再制造生產線信息物理融合系統模型*

王樂達 廖劍鋒 位 磊 劉曉軍

(①華中科技大學文華學院，湖北 武漢 430074)

(②華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

為建設資源節約型和環境友好型社會，我國政府一直積極倡導節能環保和資源再生。作為循環經濟實體中的重要組成部分，回收再制造企業正引起社會極大的關注。為提高信息化水平，眾多企業開始引進各種自動化系統。各種制造物聯技術也開始大量運用于企業，以RFID、傳感器和Wi-Fi 為基礎感知技術的物聯網正為企業帶來巨大變革。回收再制造已經成為電子產品全生命周期物聯模型中的重要一環［1］。但是，物聯網必然產生大數據，對大數據的實時處理和反應需要數據信息和物理環境深度融合。要使信息世界與物理世界深度融合，單純的物聯網顯然已經無能為力，這就需要信息物理融合系統(cyber -physical systems，CPS)的幫助。CPS 是一個集通信、計算和控制技術為核心的可控制、可擴展和高集成的大型智能工程系統，它通過對物理環境的感知，安全、可靠、有效地對物理實體進行實時檢測或者控制，實現了計算進程與物理進程的深度交互融合。CPS 可以使物理進程具備計算、通信、監控、自治和遠程協作5 大功能。而且隨著信息科學技術的不斷創新發展，計算進程與物理資源之間的聯系在未來會更加深入，這將會大大提高CPS技術控制物理世界的能力。為此，筆者將結合產品再制造企業生產線特點及運行模式，建議將CPS 運用于再制造企業，并提出再制造生產線信息物理融合系統模型。根據CPS 的5 層體系結構，設計出各個功能模塊。分析認為，這種基于CPS 的再制造生產線將顯著提高生產效率和管理水平。

1 CPS 研究現狀

目前，CPS 已經引起了國內外相關科研機構學者的廣泛關注與高度重視，正成為近年來的研究熱點。在理論基礎研究方面，重點研究解決系統抽象層次設計、系統建模、體系結構設計、數據傳輸和管理、子系統集成等方面的問題［2］。張侃等學者提出了一種可信的信息物理融合系統設計框架［3］，張廣泉等學者提出了CPS 基于體系結構能耗建模的思想。譚鵬柳博士從實時任務調度和實時網絡兩個方面提出解決系統實時性的CPS 系統模型［4］。何明博士等人提出了一種基于多視圖的CPS 體系結構［5］。朱敏等人提出一種使用微分動態邏輯的CPS 模型，并進行了屬性驗證［6］。梁東方等人則提出了一種基于異構模型融合的CPS 系統仿真建模方法［7］。佘維博士等人用系統框架模型分析了信息物理融合系統中物理世界與信息世界的聯系與交互，并為研究系統的行為預測、狀態評估和實時控制提供了有效方法［8］。

在行業應用方面，在涉及到數據和物理環境需要深度融合的場景，開始逐漸重視CPS 系統。結合CPS 優勢，很多專家學者針對不同行業應用提出了新思路和新方法。孫彥景等學者提出在井下環境監測中采用信息物理融合系統，構建檢測、預警、控制和定位于一體的煤礦信息物理融合系統模型［9］。在電力行業，劉漢宇提出在微電網建設中采用CPS 系統［10］，莊偉等學者提出將信息物理融合系統引入智能配電網繼電保護，并比較了與傳統繼電保護的優勢［11］。趙俊華教授等人將信息物理融合系統與電力系統技術特點相結合，設計出電力信息物理融合系統體系結構模型，并分析了該系統的可靠性與安全性［12］。龔龔等人基于CPS 理論開發出城市交通控制與誘導系統［13］。劉軍博士等人開發出符合統一硬件模型的倉儲監控管理信息物理融合系統，并在實驗中成功應用［14］。張寶利等人則將CPS 系統引入電解鋁實時感知控制通信系統，取得了良好的經濟效果［15］。孫旭霞博士等人設計出符合3 層結構模型規范的水輪機組溫度監控信息融合系統，試驗結果表明此系統可靠性明顯提高［16］。

