 的多協(xié)議適配和轉(zhuǎn)換技術(shù)和輕量級(jí)IP 設(shè)備的管理與維護(hù)技術(shù)；二是信息流混合傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障技術(shù)[13]，具體包括面向扁平網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流交換傳輸技術(shù)、面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源動(dòng)態(tài)認(rèn)知與管理技術(shù)和面向混合業(yè)務(wù)流的流量控制技術(shù)。
上述技術(shù)群通過(guò)IP化手段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化，同時(shí)提供混合傳輸保障機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)的按需服務(wù)。
2.3 面向時(shí)空動(dòng)態(tài)制造信息資源的
語(yǔ)義化集成技術(shù)群
面向時(shí)空動(dòng)態(tài)制造信息資源的語(yǔ)義化集成技術(shù)群是指實(shí)現(xiàn)制造業(yè)中跨層次、跨領(lǐng)域的海量、異構(gòu)信息資源語(yǔ)義化描述、存儲(chǔ)、集成、組織與管理的一系列技術(shù)群[14]。如圖4所示，該技術(shù)群主要包括3個(gè)方面。首先，底層網(wǎng)絡(luò)中信息資源如原始數(shù)據(jù)等，其質(zhì)量不高，存在大量錯(cuò)誤、不完整或多余的原始數(shù)據(jù)。因此，需要采用數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、過(guò)濾技術(shù)、壓縮技術(shù)和消冗技術(shù)等，處理質(zhì)量較差的原始信息資源，保證其正確性[15]。其次，泛在信息化制造系統(tǒng)中大量跨層次、跨領(lǐng)域信息資源不具備統(tǒng)一的格式。因此，采用數(shù)據(jù)建模等語(yǔ)法轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)多種語(yǔ)法格式的信息資源進(jìn)行規(guī)范化處理，保證信息的語(yǔ)法一致性[16]。最后，異構(gòu)信息資源只有具備統(tǒng)一的語(yǔ)義，才能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義級(jí)互操作性，直接被跨層次、跨領(lǐng)域的應(yīng)用業(yè)務(wù)訪問(wèn)和使用[17]。因此，采用語(yǔ)義轉(zhuǎn)換技術(shù)，對(duì)模型化后的信息資源進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注，構(gòu)建統(tǒng)一的語(yǔ)義模型。
在上述技術(shù)群支撐下，跨層次、跨領(lǐng)域的虛擬信息資源實(shí)現(xiàn)了模型化、語(yǔ)義化組織與管理，在統(tǒng)一層面上根據(jù)上層應(yīng)用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，為其提供所需的信息資源。
2.4 面向制造業(yè)務(wù)的服務(wù)化技術(shù)群
面向制造業(yè)務(wù)的服務(wù)化技術(shù)群是指一系列實(shí)現(xiàn)物理/虛擬資源服務(wù)化封裝、注冊(cè)、查詢(xún)、組合、部署與管理的技術(shù)，以模塊化、服務(wù)化的模式，完成制造應(yīng)用的動(dòng)態(tài)自組織[18]。如圖5所示，該技術(shù)群主要分為3類(lèi)：一是服務(wù)的封裝和注冊(cè)技術(shù)，是指采用服務(wù)化和虛擬化手段，將各種資源進(jìn)行服務(wù)化封裝，并在服務(wù)庫(kù)中完成注冊(cè)[19]；二是服務(wù)的查詢(xún)與組合技術(shù)，是指根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求，在服務(wù)庫(kù)中查找合適的服務(wù)，并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行組合[20]；三是服務(wù)的部署與管理技術(shù)，是指將服務(wù)部署到具體的軟硬件資源上，并根據(jù)具體的業(yè)務(wù)要求對(duì)服務(wù)的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制與調(diào)度，滿(mǎn)足共享資源上不同業(yè)務(wù)的運(yùn)行要求。服務(wù)化首先將軟、硬件資源抽象為簡(jiǎn)單的計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸?shù)然痉?wù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)服務(wù)的組合規(guī)則，將基本服務(wù)組合為復(fù)雜的諸如加工、控制、監(jiān)測(cè)、診斷、設(shè)計(jì)等服務(wù)，并且在面向具體業(yè)務(wù)實(shí)例化之后，可以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。
正是在服務(wù)化的這種特性支撐下，系統(tǒng)能夠以開(kāi)放的、可擴(kuò)展的方式集成多種服務(wù)。并且能夠隨著業(yè)務(wù)的需求變化動(dòng)態(tài)組織相應(yīng)的服務(wù)，使得系統(tǒng)功能具備可演進(jìn)性。
3 實(shí)現(xiàn)泛在信息化制造
面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
3.1 異構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多流混合
傳輸?shù)穆窂揭?guī)劃與流量控制
