智慧工廠的信息物理融合系統體系結構設計

虞文進　黎勇　徐元根　王軍

摘 要： 分析了CPS的概念、基本功能和特性，針對工廠的實際情況，提出一種CPS五層體系結構，包括泛在感知層、互聯網絡層、語義信息層、模型計算層、服務代理層。并對各個層次的關鍵技術和結構進行詳細設計。通過一個卷煙工廠落地應用實例，證明了體系結構符合工廠的信息化水平和應用現狀，對工廠走向智慧化起到基礎性支撐作用。

關鍵詞： 信息物理融合系統； 體系結構； 智慧工廠； 卷煙

中圖分類號： TN98?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）05?0151?04

Abstract： The concept， basic function and characteristics of the cyber?physical system （CPS） are analyzed. According the practical situation of the factory， a five?layer architecture of CPS is proposed， including the perception layer， network layer， semantic information layer， model computing layer and service agent layer. The key technology and structure of each layer were designed in detail. It is proved that the architecture conforms with the informatization level and application status of the factory with an application example of the cigarette factory， and plays a basic supporting function for the construction of the smart factory.

Keywords： cyber?physical system； architecture； smart factory； cigarette

0 引 言

信息物理融合系統（Cyber?Physical System，CPS）是最近幾年出現的一個新概念，是指計算和物理要素之間緊密結合與協作的系統[1]。有文獻指出，CPS的影響將會遠遠超越20世紀的IT革命，就像Internet改變了人與人交互的方式一樣，CPS的出現將改變人與物理世界交互的方式[2]。CPS一經出現便立即引起各國的重視。美國2007年的研究中便將CPS列入重要領域[3]，德國將CPS作為工業4.0的核心技術之一[4]。我國863技術也于2010年開展CPS的相關研究[3]。

CPS的落地應用與研究是按行業開展的，具有明顯的領域相關（Domain?Specific）特征[3]。文獻[5]描述了CPS在電力領域的應用，文獻[6]描述了CPS在航空航天領域的應用，文獻[7]描述了CPS在醫療領域的應用，文獻[8]描述了CPS在交通領域的應用，但其在制造領域的應用研究較為少見。

本文對CPS體系結構和適用于智慧工廠的系統特性進行研究與分析，給出了CPS五層體系結構框架設計，并應用于實際案例。

1 CPS概述

1.1 CPS定義

CPS是通過計算（Computation）、通信（Communication）與控制（Control）技術的有機深度融合，實現計算資源與物理資源緊密結合與協調的下一代智能系統。在微觀上，CPS通過在物理系統中嵌入計算與通信內核實現計算進程與物理進程的一體化。計算進程與物理進程通過反饋循環方式相互影響，實現嵌入式計算機與網絡對物理進程可靠、實時和高效的監測、協調與控制。在宏觀上，CPS是由運行在不同時間和空間范圍的分布式、異步的異構系統組成的動態混合系統，包括感知、決策和控制等各種不同類型的資源和可編程組件。各個子系統之間通過有線或無線通信技術，依托網絡基礎設施相互協調工作，實現對物理與工程系統的實時感知、遠程協調、精確的動態控制和信息服務[3]。一般來說，開展智能化設備研究及開發多采用微觀描述，而對諸如生產、交通這樣的系統性工程多采用宏觀描述。

1.2 CPS在智慧工廠中的地位

基于工業4.0的智慧工廠是以全面感知的CPS系統為基礎構建，如圖1所示。CPS將融合物聯網與服務網，是智慧工廠的基礎及核心技術之一。文獻[9]給出了智慧工廠實現的五大關鍵因素，但同時指出最為基本的是建立在CPS之上。

1.3 智慧工廠環境下CPS特性要求

智慧工廠是數字化工廠之后新一代的制造模式，包括多種核心特征，具體如下：

智慧工廠的異構性：智慧工廠將包括多種控制系統、智能裝備和傳感設備。作為智慧工廠基礎的CPS應當采用開放的工業標準，集成許多功能與結構各異的子系統，各個子系統之間通過有線或無線的通信方式相互協調工作。

