智能化無人車間的建構模式及運作邏輯

高錫榮，鄧瀅瀅

（重慶郵電大學經濟管理學院，重慶 400065）

智能機器人取代車間人力作業是當前制造業發展的基本方向。從制造業發展歷史來看，人力在生產制造活動中的位置一直在持續后移。原始手工業時代，人們使用簡易的手持工具對勞動對象進行加工，人力直接位于生產最前端；第一次工業革命引入機械化生產工具，人們操作機器進行生產，人力開始離開生產前端；第二次工業革命引入電氣化生產工具，人們操作電力設施進行生產，人力進一步遠離生產前端；第三次工業革命引入自動化、信息化生產工具，人們可以在后臺操控計算機從事生產，人力再一次遠離生產前端。當前，5G 通信、工業互聯網和人工智能技術的發展正在快速孕育第四次工業革命——智能化工業革命，將制造業推向智能制造階段，在生產現場由智能機器人完全取代人力、人力完全退出生產現場，生產車間演變成為智能化無人車間。相比于人力作業，智能機器人具有三大生產優勢：一是生產動作高度規范，智能機器人操作行為具有高精度、高標準化特征，不受人為心理因素和個體差異的影響，產品的一致性和穩定性極高；二是生產效率大幅提升，智能機器人生產動作速度快，持續生產時間長；三是生產過程更加安全，智能機器人對嚴苛環境耐受能力強，生產現場不會出現人身安全事故。智能化無人車間盡管讓人力充分遠離了生產現場，但仍需要人們在遠程對生產現場進行實時監控，以及時解決可能出現的生產協調、設備故障和安全問題。在不遠的未來，智能化無人車間將成為制造行業的標配。為了有效地應對正在到來的智能化無人車間時代挑戰，當前亟需探明智能化無人車間的建構模式，深度領會智能化無人車間的運作邏輯，進而快速搶占智能制造的戰略先機。

1 文獻回顧

一是關于5G 與智能制造關系的研究。金雪濤［1］認為 5G 是人工智能、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）、物聯網的前置技術，將開啟萬物互聯、人機深度交互的智能時代。Cheng 等［2］認為，5G 作為未來先進的無線傳輸技術，在推動工業物聯網（IIoT）和CPMS 研發過程管理平臺方面有著巨大的潛力。邱銳［3］引用我國工信部觀點，認為5G 作為新一代信息通信技術，依托高帶寬、低時延、大容量、高可靠性等新特性，將成為引領機器人領域融合創新和驅動增長的新動力。林瑋平等［4］分析了5G 在工業領域的應用，包括工業傳感器、云AR/VR、云端機器人、遠程控制等。陳燕燕等［5］通過在5G 網絡環境中對遠程控制機器人的性能進行不同應用場景及不同網絡配置下的測試與分析，驗證了5G 網絡具有的大帶寬低時延等特性可以解決遠程控制機器人的時延問題。

二是關于智能體的研究。“智能體”的概念來自于美國科學家Atkinson 等［6］提出的actor 模型，該模型具有內在狀態且能與外界交換信息。美國麻省理工學院的Minsky［7］在Society of Mind一書中采用了“智能體”一詞，并將其定義為一個具有自治能力的軟件或硬件實體，其目的在于模仿和學習人類的行為。之后，眾多學者從人工智能視角廣泛開展了智能體研究，一般都將智能體視為對人腦的功能模擬器，通過傳感器感知環境、通過執行器作用于環境，并具備自治性、反應性、社會性、進化性、主動性、交互性、協作性等多種特性。

三是關于智能系統邊緣計算的研究。設備的智能化和工業機器人的引入促使車間產生海量數據，陳冬梅［8］認為邊緣計算在靠近用戶端的位置提供存儲、計算、網絡等基礎服務，可以就近為用戶提供邊緣位置的云計算服務。王志剛等［9］認為AI×5G的聚變效應是邊緣計算催生超異構計算架構的背景，邊緣計算解決了四代機器人發展中的許多難題。Zhang 等［10］為了減少云中的高計算量，開發了一種基于邊緣計算技術的網絡物理機床，實現遙感和實時監測雙應用。Chen 等［11］提出了一種在工業物聯網應用中實現邊緣計算的系統架構，分析了邊緣計算在物聯網制造中的作用，實驗表明，與傳統方法相比，邊緣計算的自組織任務調度機制在業務靈活性和帶寬優化方面具有明顯的優勢。Qi 等［12］提出了一種基于云計算、霧計算和邊緣計算的智能制造的層次參考體系結構，該結構有望應用于數字雙車間。Lee 等［13］提出了一個融合邊緣計算和區塊鏈技術的智能制造系統，并通過實驗發現，在智能制造中引入邊緣計算機制可以顯著提高加工時間，尤其是在任務數量較大的情況下。