泛在信息化制造系統(tǒng)的全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基于IP將傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)、管理網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成扁平化的異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制、管理和知識(shí)流的混合傳輸，但控制流傳輸需要保障實(shí)時(shí)性、可靠性，管理流和知識(shí)流傳輸需要保障吞吐量和帶寬利用率，管理人員的移動(dòng)性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜椭R(shí)流的傳播具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性。
綜上所述，針對(duì)控制、管理和知識(shí)流不同的應(yīng)用需求和負(fù)載特征，同時(shí)考慮工業(yè)物理網(wǎng)異構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建針對(duì)時(shí)延、可靠性、能耗、帶寬利用率等混合關(guān)鍵性指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略和控制方法，是泛在信息化制造所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
3.2 工業(yè)多維、異構(gòu)信息資源的集成
與互操作
泛在信息化制造需要構(gòu)建跨域、跨層的統(tǒng)一信息資源組織與管理體系，但設(shè)計(jì)域，實(shí)施域，運(yùn)行域，維護(hù)域涉及多維異構(gòu)的信息資源。一方面信息格式不同，既有結(jié)構(gòu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制指令、設(shè)計(jì)模型等，也有非結(jié)構(gòu)化的聲音、圖像、文本等信息；另一方面是信息的含義不同，各領(lǐng)域涵蓋了多個(gè)學(xué)科，包括物理、化學(xué)等工藝知識(shí)，熱學(xué)、力學(xué)等結(jié)構(gòu)知識(shí)和電子、電氣等自動(dòng)化知識(shí)。因此，如何構(gòu)建可集成、互操作的統(tǒng)一信息模型是泛在信息化制造面臨的又一技術(shù)挑戰(zhàn)。
3.3 面向制造物理空間復(fù)雜時(shí)空
關(guān)系的抽象與建模
泛在信息化制造系統(tǒng)的關(guān)鍵是信息空間能夠準(zhǔn)確對(duì)物理空間進(jìn)行抽象與建模，以實(shí)現(xiàn)信息與物理的深度融合。制造物理空間生產(chǎn)過(guò)程具有明確的時(shí)間和空間特性，并且時(shí)空特性耦合性強(qiáng)，如描述流程工業(yè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通常采用動(dòng)態(tài)偏微分方程來(lái)構(gòu)建相關(guān)的機(jī)理模型。而傳統(tǒng)意義上，信息空間的建模和抽象過(guò)程多面向離散事件以及解耦的多變量關(guān)系，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)制造物理空間連續(xù)物理過(guò)程的抽象和建模。因此，面χ圃煳錮砜占涓叢擁氖笨展叵擔(dān)信息空間如何進(jìn)行描述、抽象和建模，是泛在信息化制造面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)前，在中國(guó)相繼推出“工業(yè)化信息化兩化融合”“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃、“中國(guó)制造2025”等一系列頂層設(shè)計(jì)方案的大背景下，無(wú)論是代表傳統(tǒng)力量的制造業(yè)，還是代表新興力量的互聯(lián)網(wǎng)界，都在積極探索中國(guó)制造的創(chuàng)新模式，如何尋找到符合中國(guó)特色的智能制造模式成為共同關(guān)注的焦點(diǎn)。泛在信息化制造正是在制造業(yè)內(nèi)部需求拉動(dòng)，外部ICT使能技術(shù)推動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出的一種符合當(dāng)前技術(shù)、政策發(fā)展趨勢(shì)的智能制造創(chuàng)新模式，因此開(kāi)展泛在信息化制造相關(guān)理論研究、技術(shù)攻關(guān)、工程研發(fā)與應(yīng)用推廣等方面的工作，有利于國(guó)家宏觀政策的落實(shí)，能夠切實(shí)推動(dòng)中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和自主創(chuàng)新等。
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關(guān)鍵詞：航空制造企業(yè)；商業(yè)智能系統(tǒng)；數(shù)據(jù)挖掘
中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 02-0000-02
Enterprises Business Intelligence System Design of Aviation Manufacturing
Bi Chongyi,Yang Yanguo,Cheng Liquan
(AVIC Shenyang Liming Aero Engine (Group) Co.,Ltd.,Data Center,Shenyang110043,China)
Abstract:Aviation manufacturing enterprises in the analysis of a business intelligence system based on the needs,Using data mining techniques to build an aviation manufacturer to build business intelligence systems,proposed aviation manufacturing enterprise business intelligence standard structural model of the system.
