離散非標大規模定制的多維全周期聯合管理系統

鐘臻哲 王戰慶 楊明

引言

大規模定制（Mass Customization,MC)在不同的制造行業和領域當中有不同的界定標準。在離散制造業中，柔性制造、倉儲管理和產品管理是構成和評價大規模定制能力（Mass Customization Capacity，MCC)的重要標準。本文提出多維度全周期聯合管理系統，集成了各類異質性底層通信技術、異構計算機網絡技術和工業互聯網架構，將產品定制的全部生命周期納入系統進行跨維度中心化管理。本系統能夠將定制的各個環節聯合起來，大大降低產品生命周期中的信息流動成本。

大規模定制是一種集智能制造、物聯網、大數據、人工智能和移動互聯網應用于一體的新型生產模式，其特征為從需求開始，經過設計、生產、物流、銷售、服務，再反饋到需求形成閉環，整個過程圍繞客戶需求展開。離散制造業為實現產品定制的快速反應，就必須實現對包括售前、研發、采購、生產、售后和物流全周期的統合管理[1]。隨著通信、自動化、計算機網絡、物流管理和互聯網等技術的逐漸成熟，大規模定制的定義重構、架構演進和技術實現已經成為一個跨學科的課題[2]。其中涉及的架構，管理和優化問題吸引了諸多學者進行深入研究[3][4]。

在本文中,基于智能制造中全生命周期、企業層級和業務功能的三維模型[5],我們提出一套具備中心化的全周期聯合管理系統架構（Centralized United Management Architecture)。基于該架構，本文繼續提出一種中心化的多產線全生命周期管理系統（Centralized United Management System)。這套系統能夠實現對定制化產線生命周期的信息化，系統接入的權限分級和智能化多線生命周期的集成管理，為中小企業構建自己的工業互聯網體系提供一套參考基礎。

圖1 大規模定制智能制造全生命周期聯合管理軟件架構

中心化產線生命周期管理架構

本文提出了一種對產線、產品和企業辦公協同進行數字化一體管理的工業互聯網軟件架構。該軟件架構集成了全生命周期、企業全系統層級和物聯網全連通功能的管理模塊，其中包括了集成計算機輔助系統（CAx,包括自有CAx模塊和外部CAD、CAE、CAM、CAQ等軟件的集成支持)、制造執行系統（MES)、企業資源計劃（ERP)、客戶關系管理（CRM)、倉庫管理系統（WMS)、電子商務（Ecommerce)、供應鏈管理（SCM)等常用制造業生命周期重要模塊，也預留出特定行業和具備特定功能的制造業所需的拓展功能，如高級計劃與排程（APS)、（場外)運輸管理系統（TMS)、實驗室信息管理系統（LIMS)等。在決策輔助功能上，各模塊的數據被聚類、預處理后以語義化時序數據的形式格式化存儲于數據庫中，方便其他模塊調閱。人工智能模塊通過shapelet貝葉斯優化的長短期記憶網絡讀取數據后對生產、物流和庫存等生命周期數據進行推斷。決策輔助功能模塊將時窗內的推斷結果圖表化展示。

本架構在應用層面表現為信息流的中心化流動、存儲和處理，跨模塊信息流由JSon/XML格式進行歸一化存儲。之后通過中心化的數據處理和儲存，降低了架設系統的難度，提升了工業互聯網落地軟件的維度覆蓋能力。在網絡架構上應用了分布式的存儲/運算服務器架構，保證了每個節點的基本運算和儲存能力，保證了整體網絡的冗余性、魯棒性和服務的多樣性。

一種基于聯合管理軟件系統的多維度多產線生命周期管理架構

基于上文提出的中心化產線生命周期管理架構，我們將多條產線的全生命周期管理系統并接入企業的中心化聯合管理軟件，實現了一套具備多線管理功能的聯合管理系統。系統功能包括并行的多線全周期管理模塊、離散軟件版本控制、售前售后服務數據系統、產品代際演進和產線生命周期等企業生命周期的迭代，架構示意如圖2。

