智能焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

摘要：伴隨著信息技術(shù)與制造業(yè)的不斷融合發(fā)展，新應(yīng)用新模式層出不窮。作為傳統(tǒng)的制造行業(yè)，焊接制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，需要一個(gè)面向焊接行業(yè)的焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以信息化手段完成生產(chǎn)流程再造，形成焊接數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用與系統(tǒng)集成的綜合焊接解決方案，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與焊接生產(chǎn)過(guò)程的深度融合。介紹基于物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)、主要功能框架、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：焊接信息化;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);平臺(tái);5G

中圖分類(lèi)號(hào)：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0095-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.18

0? ? 前言

在中國(guó)制造2025與工業(yè)4.0的時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在實(shí)體經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域不斷滲透發(fā)展，通過(guò)技術(shù)和模式創(chuàng)新為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)了巨大機(jī)遇。伴隨制造業(yè)變革與數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮的交匯融合，信息技術(shù)與制造技術(shù)、工業(yè)知識(shí)的集成創(chuàng)新不斷加速，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，中國(guó)已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大的焊接設(shè)備生產(chǎn)與使用大國(guó)，焊接設(shè)備在造船、汽車(chē)、軌道客車(chē)、工程機(jī)械、集裝箱、鋼結(jié)構(gòu)等多個(gè)行業(yè)成為主要生產(chǎn)制造設(shè)備。

當(dāng)前焊接制造業(yè)正處在由數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化發(fā)展的重要階段，其核心是基于海量工業(yè)數(shù)據(jù)的全面收集，通過(guò)端到端的數(shù)據(jù)深度集成與建模分析，形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸等新型制造模式。全新的焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的低成本、高可靠的存儲(chǔ)和管理;通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘輔助制造企業(yè)開(kāi)展精細(xì)化、精準(zhǔn)化管理和決策;與設(shè)計(jì)、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行高效集成和深度協(xié)同。

1 建設(shè)焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的意義

從工信部《智能制造發(fā)展指數(shù)報(bào)告（2020）》公開(kāi)的數(shù)據(jù)來(lái)看（見(jiàn)圖1）[1]，75%的制造企業(yè)還處于智能制造的初步規(guī)劃階段，14%的制造企業(yè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了信息化升級(jí)改造，6%的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)集成，5%的企業(yè)能夠?qū)υ牧稀⑷藛T、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，對(duì)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。離散型制造業(yè)的智能制造成熟水平略高于流程型制造業(yè)。目前，以三一、徐工、海爾為代表的行業(yè)龍頭企業(yè)處于智能制造能力成熟度領(lǐng)先水平，但更多的是針對(duì)企業(yè)內(nèi)部的定制性、獨(dú)占性需求較強(qiáng)。

2021年是中國(guó)制造2025第二階段和“ 十四五 ”規(guī)劃的開(kāi)局之年。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，“ 十四五 ”期間宏觀經(jīng)濟(jì)下行趨勢(shì)明顯，同時(shí)受新冠疫情影響，預(yù)計(jì)GDP增速會(huì)加速向5%下滑。“ 十四五 ”規(guī)劃中與制造業(yè)相關(guān)的幾個(gè)核心點(diǎn)：

（1）向以信息技術(shù)、高端制造、汽車(chē)、新材料為代表的新動(dòng)能轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)行業(yè)的全面領(lǐng)先。

（2）重視原材料、人工、土地、能源等成本持續(xù)上漲帶來(lái)的課題，在商業(yè)模式創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新上加大投入。

（3）信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的加速融合、人工智能推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)升級(jí)轉(zhuǎn)型。

（4）生產(chǎn)型企業(yè)通過(guò)業(yè)務(wù)延伸完成服務(wù)化轉(zhuǎn)變，同時(shí)促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

到2025年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值將達(dá)到3 710億元，占全球GDP的0.34%。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所體現(xiàn)的價(jià)值將逐步提升，自動(dòng)化工廠、智慧工廠等一系列應(yīng)用將成為未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)之一。2020年政府工作報(bào)告中提出的新基建七大領(lǐng)域中（見(jiàn)圖2），5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)均與制造業(yè)轉(zhuǎn)型密切相關(guān)。

根據(jù)人力資源和社會(huì)保障部的分析預(yù)測(cè)：未來(lái)5年，智能制造領(lǐng)域人才需求量將到達(dá)900萬(wàn)人，人才缺口預(yù)計(jì)達(dá)450萬(wàn)人。智能制造工程技術(shù)人員在推動(dòng)企業(yè)商業(yè)模式、生產(chǎn)方式變革中發(fā)揮著重要作用，是企業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)流程和工藝、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵角色。從事制造業(yè)智能化所需的軟硬件開(kāi)發(fā)與服務(wù)人才的嚴(yán)重缺失必將帶來(lái)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程改善停滯不前、經(jīng)營(yíng)成本居高不下、企業(yè)轉(zhuǎn)型周期延長(zhǎng)等一系列連鎖反應(yīng)，甚至影響企業(yè)生存、產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

基于以上原因，有必要構(gòu)建面向焊接行業(yè)的焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，整合優(yōu)勢(shì)資源，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與焊接生產(chǎn)過(guò)程的深度融合，以信息化手段完成生產(chǎn)流程再造[2]，形成焊接數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用與系統(tǒng)集成的綜合焊接解決方案。