Keywords:Aviation manufacturing enterprises;Business intelligence systems;Data mining
一、背景
某企業(yè)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，航空制造企業(yè)是典型的大型離散制造企業(yè)，相對(duì)于其他制造型企業(yè)來(lái)說(shuō)，航空制造企業(yè)有生產(chǎn)零件種類(lèi)眾多、加工周期較長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，這對(duì)企業(yè)的管理提出了很高的要求。近幾年隨著PDM、ERP、MES等系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于企業(yè)的設(shè)計(jì)制造管理的各個(gè)方面，為企業(yè)提升工藝設(shè)計(jì)水平、提高生產(chǎn)效率及改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了重要作用，較好地實(shí)現(xiàn)了以信息化帶動(dòng)工業(yè)化。隨著企業(yè)信息化的不斷成熟和深入，單一的業(yè)務(wù)型系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足企業(yè)日趨增長(zhǎng)的需求，建立商業(yè)智能系統(tǒng)，為分析和決策提供數(shù)據(jù)信息支持已經(jīng)成為了企業(yè)信息化的更高目標(biāo)。
二、航空制造企業(yè)商業(yè)智能系統(tǒng)需求分析
商業(yè)智能的關(guān)鍵是從許多來(lái)自不同的企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中提取出有用的數(shù)據(jù)并進(jìn)行清理，以保證數(shù)據(jù)的正確性，然后經(jīng)過(guò)抽取（Extraction）、轉(zhuǎn)換（Transformation）和裝載（Load），即ETL過(guò)程，合并到一個(gè)企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)里，從而得到企業(yè)數(shù)據(jù)的一個(gè)全局視圖，在此基礎(chǔ)上利用合適的查詢(xún)和分析工具、數(shù)據(jù)挖掘工具、OLAP工具等對(duì)其進(jìn)行分析和處理，最后將知識(shí)呈現(xiàn)給管理者，為管理者的決策過(guò)程提供支持。制造業(yè)商務(wù)智能不同于其他行業(yè)，它具有自身鮮明的應(yīng)用特點(diǎn)，主要包括：（1）整體數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，但單個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）數(shù)據(jù)的生命周期與產(chǎn)品的生命周期有關(guān)，許多行業(yè)的經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)生命周期覆蓋從物資采購(gòu)到客戶(hù)服務(wù)的整個(gè)環(huán)節(jié)；（3）制造業(yè)注重過(guò)程控制管理，如根據(jù)ISO9001標(biāo)準(zhǔn)制定了供應(yīng)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、質(zhì)量保證等體系文檔，存在大量完整、系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中包含了許多商務(wù)智能的關(guān)鍵性指標(biāo)。
通過(guò)系統(tǒng)向企業(yè)內(nèi)部決策和管理層人員提供直觀和面向角色的企業(yè)數(shù)據(jù)，幫助他們更好地做出決策和改善業(yè)務(wù)處理流程。而且隨著企業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，商業(yè)智能將是信息系統(tǒng)實(shí)施是否成功的最基本的衡量指標(biāo)。同時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和分析系統(tǒng)的分離，針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)分析型報(bào)表不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的性能壓力逐漸增大，為了保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，考慮到分析型報(bào)表實(shí)時(shí)性較低的特點(diǎn)，建立獨(dú)立的分析系統(tǒng)即可以同時(shí)滿(mǎn)足不同類(lèi)型系統(tǒng)的性能要求，又可以將多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一，減少了系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。
三、航空制造企業(yè)商業(yè)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（一）系統(tǒng)體系架構(gòu)
系統(tǒng)的邏輯體系架構(gòu)是由3層組成如圖
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建層：實(shí)現(xiàn)如何從所有源系統(tǒng)中獲得原始的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行一致性處理，按主題進(jìn)行數(shù)據(jù)重組和格式轉(zhuǎn)換，然后傳送并裝載到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中的平臺(tái)和過(guò)程。
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理層：把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)預(yù)置的模型。
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)分析層：實(shí)現(xiàn)如何把數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果提供給最終用戶(hù)。按照用戶(hù)的分析需求，使用報(bào)表、隨即查詢(xún)、多維分析和數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行數(shù)據(jù)展現(xiàn)。
1.數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建層。
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)需要從多個(gè)源數(shù)據(jù)系統(tǒng)中抽取和匯總各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括：核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)及其它管理系統(tǒng)等，這些數(shù)據(jù)源系統(tǒng)是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。
系統(tǒng)按照滿(mǎn)足分析需求的原則，把上述數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)按照主題進(jìn)行劃分和組織，然后抽取并裝載到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中。
從上述這些系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)需要三個(gè)過(guò)程：抽取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)裝載。
這三個(gè)過(guò)程是在保證各個(gè)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)能夠成功連接（包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換、不同平臺(tái)之間的接口）的前提下實(shí)現(xiàn)的。
這三個(gè)過(guò)程主要完成確定從哪個(gè)系統(tǒng)中抽取什么樣的數(shù)據(jù)，如何保證來(lái)自不同源數(shù)據(jù)系統(tǒng)的同類(lèi)數(shù)據(jù)的一致性和完整性，如何把轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)裝載到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中，以及如何處理在轉(zhuǎn)換和裝載過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
2.數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理層。
在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，數(shù)據(jù)是存放在兩類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)中：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和多維數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的中心。取自多個(gè)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的明細(xì)數(shù)據(jù)，以及用于分析的集成匯總數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在這個(gè)中心。它在邏輯上是一個(gè)完整的庫(kù)。
3.數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)分析層。