智慧工廠的實時性：智慧工廠必須對工廠實時的事件做出正確、合理的反應。要求CPS系統基于事件驅動機制，具有強實時特征和時間全局一致性。

智慧工廠的數據驅動：數據驅動是新一代工廠區別于傳統工廠的本質特征。要實現工業4.0提出的三個維度數據驅動流程，在底層落地需要CPS體現以數據為中心的特征要求。

智慧工廠的模型驅動：工廠數字模型是智慧工廠數據驅動的內在動力，體現物理模型、邏輯模型、資源模型等相關內容。CPS也必須是該模型的承載平臺和運行環境，要求具備全局一致的虛擬模型。

智慧工廠的工業特征：作為制造工廠，現實要求的高度安全性、高度可靠性、領域相關性都是對CPS的要求。

2 CPS體系結構設計

2.1 CPS體系結構

CPS體系結構是CPS的核心技術，是CPS的骨架和基礎。文獻[10]給出一套CPS結構體系的設計，并將其應用在智能交通領域。分析認為，這種層次結構表達的概念是清晰的，但過于粗略，細節描述不夠，不利于后期的實施。本文在結合國內外大量研究成果的基礎上，結合制造工廠的實際情況，提出一套符合現實應用的五層CPS體系結構，如圖2所示。

2.2 泛在感知層

泛在感知層是實現深度嵌入到制造全流程而設計的，通過感知節點實現。一個典型的感知節點結構如圖3所示，包括軟件、硬件兩大部分。其中硬件包括與物理對象相一致的傳感器、執行單元和對應的驅動裝置。軟件包括傳感器數據處理模塊、執行單元的控制模塊，節點自身的計算模塊（包括緩存、地址管理等功能），以及與網絡層進行通信的模塊。一個感知節點應當還包括一個能夠全局同步的本地時鐘，滿足CPS所要求的時間一致性。

針對工廠的物理對象，感知節點需實現 “人、機、料、法、環、測、時間、空間”等八大物理要素的數字化感知。

人：采用移動互聯技術，結合RFID，NFC等近場通信技術，實現人與系統的對接。

機：設備采用統一的資產代碼，主要是利用二維碼和RFID電子標簽。

料：針對連續生產過程，采用溫度計、水分儀、皮帶秤表征物料特性。

法：結合生產規范要求，建立各個工序的工藝采集點，建設車間集控系統為超級節點。

環：采用無線組網技術，如Zigbee協議、WiFi協議實現全廠動能及環境的采集與計量。

測：構建超級節點，實現實驗室數據采集、綜合測試臺數據采集。

時間：建立全廠統一的時間服務器，同步各個采集點的時鐘。

空間：建立全廠采集點地址及命名字典。有條件的工廠建議采用IPv6協議。

2.3 互聯網絡層

CPS的異構性包括網絡的異構及應用的異構。互聯網絡層將泛在感知層的大量異構感知節點實現互聯互通，并支持感知節點之間的互操作，支持M2M（設備到設備）的通信。當前工廠的網絡環境，絕大多數采用TCP作為傳輸層通信協議。但眾所周知，TCP協議是一個非實時的協議，需要在語義信息層實現自定義的會話協議，或針對實時數據采用UDP協議。

2.4 語義信息層

CPS是以數據為中心，工廠的數據分為測量數據和業務單據數據。對于實時測量數據，采用OPC統一架構（OPC?UA）協議作為語義層協議。對于業務單據數據，采用自定義XML結構描述。XML文檔的內容和結構完全分離、互操作性強、規范統一、支持多種編碼及可擴展性的特點[11]。

工廠生產信息模型符合ISA95標準給出描述[12]，只是在實例化過程中增加具體生產工廠的特殊屬性。圖4所示為針對一般工廠抽象形成的核心生產信息模型，包括生產能力模型、產品定義模型、生產信息模型。該模型將實現全局一致性的視圖，支持MES系統、MES系統與自動化系統的集成、MES系統與PDM系統和ERP系統的集成（智慧工廠的三個集成）。通過該模型使CPS成為以數據為中心的系統。