四是關于機器人無人生產應用的研究。目前的無人機器人生產主要集中在煤礦等特殊領域或生產過程中的某個流程或工序，例如，林志偉等［14］開發了一套面向網絡制造的三維打印無人車間實驗平臺；李小忠等［15］利用計算機虛擬仿真技術設計了機器人上下料系統；王鵬凱［16］設計了工業機器人熱沖壓自動化生產系統；Urhal 等［17］討論了機器人輔助增材制造的概念，并介紹了機器人輔助添加劑制造系統的應用實例。

綜上所述，現有研究主要集中在對某一工序或某個步驟實現機器人無人生產的探索，缺少對無人生產模式的一般化探討。本研究將智能化無人車間視為一種整合性工業智能體，構思其結構框架，探討其建構模式，闡釋其運作邏輯，為奠定無人生產模式理論基礎提供參考。

2 智能化無人車間概念框架

2.1 概念定義

智能化無人車間系指運用人工智能技術、傳感技術、邊緣計算技術、云計算技術、物聯網技術、數字孿生技術等，對生產車間進行完全智能化改造，將過去“人+機器”二元生產模式全面升級為智能機器人一元生產模式；同時，將智能機器人連同整個生產車間都傳感、映射到網絡空間，以實現對智能機器人及生產車間的遠程鏡像監控。經過上述智能化改造，生產車間現場不再安排工人和管理人員，故稱之為智能化無人車間。

2.2 結構解析

智能化無人車間主要由車間實體、車間智能體、車間鏡像三大部分構成。

（1）車間實體指由車間及機器構成的物質體，是執行生產活動的“肌肉”“骨骼”。

（2）車間智能體指車間及機器實體通過智能傳感系統，被賦予感知和被感知能力后的智能化功能體，是指揮生產活動的神經系統。

（3）車間鏡像指車間及機器智能體通過智慧物聯網絡，在遠程網端形成的虛擬投影體，是生產活動在遠程管理后臺的數字再現。

總體上看，車間實體與車間鏡像之間互為數字孿生體，車間智能體則為車間實體與車間鏡像之間的中轉形態。

2.3 建構過程

智能化無人車間的建構包括智能化、鏡像化兩個過程。

（1）智能化。從車間實體到車間智能體的變化過程，稱之為智能化。智能化的關鍵在于對車間及機器的信息傳感，通過傳感系統賦予車間及機器智能感知的功能，從而使得車間及機器獲得像人一樣的生產活動能力。

（2）鏡像化。從車間智能體到車間鏡像的變化過程，稱之為鏡像化。鏡像化就是將車間及機器的信息映射到網絡空間，通過數字孿生技術形成車間及機器的實時動態投影，從而使得后臺管理者可以通過虛擬投影實施對車間及機器生產活動的實時遠程監視和適時人為干預。

智能化無人車間的總體結構及建構過程可形象表達如圖1 所示。其中，邊緣計算是為車間智能體提供現場算力服務的。充足的邊緣計算系統配置可以極大地減輕網絡傳輸壓力，緩解集中計算負擔，降低數據傳輸及動態響應時延。

3 車間智能體的建構

車間智能體是車間實體經過傳感系統充分智能化后所形成。車間智能體的建構，就是對車間及機器安裝充足的智能傳感系統，賦予車間及機器足夠的感知和被感知功能，使得車間及機器成為具有自主生產智能的功能體，進而實現在無人環境下自主執行生產任務。具體來說，車間智能體包括作業機器人和監視機器人兩大類。其中，作業機器人既要有自我感知功能，又要有感知生產工序的功能；而監視機器人主要是感知車間全景。下面將分別闡釋這兩大類智能體的3 種感知場景建構。

3.1 機器人自感

機器人自感是指機器人的自我感知，即通過在機器人體內嵌入眾多的傳感器，全方位采集機器人自身的各種物理狀態數據并將數據匯總到機器人的“神經中樞”，形成機器人對自我狀態的全面認知。自我感知是機器人的智能基礎，是機器智能化的重要體現。