數(shù)據(jù)輸出層的功能是使最終用戶(hù)通過(guò)報(bào)表、圖形和其它分析工具的方式簡(jiǎn)便、快捷地訪問(wèn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，得到分析結(jié)果。
（二）數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與信息展示的橋梁，是商業(yè)智能系統(tǒng)的核心。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要應(yīng)用了以下技術(shù)：
1.分區(qū)表和分區(qū)索引。
分區(qū)技術(shù)可以提高可管理性、性能和可用性，為應(yīng)用帶來(lái)極大的好處。通常，分區(qū)可以使某些查詢(xún)操作和維護(hù)操作的性能大大提高。分區(qū)的分層存檔原理還可以通過(guò)根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性分配不同存儲(chǔ)介質(zhì)的方法，大大降低存儲(chǔ)設(shè)備的成本。
范圍分區(qū)，數(shù)據(jù)基于分區(qū)鍵值的范圍分配，通常使用時(shí)間作為鍵值，將大數(shù)據(jù)量的表進(jìn)行分區(qū)存儲(chǔ)，使查詢(xún)根據(jù)條件訪問(wèn)正確的分區(qū)。
局部索引，局部索引是針對(duì)分區(qū)表的索引，該索引可以與基本分區(qū)表耦合，并“繼承”該表的分區(qū)策略。局部索引的每個(gè)分區(qū)僅對(duì)應(yīng)于基礎(chǔ)表的一個(gè)分區(qū)。
2.物化視圖。
在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，物化視圖經(jīng)常用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的高度聚合，降低在查詢(xún)過(guò)程中的聚合計(jì)算，通過(guò)定期刷新操作把聚合結(jié)果存儲(chǔ)在物理對(duì)象中，并可以建立索引，提高了報(bào)表的查詢(xún)速度。
刷新方式，根據(jù)不同的對(duì)象采用不同的刷新方式，針對(duì)數(shù)據(jù)量小，且數(shù)據(jù)更新頻繁的對(duì)象做全表刷新，針對(duì)數(shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)更新不頻繁的對(duì)象做增量更新，此方式需啟用物化視圖更新日志。
物化視圖索引，根據(jù)物化視圖聚合的結(jié)果，可以建立不同于源表字段的索引。
重寫(xiě)功能，啟用重寫(xiě)功能后數(shù)據(jù)庫(kù)可以自動(dòng)分析查詢(xún)語(yǔ)句，判斷是否可由物化視圖聚合后的對(duì)象重寫(xiě)查詢(xún)語(yǔ)句，對(duì)查詢(xún)語(yǔ)句進(jìn)行“重寫(xiě)”，從而提高查詢(xún)效率。考慮到BI工具可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同維度，層次選擇不同查詢(xún)對(duì)象，建議關(guān)閉此功能，由BI工具分析查詢(xún)對(duì)象，更加靈活容易控制。
3.位圖索引。
在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的中，通常建立星型模型來(lái)實(shí)現(xiàn)多維報(bào)表分析，其度量對(duì)象上的維度列具有低基數(shù)（數(shù)據(jù)差異度?。┑奶攸c(diǎn)，建立位圖索引可以節(jié)省存儲(chǔ)空間，并可以支持星型查詢(xún)。
位圖索引，在度量的外鍵上建立位圖索引。
星型查詢(xún)，啟用數(shù)據(jù)庫(kù)功能star_transformation_enabled。
4.OWB工具。
OWB是oracle目前搭建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的重要方式，其主要功能是用來(lái)完成ETL、模型建立、任務(wù)調(diào)度等工作。在此系統(tǒng)中應(yīng)用OWB來(lái)實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入和ETL程序包的調(diào)度工作。
外部數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，在OWB中通過(guò)建立外部文件和數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的映射，生成DATA LOAD的腳本，將EXCEL文件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)。
計(jì)劃執(zhí)行工作流，在OWB中開(kāi)發(fā)工作流，按照ETL流程調(diào)度數(shù)據(jù)更新包，周期性進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。
ETL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)，該步驟是整個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的關(guān)鍵，由于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)涉及到多業(yè)務(wù)主題甚至多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合，在完成數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裝載任務(wù)的同時(shí)，需要屏蔽數(shù)據(jù)之間的差異，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性、完整性，轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)支持其最細(xì)顆粒度層次。
5.BIEE工具。
BIEE是oracle在數(shù)據(jù)挖掘方面的主要工具，其具有強(qiáng)大的建模功能，完善的用戶(hù)和權(quán)限管理機(jī)制，提供了完整易用的分析平臺(tái)、強(qiáng)大的智能展現(xiàn)儀表盤(pán)，配合回寫(xiě)、預(yù)警、簡(jiǎn)要簿、MS Office插件等功能使用戶(hù)可以通過(guò)多種方式交互、接收、查詢(xún)、分析數(shù)據(jù)。
CUBE搭建，通過(guò)使用BIEE可以方便的搭建業(yè)務(wù)模型，建立維度。
用戶(hù)和權(quán)限管理，BIEE提供了多種用戶(hù)管理和權(quán)限控制的方案，可以靈活的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性保證。
多維報(bào)表，建立豐富的分析主題和CUBE，使用戶(hù)可以靈活組合查詢(xún)報(bào)表的內(nèi)容，并利用不同的圖表展示。
儀表盤(pán)，對(duì)報(bào)表應(yīng)用提供強(qiáng)大的展現(xiàn)平。
四、結(jié)論
本系統(tǒng)是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)而設(shè)計(jì)實(shí)施的商業(yè)智能系統(tǒng)，對(duì)于航空制造企業(yè)具有一定的通用性，但在具體業(yè)務(wù)活動(dòng)中，每個(gè)企業(yè)還有其自身的特點(diǎn)。
商業(yè)智能系統(tǒng)將幫助企業(yè)的管理層進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的決策。直觀、迅速的展現(xiàn)企業(yè)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，直接發(fā)現(xiàn)企業(yè)中的各類(lèi)問(wèn)題，使決策管理層能夠盡快關(guān)注，及時(shí)解決。它為企業(yè)帶來(lái)的是一種經(jīng)過(guò)科學(xué)武裝的管理思維，給整個(gè)企業(yè)帶來(lái)的是決策的快速性和準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的及時(shí)性。商業(yè)智能系統(tǒng)將企業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中多套應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合處理，為企業(yè)合理定位、精確控制和準(zhǔn)確決策提供依據(jù)。隨著企業(yè)信息化的深度應(yīng)用，海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，只能通過(guò)商業(yè)智能系統(tǒng)選取關(guān)鍵信息，及時(shí)反饋。它將成為航空制造企業(yè)提升自身競(jìng)爭(zhēng)能力的必然選擇。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：制造產(chǎn)品；智能集成；報(bào)價(jià)系統(tǒng)；非結(jié)構(gòu)化；自學(xué)習(xí)
Research on an intelligent integrated quoting-price system for manufacturing-products
Abstract:Developing a quoted-price system for manufacturing productions is often in relation to many factors between construction and non-construction.Because of the professional limity,its functions was singleness.So this paper proposes a new conception and measure for it,an intelligent integrated quoting-price system for manufacturing-products to discuss.