2 焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體采用云服務(wù)架構(gòu)，如圖3所示。IoT終端收集到設(shè)備數(shù)據(jù)后通過(guò)4G或5G網(wǎng)絡(luò)推送到平臺(tái)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器（數(shù)據(jù)接收服務(wù)器采用負(fù)載均衡工作模式，根據(jù)接入設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)吞吐量可靈活擴(kuò)展），數(shù)據(jù)接收服務(wù)器完成數(shù)據(jù)解析之后將數(shù)據(jù)按照應(yīng)用類(lèi)型分別寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)按實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景分別設(shè)置3種類(lèi)型服務(wù)器：應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)前臺(tái)發(fā)起的業(yè)務(wù)邏輯處理，BI服務(wù)器負(fù)責(zé)報(bào)表管理、數(shù)據(jù)可視化，API服務(wù)器負(fù)責(zé)與其他系統(tǒng)對(duì)接。平臺(tái)包含PC端、APP、小程序、API等多種應(yīng)用入口。

同時(shí)，焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)具備兼容多種品牌、多種類(lèi)型焊接設(shè)備的能力，以適應(yīng)焊接生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)存在多種廠家設(shè)備的實(shí)際情況。有3個(gè)方法可提供這種能力：（1）焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，由焊接設(shè)備生產(chǎn)廠家完成適配;（2）開(kāi)發(fā)智能網(wǎng)關(guān)，完成多種通信協(xié)議向統(tǒng)一協(xié)議的轉(zhuǎn)換;（3）焊接行業(yè)出臺(tái)政策，焊接設(shè)備生產(chǎn)廠家和焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3 焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能及流程

焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有PC端和移動(dòng)端兩部分，PC端以編輯、展現(xiàn)為主[3]，移動(dòng)端以簡(jiǎn)單填報(bào)、查看為主，如圖4所示。以上功能可以形成3個(gè)閉環(huán)：設(shè)備管理（設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備故障報(bào)修、設(shè)備維保計(jì)劃、設(shè)備維保、設(shè)備維保記錄）、工藝管理（工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝設(shè)計(jì)、工藝分配、工藝下發(fā)、工藝超差監(jiān)控）、生產(chǎn)管理（產(chǎn)品、訂單、計(jì)劃、執(zhí)行、進(jìn)度、數(shù)據(jù)記錄、追溯）。考慮到不同制造企業(yè)現(xiàn)階段智能制造成熟程度的差異和面向未來(lái)精細(xì)化管理的發(fā)展方向，平臺(tái)可以支持設(shè)備—人、設(shè)備—人—工件、設(shè)備—人—工件—計(jì)劃、設(shè)備—人—工件—計(jì)劃—焊縫等多層級(jí)、多精度關(guān)聯(lián)。

典型應(yīng)用場(chǎng)景：生產(chǎn)計(jì)劃人員按照生產(chǎn)訂單編制生產(chǎn)計(jì)劃[4]，將計(jì)劃下發(fā)到具體焊接工位。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過(guò)手機(jī)APP或現(xiàn)場(chǎng)終端選擇設(shè)備，查看該工位被分配的生產(chǎn)計(jì)劃。選擇具體的生產(chǎn)計(jì)劃，查看產(chǎn)品相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，掃描工件流水號(hào)，開(kāi)始焊接作業(yè)，同時(shí)平臺(tái)記錄設(shè)備、人員、工件、計(jì)劃相關(guān)數(shù)據(jù)，焊接作業(yè)完成后由現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在手機(jī)APP或現(xiàn)場(chǎng)終端選擇完工，工件流入其他工序，平臺(tái)實(shí)時(shí)更新生產(chǎn)進(jìn)度。生產(chǎn)流程如圖5所示。

4 5G及AI應(yīng)用

5G大流量、低延時(shí)、高可靠性的特征適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高頻率數(shù)據(jù)采集、超高清視頻傳輸、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等應(yīng)用場(chǎng)景。在焊接領(lǐng)域，5G可以實(shí)現(xiàn)在關(guān)鍵工件、關(guān)鍵焊縫微秒級(jí)采樣數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)多協(xié)調(diào)焊接機(jī)器人示教程序的實(shí)時(shí)修正，以及焊接產(chǎn)線控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)整。

AI在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用有3個(gè)方向：質(zhì)量、產(chǎn)能、維保。AI智慧引擎通過(guò)對(duì)自動(dòng)焊接工作站單一產(chǎn)品的焊接數(shù)據(jù)和后續(xù)檢驗(yàn)工序反饋結(jié)果的挖掘訓(xùn)練，可以分別形成引弧、主焊接、回?zé)A段的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)焊接質(zhì)量的預(yù)判，可以有效減免后續(xù)檢驗(yàn)工序，縮短生產(chǎn)周期[5];AI智慧引擎通過(guò)對(duì)焊接產(chǎn)品的數(shù)據(jù)收集，可以精確統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍、成本消耗、合格率，通過(guò)對(duì)以場(chǎng)地、設(shè)備、人員、部品、庫(kù)存為核心的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行運(yùn)算，得到訂單緊急程度和生產(chǎn)成本的最優(yōu)解，同時(shí)完成訂單結(jié)束時(shí)間和消耗成本預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)低成本快速響應(yīng);AI智慧引擎通過(guò)對(duì)大量焊接設(shè)備衰減周期、衰減特征與維保內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)分析，形成預(yù)測(cè)性設(shè)備維保模型，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少因設(shè)備原因?qū)е碌耐．a(chǎn)損失。

5 結(jié)論

焊接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI智慧引擎等技術(shù)幫助制造企業(yè)有效收集設(shè)備、產(chǎn)線和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)過(guò)程的高度透明、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精確計(jì)算[6]，強(qiáng)化了制造企業(yè)的數(shù)據(jù)洞察能力，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)資源的快速整合利用，低成本快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，催生個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同等新模式新業(yè)態(tài)。以期幫助焊接生產(chǎn)企業(yè)在中國(guó)制造2025第二階段和“ 十四五 ”期間完成新舊動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，真正實(shí)現(xiàn)高水平、高質(zhì)量的發(fā)展。

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