每個機器人的所有物理狀態通過對應的傳感器感知轉化，匯總至機器人“神經中樞”，就形成機器人智能體。設車間內全部個機器人的傳感轉化矩陣為Fs：

綜合式（1）（2），機器人智能體矩陣可表示為Xs：

由于傳感器數量的有限性，以及傳感器感知過程存在的誤差，機器人與智能體之間亦存在差異。兩者之差可定義為：

一般來說，隨著傳感器種類及數量的不斷增加，以及傳感器質量的不斷改進，機器人與其智能體之間的差異將會越小越來，但卻很難消除。

3.2 生產工序感知

生產工序感知是指作業機器人感知生產工序，即通過在工序設備內部或外部嵌入眾多傳感器，全方位采集生產工序的物理狀態數據，并將這些數據匯總到機器人“神經中樞”，形成機器人對工序作業的全面感知。一般為在保證生產效率的情況下降低感知設施成本，可根據工序作業的需求優化搭配不同類別的傳感器。生產工序感知將賦予機器人獨立操作生產工序的能力，進而實現替代人力作業。

一般來說，隨著傳感器種類及數量的不斷增加，以及傳感器質量的不斷改進，生產工序與其智能體之間的差異將會越小越來，但卻很難消除。

3.3 車間全景感知

車間全景感知是指監視機器人對車間生產運行情況進行全方位整體性感知，即通過在車間關鍵節點嵌入環境傳感器，全方位采集車間環境的物理狀態數據，并匯總到監視機器人“神經中樞”，形成對車間整體狀態的全面感知。一般地，監視機器人不僅要有視、聽感知功能，還要有嗅、味、溫、壓等感知功能。監視機器人類似于監工，不直接參與生產，其數據連通遠端后臺。

每個監視機器人監視的所有物理狀態通過對應的傳感器感知轉化，匯總至監視機器人“神經中樞”，就形成車間全景智能體。設車間全景的傳感轉化矩陣為Ks：

一般來說，隨著傳感器種類及數量的不斷增加，以及傳感器質量的不斷改進，機器人與其智能體之間的差異將會越小越來，但卻很難消除。

4 車間鏡像的建構

車間鏡像是車間智能體映射到互聯網上而形成的虛擬鏡像。車間鏡像的建構就是將整個車間及機器設備全部映射到網絡空間，通過數字孿生技術形成車間及機器設備的實時動態投影，并呈現于后臺，使得管理者可以通過虛擬投影實現對車間及機器生產活動的實時遠程監視和干預。具體來說，車間鏡像包含3 類，分別是機器人鏡像、工序鏡像和車間全景鏡像。

4.1 機器人鏡像映射

4.2 工序鏡像映射

4.3 車間全景鏡像映射

5 車間無人化運作邏輯

5.1 車間整體運作邏輯

智能化無人車間由生產作業系統、邊緣計算系統和遠程監控系統三大部分構成。其中，生產作業系統由作業機器人及相關生產設備構成，主要承擔生產線上各工序的感知和操作；邊緣計算系統為生產線提供現場算力，現場支持作業機器人的工序操作決策以及工序之間的上下游協調；遠程監控系統由遠程監控平臺、監視機器人和控制機器人構成，主要承擔對車間現場狀況的實時監視，必要時對生產活動給予適當干預。智能化無人車間的整體運作邏輯參見圖2。

圖2 智能化無人車間的整體運作邏輯

5.2 生產作業系統運作

生產作業系統是智能化無人車間的軀干，其核心功能是按任務計劃和質量標準生產出合格產品。生產作業系統由個作業機器人、個生產工序以及若干生產輔助設施構成。生產輔助設施主要包括物料供應、輔助設備、車間環境等。全部生產工序及其對應的作業機器人共同構成生產線，并由作業機器人按照任務指令調用輔助設施完成生產操作，見圖3。

圖3 智能化無人車間的生產作業系統

智能化無人生產作業系統的本質是工業物聯網，即將所有的生產設備設施智能化以后接入網絡，在網絡關聯下自主運行生產線；網絡鏈接采用有線與無線相結合的方式。其中，對于空間位置相對固定的設備設施，主要采用有線鏈接方式，以獲取更高質量的數據傳輸效果；但對于需要經常移動的設備設施，則主要采用無線鏈接方式，以獲取更加靈活機動的數據傳輸效果。