Key words:manufacturing products;intelligent integrated;quoting-price system;non-construction;self-learning
1 引言
產(chǎn)品報(bào)價(jià)是指供貨企業(yè)或公司響應(yīng)客戶(hù)詢(xún)價(jià)，對(duì)客戶(hù)所詢(xún)目標(biāo)產(chǎn)品報(bào)出的價(jià)格和對(duì)客戶(hù)其他要求所作出的答復(fù)。產(chǎn)品報(bào)價(jià)作為一種經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，在市場(chǎng)運(yùn)行的局部，處在市場(chǎng)活動(dòng)中的供求雙方由于信息的阻滯，不能順利達(dá)成均衡，往往在不均衡狀況下，作出種種選擇?，F(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，客戶(hù)的詢(xún)價(jià)請(qǐng)求和廠商的報(bào)價(jià)之間的談判、平衡、交易等等，就是這種經(jīng)濟(jì)不均衡性的表現(xiàn)，產(chǎn)品報(bào)價(jià)這一課題則基于這種現(xiàn)象而存在。雙方交易達(dá)成的最終報(bào)價(jià)則是需求價(jià)格和供給價(jià)格之間的某一變數(shù)，是暫時(shí)的“平衡價(jià)格”，而不是均衡價(jià)格。制造產(chǎn)品，特別是比較復(fù)雜的產(chǎn)品報(bào)價(jià)，需要許多領(lǐng)域人員的協(xié)調(diào)工作，如技術(shù)、財(cái)力、商務(wù)等，必須考慮各種結(jié)構(gòu)化的和非結(jié)構(gòu)化的因素，其中結(jié)構(gòu)化因素如技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)、制造成本、費(fèi)用分配比例等比較易于確定的因素。而非結(jié)構(gòu)化因素如最終利潤(rùn)率、贏得定單的幾率等，則需要考慮企業(yè)內(nèi)外環(huán)境等眾多不確定因素。目前國(guó)內(nèi)外一些研究人員進(jìn)行了部分產(chǎn)品報(bào)價(jià)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，如組合機(jī)床、冷庫(kù)、工業(yè)爐、通風(fēng)機(jī)等報(bào)價(jià)系統(tǒng)，這些成果大大促進(jìn)了這一課題的展開(kāi)和深入。本文提出一種新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方法進(jìn)行研究。
2 制造產(chǎn)品智能集成報(bào)價(jià)系統(tǒng)的提出
從信息系統(tǒng)的角度考慮，整個(gè)報(bào)價(jià)過(guò)程是一個(gè)信息流動(dòng)和信息處理的過(guò)程。包括信息的產(chǎn)生、信息的傳遞、信息的處理、信息的存儲(chǔ)。具有很復(fù)雜的信息流，涉及到銷(xiāo)售、經(jīng)營(yíng)、設(shè)計(jì)、會(huì)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、采購(gòu)等等，這種信息流在相關(guān)部門(mén)或相關(guān)人員之間的傳播如圖1所示。
圖1 制造產(chǎn)品報(bào)價(jià)的信息流
其中的結(jié)構(gòu)化因素，如技術(shù)參數(shù)、需求批量、價(jià)格范圍、質(zhì)量保證、成本要求等所對(duì)應(yīng)的技術(shù)報(bào)價(jià)和財(cái)務(wù)報(bào)價(jià)比較易于確定或決策。而非結(jié)構(gòu)化因素，如競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的報(bào)價(jià)、利潤(rùn)率、可能的定單確定率、技術(shù)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)等，由于資料或信息欠缺難以作出完美或滿(mǎn)意的決策。
目前，國(guó)內(nèi)外所開(kāi)發(fā)的報(bào)價(jià)系統(tǒng)依其功能大致可以分為五類(lèi)，即商務(wù)型報(bào)價(jià)系統(tǒng)、生產(chǎn)型報(bào)價(jià)系統(tǒng)、工程型報(bào)價(jià)系統(tǒng)、投標(biāo)型報(bào)價(jià)系統(tǒng)和集成型報(bào)價(jià)系統(tǒng)。工程型報(bào)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)際上是產(chǎn)品選型、初步設(shè)計(jì)加成本估算，其最終報(bào)價(jià)的形成有待提高；而商務(wù)型報(bào)價(jià)系統(tǒng)，其全部?jī)r(jià)值是基于產(chǎn)品成本而做的加價(jià)判斷或推理。二者各自凸現(xiàn)了自己的重點(diǎn)，如前者對(duì)報(bào)價(jià)的結(jié)構(gòu)化問(wèn)題處理較好，而后者對(duì)報(bào)價(jià)所涉及的非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題研究得很深刻。然而，制造產(chǎn)品的報(bào)價(jià)應(yīng)該是技術(shù)報(bào)價(jià)、財(cái)務(wù)報(bào)價(jià)及商務(wù)報(bào)價(jià)的連貫和結(jié)合，必須能夠處理報(bào)價(jià)決策所需確定的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化因素。
制造產(chǎn)品智能集成報(bào)價(jià)系統(tǒng)概念基于智能決策支持系統(tǒng)(IDSS Intelligent Decision Support System)，集成產(chǎn)品報(bào)價(jià)系統(tǒng)的目標(biāo)，就是要使它能夠根據(jù)客戶(hù)的詢(xún)價(jià)請(qǐng)求制定相應(yīng)的產(chǎn)品報(bào)價(jià)設(shè)計(jì)及根據(jù)企業(yè)內(nèi)外復(fù)雜因素制定多種可行的報(bào)價(jià)方案(包括技術(shù)、財(cái)務(wù)、商務(wù)的報(bào)價(jià)方案)，并輔助決策者選擇滿(mǎn)意方案，輔助實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。同時(shí)，在系統(tǒng)接受和處理報(bào)價(jià)項(xiàng)目的過(guò)程中，不斷學(xué)習(xí)和積累報(bào)價(jià)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，自我完善報(bào)價(jià)的非結(jié)構(gòu)化部分。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)