2 再制造生產線CPS 體系結構

標準的信息物理融合系統與傳統物聯網嵌入式系統不同，其內部設備獨立性低，且相互之間可以進行交互融合，使數據信息在生產各環節中的流通性變強，具有系統功能多元化。經過調查統計，還沒有研究開發人員對再制造這一行業領域進行信息物理系統的研究。分析比較信息物理融合系統在其他領域的應用實例，采用基于模型結構設計思想，使信息物理融合系統應用于再制造生產線具備了可行性。借鑒物聯網通信系統體系結構的設計思想，結合信息物理融合系統中信息與物理環境深度融合的優勢，筆者在此提出再制造生產線信息物理融合系統體系結構模型。該模型具有5層體系結構，如圖1 所示。該系統結構層次主要包括監控層、網絡層、執行層、感知層和物理層，各層之間有雙向數據信息流，使其具備信息交互和協同監控功能。

(1)物理層 物理層的功能是為感知設備提供各類可讀信息。它主要由再制造生產流水線中的所有物料實體及其個體屬性構成。物理層位于信息感知一線，是信息物理融合系統信息采集和生成的源頭。

(2)感知層 感知層的功能是將生產流水線中的物料個體屬性數據傳遞到信息系統中。它由傳感器、探測器和閱讀器等物理感知設備構成。感知層的作用是對車間環境進行感知，獲取各類信息數據，并通過已經嵌入物理感知設備中的信息處理器件，對數據信息進行篩選，并將其中可用的信息數據通過網絡層通信設備傳送到監控層，為監控層所做出的策略與指令提供依據。

(3)執行層 執行層的功能是將信息系統監控層所下達的策略計劃及行動指令轉換成對物料個體屬性的改造與維護。它是由生產流水線中的各類執行器設備構成。執行層的作用是通過接收由網絡層傳輸的監控層指令信息，并以此為依據對生產線中的個體物料進行相應的操作，從而實現了信息世界與物理世界的交互融合。

(4)網絡層 網絡層是系統正常運行的關鍵。網絡層的功能是為系統各層模塊之間的交互提供通信信道。它是由路由器、交換機和通信服務器等通信設備構成的網狀拓撲結構。網絡層的作用是為系統中的各類設備之間的信息傳輸提供保障，并實現系統中各層模塊之間通信形式的多樣化。網絡層使信息在傳遞過程中具有保真性、安全性。

(5)監控層 監控層是信息物理融合系統的核心。監控層的功能是通過指令對執行設備進行控制，使其按照預期策略與計劃，產生正確的行為活動，實現信息系統對物理世界的維護與改造。它是由決策部件、控制節點、數據庫和控制中心組成的。監控層的作用是對感知層所傳輸的數據進行全局融合及分析處理，實時提供對全局情況的準確評估，制定出最優整體生產策略。其通過發送指令到執行層，控制執行設備并與物理世界進行交互，不斷地改進系統自身策略，實現生產效能的準確化分配。

3 再制造生產線CPS 功能模型

結合再制造生產線體系結構，設計出再制造生產線信息物理融合系統功能模型，如圖2 所示。

(1)產品回收功能

通過CPS 實現對運輸車輛及被運載物料實時狀態的監控與管理，使企業高層及各級工作人員能夠通過系統及時掌握物料回收運輸狀態，并制定出最優運輸策略，達到物料回收運輸功能的高效化。

(2)倉儲管理功能

通過CPS 實現對入庫、在庫和出庫物料動態信息的實時跟蹤與查詢，并結合倉儲計劃與生產需求，及時做出物料調度與調控等相應決策，使倉庫庫位得到最大化合理利用，逐步實現倉儲的自動化與立體化管理功能。

(3)生產制造功能

通過CPS 實現對原料、零部件和在制品等產品信息動態進行感知識別與記錄處理，控制生產線各環節中的傳送帶、制造機器人和感應識別器等車間執行設備，實時對生產策略和生產進度進行調整與監控，達到生產效能的均衡化，并大力提升車間生產線生產制造過程的智能化水平。

(4)質量監控及溯源功能

通過CPS 對生產流程各關鍵環節中的在制品質量信息進行統計監控，只要發現產品質量問題，就立即對不合格產品進行溯源處理，實現系統對在制品質量的實時監控。

4 再制造生產線CPS 系統模塊

信息物理融合系統強調對生產流程和個體要素的智能化、集成化控制，以提高生產效率和產品質量，同時優化生產成本。結合CPS 體系結構和功能模型，設計出再制造生產線信息物理融合系統模型，和功能模型對應，系統主要包括4 個管理模塊，如圖3 所示。系統要求每個模塊之間具有信息交互，并對模塊中的設備活動進行監控，從而實現信息物理融合系統在再制造過程中的正常運轉。