5.3 邊緣計算系統運作

邊緣計算系統是智能化無人車間的大腦，其核心功能是為生產活動提供現場算力，支持作業機器人進行生產工序決策和輔助設施調用，以及各工序之間的上下游協調。采用邊緣計算系統的優點是可以節省海量數據長途傳輸流量，實現更加貼近生產現場的無時延、無堵塞計算。根據功能差異，可以將邊緣計算系統劃分為作業機器人邊緣計算系統和生產線協同邊緣計算系統。作業機器人邊緣計算系統主要支持作業機器人的生產工序決策和輔助設施調用；生產線協同邊緣計算系統主要支持工序間協調。如圖4 所示。

圖4 智能化無人車間邊緣計算系統的功能類型劃分

生產工序決策過程，就是將單個工序的生產數據，包括生產工藝數據、設備狀態數據、物料供應數據、生產環境數據、產品信息數據、質量檢驗數據、生產進度數據、故障發生數據等，由作業機器人傳向作業機器人邊緣計算系統，經過實時計算處理后再傳回作業機器人，作業機器人據此采取相應的生產行動。如圖5 所示。

圖5 智能化無人車間生產工序決策過程

輔助設施調用過程，就是將作業機器人對生產輔助設施的需求數據傳輸到作業機器人邊緣計算系統進行現場運算，并經生產線協同邊緣計算系統的統籌計算，完成輔助設施的分配調用。如圖6 所示。

圖6 智能化無人車間輔助設施調用過程

工序間協調過程，就是將生產線上所有工序的實時狀態數據傳輸到生產線協同邊緣計算系統，由生產線協同邊緣計算系統進行工序之間的上下游進度匹配分析，并及時調節各工序的操作進度，確保工序之間生產節拍的高度一致；當遇到協調困難時，可以請求遠程監控平臺的及時干預。如圖7 所示。

圖7 智能化無人車間工序間協調過程

5.4 遠程監控系統運作

遠程監控系統是智能化無人車間的外腦，其核心功能是實時監視車間場景，并在必要時對生產過程實施適當的外部干預。其中，對車間場景的實時監視，主要是通過監視機器人來執行；對生產過程的外部干預，主要是通過控制機器人來執行；遠程監控平臺則是作為后臺中樞，接收并顯示車間虛擬鏡像，包括機器人鏡像、生產工序鏡像和車間全景鏡像。遠程監控系統的外部干預主要是針對作業機器人和邊緣計算系統難以解決的非程序化突發狀況或者技術故障，具體干預措施包括預警、糾錯、停機、檢修、重啟等。如圖8 所示。

圖8 智能無人車間場景的遠程監控

6 結論

本研究針對正在到來的智能制造時代需求，基于工業物聯網、邊緣計算、數字孿生等新興信息技術，引入“車間智能體”和“車間鏡像”概念，探討了智能化無人車間的智能化和鏡像化建構模式；將智能化無人車間分解為生產作業系統、邊緣計算系統和遠程監控系統，闡釋了智能化無人車間的運作邏輯。主要研究結論如下：

（1）隨著工業物聯網技術的普及應用，未來的智能制造就是在車間作業現場以智能機器人完全取代人力，智能化無人車間將成為制造行業的標配。

（2）智能化無人車間就是對生產車間進行完全智能化改造，將“人+機器”二元生產模式升級為智能機器人一元生產模式，并在網絡空間形成生產車間的遠程鏡像孿生體。

（3）智能化無人車間可分解為車間實體、車間智能體、車間鏡像三大部分，三大部分之間的轉化包含智能化和鏡像化兩個過程。

（4）智能化包括機器人自感、生產工序感知和車間全景感知；鏡像化包括機器人鏡像映射、工序鏡像映射和車間全景鏡像映射。限于技術水平和隨機干擾，智能化和鏡像化兩個轉換過程皆存在一定誤差。

（5）智能化無人車間的運作架構由生產作業系統、邊緣計算系統和遠程監控系統構成，其中生產作業系統是執行軀干、邊緣計算系統是決策中樞、遠程監控系統是應急外腦，三者密切配合共同實現車間運作。

科學建構智能化無人車間，理清其運作邏輯，有助于推進制造業的智能化轉型，進而快速搶占智能制造的戰略先機。