Abstract：Based on the facts that the performance and running state of large-scale complex electro mechanical systems are of the results of the complete coupling of several physical processes and parameters, a basic idea of complete coupling analysis and coupling concurrent design for complex electrom mechanical system is proposed in this paper. And the basic theory frame of coupling analysis and design is discussed. With this method, one will be able to investigate the performance and to build mechanism of oddity state, to obtain the optimum design of complete coupling for a complex electrom mechanical system.
Key word： Complex electro mechanical system concurrent design
中圖分類(lèi)號(hào)：S61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的日趨復(fù)雜化，系統(tǒng)不可避免地存在非線性。如大型交流電機(jī)系統(tǒng)、紡織過(guò)程等，盡管在很多情況下，當(dāng)我們考慮系統(tǒng)的某些現(xiàn)象時(shí)，可以用系統(tǒng)的線性模型來(lái)代替系統(tǒng)的非線性模型，然后，對(duì)線性模型實(shí)施開(kāi)展Is1[9]0但更多情況下，不可能用系統(tǒng)的簡(jiǎn)單線性模型作為該真實(shí)系統(tǒng)的替身。在工程技術(shù)、自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等眾多情況下，人們必須建立真實(shí)系統(tǒng)的非線性模型以代替簡(jiǎn)單容易處理的線性模型。非線性系統(tǒng)中可能發(fā)生的現(xiàn)象是十分復(fù)雜、十分豐富的。嚴(yán)格地說(shuō)，對(duì)非線性系統(tǒng)，目前雖然己經(jīng)歷了百年的研究，認(rèn)識(shí)仍很不充分的。
針對(duì)現(xiàn)代大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的性能與運(yùn)行狀態(tài)是多物理過(guò)程和多參數(shù)全局耦合結(jié)果的事實(shí),提出對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全局耦合分析及耦合并行設(shè)計(jì)的基本思想,探討全局耦合分析與設(shè)計(jì)的基本理論框架,以期研究復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)功能、奇異工況的生成機(jī)制,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)全局耦合最優(yōu)設(shè)計(jì)。
目前常用的串行設(shè)計(jì)模式、分支與總體組裝式程序,無(wú)法反映復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)式多重耦合作用與機(jī)組工況、功能間的內(nèi)反饋與自組織規(guī)律。優(yōu)良的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的產(chǎn)生和運(yùn)行,迫切需要基于全局耦合的設(shè)計(jì)理論與方法。
基于此,本文在認(rèn)識(shí)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)全局耦合事實(shí)的基礎(chǔ)上,提出耦合與解耦設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)思想,以期能為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行提供借鑒,使其具有最優(yōu)結(jié)構(gòu)體系、高效率、動(dòng)力穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈敏、參數(shù)精確、抗干擾能力強(qiáng)。
這一立意得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持,1999年將“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合與解耦設(shè)計(jì)理論與方法”立為重點(diǎn)項(xiàng)目。
一、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的耦合事實(shí)
復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)維數(shù)高,單元數(shù)量大,過(guò)程間的耦合錯(cuò)綜復(fù)雜,使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能、行為等方面都與簡(jiǎn)單系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中電參數(shù)主要來(lái)源于驅(qū)動(dòng)與控制2個(gè)子系統(tǒng),通過(guò)子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)、集成而與機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)構(gòu)成機(jī)電耦合,從而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)特性。
①驅(qū)動(dòng)源強(qiáng)電磁場(chǎng)與傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合
