信息物理系統(tǒng)共性技術測試床案例分析

引言

信息物理系統(tǒng)共性技術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)大學等產(chǎn)學研單位共同建設。重點圍繞離散行業(yè)生產(chǎn)模擬環(huán)境，開展機床、機器人、檢測設備、物流設備等數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化建模、雙胞胎構建等，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)絡化協(xié)同。

一、測試床項目概述

1. 概述及該測試床目標

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

當前，工業(yè)生產(chǎn)面臨諸多問題：設備數(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?，F(xiàn)有的技術處理起來有較大難度，例如：底層設備數(shù)據(jù)不開放，導致數(shù)據(jù)采集無法實現(xiàn)；系統(tǒng)異構性明顯，導致系統(tǒng)集成效果不佳；產(chǎn)線編排靈活性低，新產(chǎn)品換線需要多次調試；工業(yè)數(shù)據(jù)技術應用有限，缺少結合工業(yè)機理的算法模型；網(wǎng)絡可靠性低，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)存儲管理的統(tǒng)一標準缺失，導致網(wǎng)絡協(xié)同應用水平較淺等。

信息物理系統(tǒng)的應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，疊加各類傳感器、板卡，采集啞設備運轉各類數(shù)據(jù)，并形成設備運行、診斷模型；通過產(chǎn)線柔性可重構技術，實現(xiàn)異構系統(tǒng)集成，并采用柔性連接和軟件配置的方式實現(xiàn)產(chǎn)線布局快速調整，流程和工藝快速切換等。信息物理系統(tǒng)共性技術測試床選取離散行業(yè)機加工流程，配置常見的工業(yè)設備和信息系統(tǒng)，搭建工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境，開展信息物理系統(tǒng)各項技術的測試驗證。

信息物理系統(tǒng)共性技術測試床根據(jù)工業(yè)領域對信息物理系統(tǒng)共性技術、關鍵產(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，一方面，可以結合本地的特色產(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)絡化協(xié)同制造的實際需求，提高本平臺的試驗驗證的準確性和真實性。

2. 目標

打造信息物理系統(tǒng)關鍵技術創(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)共性關鍵技術和新模式研究提供一個通用的試驗環(huán)境，降低企業(yè)采用新技術的風險，推進不同企業(yè)解決方案的適配測試，加快新技術、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)研究水平和應用能力。

構建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種以上設備的三維數(shù)字化模型并實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動模型，形成不少于包括機床、機器人在內的兩類設備與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案（啞設備改造），建設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、設備智能優(yōu)化、納米級產(chǎn)品檢測、異地網(wǎng)絡化協(xié)同的應用新模式。

二、測試床項目解決方案

1. 解決方案架構

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

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

主要實施步驟包括：

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

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

（3）基于邊緣側-云端協(xié)作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能。邊緣側進行數(shù)據(jù)的預處理和模型部署，云端進行數(shù)據(jù)分析算法和應用的開發(fā)，邊緣分析與云端分析結果相互迭代，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)格式轉換、數(shù)據(jù)互操作等數(shù)據(jù)集成技術瓶頸，實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的云端集成，實現(xiàn)網(wǎng)絡化協(xié)同設計和制造。

圖2 網(wǎng)絡互聯(lián)架構

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

2. 測試床預期效果

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

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

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

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

（5）應用試點推廣：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)技術研發(fā)與應用落地，形成合作試點項目。

三、測試床當前情況

1. 測試床當前建設情況

北京部分：完成場地裝修；完成一期設備集成和數(shù)據(jù)采集，并利用仿真建模軟件對生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境、關鍵設備進行三維建模，再結合設備數(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、關鍵設備進行三維建模，再結合設備數(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

在一期建設中，對啞設備（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。在下一步建設中，對物流設備、倉儲設備、檢測設備以及其他加工設備進行建模。

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

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：負責整體建設方案編制，開展技術試驗驗證，制定相關標準，并創(chuàng)新成果的孵化和行業(yè)應用推廣。

海爾集團：負責柔性產(chǎn)線相關技術試驗驗證，并推動行業(yè)應用推廣。

中興集團：負責產(chǎn)品質量檢測相關技術試驗驗證，并推動行業(yè)應用推廣。

樹根互聯(lián)：負責啞設備數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡化協(xié)同等方面技術試驗驗證，并推動行業(yè)應用推廣。

歐姆龍：負責關鍵智能單元AGV+機械手的研發(fā)與試驗。

西北工業(yè)大學：負責虛擬仿真建模相關技術試驗驗證和相關標準研制。