(1)產品回收管理模塊

產品回收是再制造的起始環節。在產品回收過程中，通過RFID 閱讀器與傳感器等感知設備，將目標物料的所在地與個體數量等物理信息進行預處理，并上傳到CPS 系統監控層，制定出相應的最優化回收運輸策略。再由Wi-Fi 與無線AP 等通信交互設備，將指令傳送到工作人員的手持終端，并按照指令完成計劃。該模塊可使企業實時監控回收運輸動態，制定相應的收貨入庫計劃，以降低回收運輸與倉儲管理兩個生產流程模塊之間的獨立性，提高作業效率。

(2)倉儲管理模塊

倉儲管理主要分為入庫、在庫和出庫3 大管理流程。入庫管理環節利用庫房入口安裝的RFID 閱讀器與探測器等感知傳感設備對物料上的RFID 標簽和條形碼等器件進行信息采集，并將數據信息進行篩選處理后傳遞到數據庫，由數據庫檢驗核對入庫物料的個體信息，通過發送指令控制自動化設備將物料安排到相應庫位。在庫管理環節利用庫房內部的環境監測設備，通過托盤與傳送帶等機械設備完成對物料的分裝、加工和盤點等操作管理指令。出庫環節則根據系統監控層既定策略，按指令完成物料的分配與出庫。

(3)生產制造管理模塊

生產制造主要分為廢舊產品檢驗分類、拆解配送和總裝再制造3 大環節。在第1 個生產環節中，RFID閱讀器與傳感器等感知設備元件讀取貼掛在產品上的RFID 標簽、條形碼和產品特征標識中的信息，并通過嵌入式設備的計算部件對信息進行預處理，再由交換機與路由器等無線通訊設備傳輸到系統執行層。控制中心與決策部件依據采集的信息制定產品分類處理計劃，指導生產線上的員工，指導相關設備對廢舊產品進行質量檢測與分類。同時，感知層探測器采集執行層設備行為活動信息，由通信網絡傳送，存儲在執行層設備查詢系統中，使生產管理者實時監控生產進程，降低生產出錯率。在第2 個環節中，執行層設備和生產線員工按照監控層下達的拆解加工指令對已分類的物料進行處理。感知層設備根據已加工零部件個體物理信息，通過執行層自動化設備對其貼掛新的特征標識，并將其傳送到合適的生產線進行總裝。為了實現對生產線上的物料實時追蹤查詢功能，可直接將生產線上的感知層設備所獲取的數據進行集成處理并存儲，通過應用系統引導，管理者就可以合理調控作業計劃，均衡車間生產能力。在第3 個環節，主要完成對零部件的總裝制造。執行層設備將車間感知設備網絡采集的物理環境信息直接集成到通信網絡系統中，實現控制中心、決策部件等監控設備實時對活動進行查詢跟蹤，并快速對執行層下達指令，指導生產線對產品進行列隊排序生產，同時實現其智能化組裝配件，使總裝制造生產線的自動化水平大幅提高。

(4)質量監控及溯源管理模塊

對產品的質量監控和溯源問責是CPS 系統的重要管理功能。該模塊通過車間操作設備將感知網絡采集的數據傳輸到CPS 系統監控層，以實現對生產線中的物理個體實時信息的收集和處理。通過再制造生產線應用系統調用感知設網絡獲取的監控設備所存儲的信息數據，迅速找出問題環節，立刻采取反饋溯源機制，實現產品全面質量監控與溯源。

5 結語

信息物理融合技術是近年來新興的一種物聯網信息通信方式。它可以為再制造生產線工藝的改革創新提供新的思想路線和解決方案。因此，研究將信息物理融合技術應用于企業現有技術中，將實現并提升再制造生產水平，對于我國再制造技術體系的完善有一定的積極意義。通過研究信息物理融合系統的技術特點，設計出再制造生產線信息物理融合系統體系結構功能構框模型，并將其融合與應用于企業再制造生產流水線中。生成物理環境與生產信息的深度融合可以為企業提供敏捷管理，從而提高生產效率和管理水平。再制造生產線的信息物理融合系統已經得到局部應用。

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