對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),電磁場(chǎng)的磁電參數(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)交互影響,構(gòu)成耦合。這種耦合常表現(xiàn)為2種方式:一是電磁場(chǎng)產(chǎn)生諧波分量,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)構(gòu)成直接激勵(lì)見(jiàn)圖1。這種激勵(lì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)電設(shè)備中普遍存在,并隨電機(jī)功率的增大而激勵(lì)作用增強(qiáng)。諧波分量的頻率成分由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)型式?jīng)Q定,交流電機(jī)以50Hz為主,整流驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)的頻率成分由整流裝置決定,如三相全橋整流的頻率分量為50Hz的6、12、18等倍頻。
圖1驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合示意圖
功率達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦的軋制機(jī)械是這類(lèi)耦合的典型設(shè)備。對(duì)某平整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振和電磁參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,大功率整流裝置的諧波分量(300Hz、600Hz等)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的諧波轉(zhuǎn)矩,使傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的扭振響應(yīng)。
另一類(lèi)耦合是電機(jī)的電磁參數(shù)與機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)構(gòu)成參數(shù)耦合,從而影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能,降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,產(chǎn)生參數(shù)激振等自激振動(dòng)。這種強(qiáng)耦合只有在電機(jī)容量大到一定程度后才表現(xiàn)突出,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子的間隙較大,轉(zhuǎn)子軸心位置的變化影響著電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)的變化又影響轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)形態(tài),兩者交互作用。大型發(fā)電機(jī)組是具有這種耦合的典型復(fù)雜系統(tǒng)。邱家俊等對(duì)大型發(fā)電機(jī)組中的這類(lèi)耦合問(wèn)題已進(jìn)行深入研究。
②控制系統(tǒng)調(diào)控微變量與機(jī)械系統(tǒng)主體運(yùn)動(dòng)機(jī)電耦合
復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中,常以液壓伺服、光電跟蹤、射線、激光等技術(shù)對(duì)系統(tǒng)工作載荷、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、工作精度等系統(tǒng)的主體功能與工藝目標(biāo)進(jìn)行多重網(wǎng)絡(luò)式控制?？刂莆⒆兞繉?duì)于主體運(yùn)動(dòng)又是一種干擾,與主體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)參數(shù)構(gòu)成參數(shù)弱耦合,由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),使得這種弱耦合具有離散變量與連續(xù)變量交互共存的特點(diǎn),同時(shí)控制環(huán)境常受到有色噪聲的干擾,耦合過(guò)程常表現(xiàn)為非有理譜密度的隨機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程。
二、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合并行設(shè)計(jì)
基于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的全局耦合機(jī)理,在并行工程環(huán)境下,構(gòu)造多個(gè)智能體模擬各耦合對(duì),通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)耦合參數(shù)間的交互過(guò)程,進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的全局耦合分布式并行設(shè)計(jì)。其基本模式見(jiàn)圖2。
圖2耦合并行設(shè)計(jì)基本模式
復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題有:
①并行工程環(huán)境下,代表各耦合對(duì)物理過(guò)程耦合機(jī)制的智能體設(shè)計(jì)。構(gòu)造多個(gè)智能體模擬各耦合對(duì)物理過(guò)程的耦合機(jī)制,以進(jìn)行分布式并行協(xié)同求解。為此需尋求各耦合參數(shù)所處領(lǐng)域中領(lǐng)域知識(shí)的描述組織方法,求解過(guò)程的價(jià)值評(píng)估方法及求解規(guī)則的選取準(zhǔn)則。
②智能體之間交互作用模型及通信模塊設(shè)計(jì)。多智能體進(jìn)行并行協(xié)同求解時(shí),各智能體任一時(shí)刻推理規(guī)則的選取都是以自身局部狀態(tài)和耦合狀態(tài)為依據(jù)的。為能及時(shí)完成智能體之間的信息傳遞,需建立智能體之間耦合信息傳遞模型,并設(shè)計(jì)通用、標(biāo)準(zhǔn)且具有足夠表達(dá)能力的通信語(yǔ)言。
③協(xié)同求解策略及協(xié)調(diào)算法研究。在系統(tǒng)共同的目標(biāo)下,設(shè)計(jì)多智能體協(xié)同求解時(shí)共同協(xié)作規(guī)劃的選擇策略,并研究根據(jù)求解進(jìn)展適時(shí)對(duì)協(xié)作規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整的算法。