圖2 大規模定制架構的多線中心化生命周期嵌套迭代系統

本套多維度生命周期的管理系統，可以有效規范全產品線的生產行為，對企業發展軌跡進行有效溯源。同時基于多產線數據的知識圖譜化范式數據，可以對不同模塊管理下的企業經營狀態和產品現狀進行有效歸一化、可視化，降低決策成本，提升企業決策質量。中心化聯合管理系統的物質流、網絡拓撲、信息流管理架構邏輯如圖3所示。

圖3 多線中心化生命周期嵌套迭代系統的一種實現

本架構包括一套基于異構網絡的可靠低延遲網絡：由有線網絡、無線個域網、局域網和廣域網構成的異質化異構網絡保證了網絡基礎設施存在冗余，如基于一般工業總線技術（EIP-legacy/TSN,PROFIBUS，EtherCAT等)實現了生產過程數字化；基于Zigbee、Wi-Fi（802.11b/a/g/n/ac/ax)或EDGE/WCDMA/LTE/5G移動網絡實現園區智控。以上模塊的數據集中于數據中臺，中臺與后臺服務打通，部署位置分離，保證了數據防災。后臺內提供一套自主研發的聯合管理信息門戶,確保信息流能夠持續穩定，現場與中臺之間的低時延上下行鏈路保證物質流在信息空間中的映射能夠及時有效。在傳統PLC架構的基礎上添加了EIP連接，將產線數據接入工業互聯網,基于IP實現了產線數據的數字化，并且基于多種動態路由算法進行自組網，實現即插即用。網絡層亦通過VLAN、IP端口隔離、應用權限分級、MD5加密等多層隱私和安全技術，實現具有物聯網安全措施的生產過程信息化，保證各職能部門對多維產線具備對應的掌控能力。在產線控制層面，所有連接均通過集成的一體化網關單元（圖3中綠色節點)進行協議轉換的全連接控制。

基于該網絡進行聯合管理的物質流和信息流具備以下特性。首先，工業互聯網中物聯網絡的迅捷物質流。利用中心化聯合管理系統將定制過程中的所有流程接入分布式運算能力，基于計算機視覺識別、RFID等技術監控園區內外的人、物流，實現實時準入控制及數字化足跡存儲。其次，中心化聯合管理系統的智能信息流。基于相關物質流的數字化，聯合管理系統獲得了數字辦公室、園區和工廠的數字全映射能力。本系統基于Json/XML等跨機器語言復用的語義結構保存和傳輸生產周期中物質流的大數據，管理系統能夠預處理并使用相關大數據，將其信息化供其他相關功能模塊（ERP、MES、WMS等)查詢、交互和演進，完成跨功能邊界語義交互。

基于該架構的工業現場和聯合管理系統消除了各個設備之間的信息孤島，并通過模塊化的設計提供了良好的拓展能力。通過可視化的拖拉拽界面還可以自動生成現場端、網絡端和前端的代碼和界面，大大降低了開發難度，提升了智能制造服務提供商為各個中小企業提供信息化與數字化服務的能力。

結論

隨著工業4.0的自動化、數字化和智能化浪潮，制造行業不斷進行著自我迭代升級。這股浪潮來勢強勁，領跑者和追趕者之間的鴻溝愈發明顯，先進團隊與后進團隊在技術方案、升級意向以及投資回報率上產生顯著分化。本文所展示的“快捷反應產線+完整中心管理系統+多產線混合迭代”的全生命周期管理系統，可以為中小企業擁抱產業升級提供一個低門檻、快反應的方案。該多維度聯合管理系統在不斷擴展其能力邊界的同時，能夠幫助從事制造業的企業鞏固現有優勢，保證企業在向更高附加值業務擴張的同時，保持足夠的人員、資源和流動性支撐。

注

項目來源：科技部創新方法工作專項（2020IM010100)基于多維度創新方法的疫情防控產品研發與快速轉化應用