2.5 模型計算層

物理與信息的融合過程，核心是通過在CPS系統中嵌入物理對象的模型來實現（有些研究稱之為數字孿生體）。這個模型包括物理設備對象模型（物理模型）以及物理設備對象在生產過程中表現出來的服務邏輯模型構成。模型計算層除了管理這兩大模型之外，還包括一個高可靠的模型引擎，實現CPS特性給出的事件驅動要求，如圖5所示。

物理模型：工廠設備一般組織成分層形式，包括工廠（Plant）、車間（Area）、工段（Cell）、設備（Unit）四個層次[12]，這是一個面向對象的模型庫。每個層次的設備對象中嵌入感知節點及對應的感知數據。

邏輯模型：邏輯模型是表征物理模型在生產過程中提供的服務以及制造過程的核心流程管控，包括生產操作模型、質量管理模型、維護操作模型、庫存操作模型[10]。

模型引擎：模型引擎是一個基于SOA架構的計算環境，包括運行服務管理、流程引擎、安全管理、服務管理、服務及接口協議、物理模型管理。

2.6 服務代理層

CPS與智慧工廠服務網之間的連接是通過制造服務代理層實現的，這是一個典型的SOA與多Agent環境。同時，該層也實現CPS與異構應用系統之間的連接。

工業4.0背景下智慧工廠的業務應用將呈現App化的特征。一個典型的App將滿足工廠管理的某一個領域的功能要求。但這些單一業務需要流程的集成，共同實現以產品為中心的某一特定的生產任務，比如生產換模過程。每一個App通過它的代理服務接入到CPS模型引擎中，如圖6所示。模型引擎具有一個Agent容器管理功能，實現Agent服務的發現、注冊、變更及有效性檢驗，符合CPS高度自主性的特性。

3 典型應用

卷煙工業企業在整體制造業信息化中具有較高水平。寧波卷煙廠在全行業較早開展信息化建設，基本完成了數字工廠建設[13]。通過分析智慧工廠的核心要求，明確智慧工廠建設的核心是在工廠導入CPS系統，實現物聯網與服務網的融合?；贑PS系統，重新構建工廠一體化核心數據平臺，重新梳理三項集成（工廠與集團的集成、研發與生產的集成、制造與服務的集成）。寧波卷煙廠CPS實施技術路線如圖7所示。

工廠利用新引進設備的機會，完成了智慧工廠所需的物聯網環境建設。自動化系統采用OPC?UA協議共享CPS全局一致的實時數據庫系統。同時，根據智慧工廠的業務要求增加少量的無線感知節點，主要應用于設備狀態監測領域。在建模及模型引擎方面，采用西門子公司的Simatic IT建模平臺實現模型在線運行。而服務代理則采用工廠已建成的SOA總線平臺（IBM產品Message Broker）實現模型驅動與服務組件的集成。服務集成所用的協議為廣泛采用的WebServices標準。通過優化及完善以MES系統為核心的工廠應用系統，完善App形式的業務管理功能。

基于CPS的生產信息監控界面如圖8所示。通過導入CPS系統，一是實現了全局一致的核心數據庫；二是實現生產資源的對象模型，建立透明工廠；三是邏輯模型支持生產管控流程的靈活修改，提高生產柔性；四是生產服務代理化，實現即插即用；五是實現控制層與管理層的深度融合，提升管理精細化水平。

4 結 語

CPS是智慧工廠的核心技術。本文從CPS國內外的研究現狀出發，結合CPS的基本功能及特性要求，提出一種應用于工廠的五層CPS體系結構，包括泛在感知層、互聯網絡層、語義信息層、模型計算層、服務代理層。該體系自下而上實現了物理對象、生產信息、生產對象模型以及服務模型的抽象。最后，本文給出了一個卷煙工廠的實施案例，列出了每一層所采用的技術路線。應用案例表明，本文提出的五層CPS體系結構符合卷煙工廠的信息化水平及應用需求，對智慧卷煙工廠的建設能起到基礎性支撐。

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