④建立并行設(shè)計(jì)通用支持平臺(tái)。在對(duì)耦合機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,研究并設(shè)計(jì)適用于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的開(kāi)放式并行通用軟件支持平臺(tái)。
三、結(jié)語(yǔ)
本文分析了復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的基本耦合特點(diǎn),討論了對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全局耦合分析和耦合并行設(shè)計(jì)的基本思想和框架,對(duì)其中的關(guān)鍵理論與技術(shù)尚屬初步探討,大量的研究工作尚在進(jìn)行之中。
發(fā)展以高技術(shù)密集為特征的新型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),必然要建立在高知識(shí)集成的耦合與解耦理論、方法的基礎(chǔ)上,因此本文提出的全局耦合分析與設(shè)計(jì)思想將有助于推動(dòng)新型高性能復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的產(chǎn)生。
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制造業(yè)人才隊(duì)伍存在的突出問(wèn)題，一是結(jié)構(gòu)性過(guò)剩與短缺并存，領(lǐng)軍人才和大國(guó)工匠緊缺，基礎(chǔ)制造、先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域人才不足；二是人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求脫節(jié)，產(chǎn)教融合不夠深入；三是企業(yè)在制造業(yè)人才發(fā)展中的主體作用尚未充分發(fā)揮；四是制造業(yè)生產(chǎn)一線職工，特別是技術(shù)技能人才的社會(huì)地位和待遇整體較低，發(fā)展通道不暢。
智能制造涉及專(zhuān)業(yè)面更廣、技術(shù)難度更大、風(fēng)險(xiǎn)更高，人才培養(yǎng)也面臨新挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)學(xué)研發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，才能攻克難關(guān)，培養(yǎng)智能制造專(zhuān)業(yè)型、跨學(xué)科、系統(tǒng)級(jí)人才。同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院副院長(zhǎng)、國(guó)內(nèi)首個(gè)工業(yè)4.0智能工廠實(shí)驗(yàn)室主任陳明認(rèn)為，工業(yè)4.0意味著在產(chǎn)品生命周期內(nèi)整個(gè)價(jià)值創(chuàng)造鏈的組織和控制將邁上新臺(tái)階，從創(chuàng)意、訂單、研發(fā)，到生產(chǎn)、交付，再到廢物循環(huán)利用，包括與之緊密聯(lián)系的各服務(wù)行業(yè)，在各個(gè)階段都能更好的滿(mǎn)足日益?zhèn)€性化的客戶(hù)需求。
他指出智能制造與工業(yè)4.0包含了三大集成：第一，垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化制造。強(qiáng)調(diào)智能工廠和智能車(chē)間從上端的信息系統(tǒng)、ERP、PEM到下端的智能化，并在下端形成CPS網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得生產(chǎn)車(chē)間、生產(chǎn)線打破固定形式，取而代之的是動(dòng)態(tài)、柔性的組成，即使某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，也可以使用其他生產(chǎn)線代替。第二，價(jià)值網(wǎng)絡(luò)橫向集成。智能工廠只是工業(yè)4.0的一個(gè)單元，橫向集成強(qiáng)調(diào)不同的企業(yè)都要集中在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成生態(tài)圈，將上下游的企業(yè)聯(lián)系在一起，最終產(chǎn)生新的服務(wù)模式和商業(yè)模式。第三，端到端的數(shù)字集成。即把最終用戶(hù)的需求融合在一起，最后在產(chǎn)品全生命周期發(fā)揮重要的作用，比如可以在大生產(chǎn)線中生產(chǎn)出個(gè)性化的產(chǎn)品。
“通過(guò)分析工業(yè)4.0與智能制造的發(fā)展特點(diǎn)，我認(rèn)為中國(guó)的人才培養(yǎng)，可以參考德國(guó)工業(yè)4.0的人才培養(yǎng)模式。在工I4.0時(shí)代，應(yīng)該將智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)引入專(zhuān)業(yè)課程當(dāng)中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)。學(xué)校以前開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)以及制定的學(xué)習(xí)內(nèi)容都要進(jìn)行調(diào)整。”陳明說(shuō)。
工業(yè)4.0在智能制造領(lǐng)域關(guān)聯(lián)的學(xué)科很多，所以除了需要大量的專(zhuān)業(yè)型人才外，跨學(xué)科人才也十分重要，因此學(xué)校人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。如何進(jìn)行人才培養(yǎng)，跨學(xué)科人才不再局限于學(xué)習(xí)一個(gè)學(xué)科的知識(shí)，比如怎樣才能把數(shù)控裝備做得更好？需要數(shù)控專(zhuān)業(yè)人才把控加工質(zhì)量，還需要軟件專(zhuān)業(yè)人才進(jìn)行軟件控制，這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)發(fā)生交集，培養(yǎng)的就是系統(tǒng)級(jí)人才。
要培養(yǎng)系統(tǒng)級(jí)人才和跨學(xué)科人才，陳明認(rèn)為目前有幾個(gè)瓶頸需要突破：首先是師資力量，可以通過(guò)校企合作來(lái)突破。
其次是課程體系建設(shè)，跨學(xué)科人才并不是指學(xué)習(xí)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的課程，而是要通過(guò)項(xiàng)目，真正提高學(xué)生跨學(xué)科的實(shí)踐能力。
