基于工業互聯網的智能化加工實驗平臺設計

孫詩華， 石曉東， 孫 軍

（1.中國工業互聯網研究院遼寧分院， 遼寧 沈陽 113012； 2.沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

伴隨著工業互聯網、云計算、工業大數據、工業網絡安全、知識工作自動化、人工智能、虛擬現實技術等高新技術的日益成熟， 各大工業強國的制造產業智能化水平逐步提高。為了搶占智能制造市場，布局新型工業發展藍圖，各國紛紛提出了智能制造戰略計劃。

工業互聯網是新一代網絡信息技術與制造業深度融合的產物，是實現產業數字化、網絡化、智能化發展的重要基礎設施，通過對人、機、物的全面互聯，全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面鏈接，推動形成全新的工業生產制造和服務體系。 它在工業系統與互聯網技術融合的基礎上又連接了5G 技術、人工智能、邊緣計算、區塊鏈與云計算等新一代的信息科學技術。

工業互聯網平臺是面向制造業數字化、網絡化、智能化需求，構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的載體，是工業互聯網技術的應用對象， 它通過發揮平臺的集聚效應，實現了對整個工業進程的所有數據的采集、共享和協同優化，促成了一種新的工業生產體系架構[1]。 工業互聯網平臺向下連接海量設備， 自身承載工業經驗與知識模型，向上對接工業優化應用，是工業全要素鏈接的樞紐，促進了工業全要素、全產業鏈和全價值鏈的改革[2]。 工業互聯網平臺能夠憑借先進的計算架構和高性能的云計算基礎設施，釋放云計算平臺的巨大能量，加快以數據為驅動的網絡化、智能化進程，推動工業產業的技術革新、模式更新和效益突破[3]。

工業互聯網既是國家實現工業經濟智能化、網絡化、高質量化發展的關鍵， 也是全球新一輪科技和產業革命的新動力[4]。

盡管我國工業互聯網開局良好， 但產業基礎并不牢固，工業互聯網的規模化應用仍面臨較高壁壘，在一些領域探索出的融合應用新模式還只是起步階段， 建立并鞏固優勢的任務十分艱巨。要實現支撐建設制造強國、網絡強國的戰略目標和全面支撐經濟社會發展的長期愿景，仍然面臨著艱巨的挑戰。因此，我們還需要加強對于工業互聯網核心技術的研發與應用。

1 基于工業互聯網的智能化加工實驗平臺設計

工業互聯網技術作為實現智能制造、 打造智能制造系統的核心技術， 目前已經成為國際上制造業的重點科研攻關對象。 因為智能制造的核心概念是數字—物理系統，Cyber—Physical System（CPS）即，數字世界與物理世界的深度融合； 智能制造系統是為了實現特定的價值創造目標，由相關的人、信息以及物理系統有機組成的綜合智能系統，即人—信息—物理系統：Human—Cyber—Physical System（HCPS），所以作為連接各個要素的關鍵技術，可以說誰掌握了工業互聯網技術， 誰就掌握了制造業產業智能化的核心。 首先，Zhang 等[5]提出了一種工業互聯網平臺的通用構建模型、參考架構、服務指標體系、實現路徑以及應用驗證方案；張超等[6]又基于數字孿生技術提出了制造單元多維多尺度建模與邊——云協同配置方法。本文由此啟發，提出了一種基于工業互聯網的智能化加工實驗平臺架構，該架構從維度上可以形式化定義為：

IIP=I+I+P （1）

如圖1 所示，IIP 表示工業互聯網平臺（Industrial Internet platform），第一個I 表示工業（Industrial），第二個I表示互聯網（Internet），P 表示平臺（Platform）。

圖1 智能化加工實驗平臺架構維度上的形式化定義

其中，工業維度（I）包含了產業的重點實施領域，這些領域具備先進的制造水平[7]。 這些重點領域包括新能源汽車、海洋工程裝備、航空航天裝備、生物醫藥行業、電力設備等。

互聯網維度（I）是從網絡的角度分析工業互聯網平臺的要素、數據流、管理、應用和實現[8]。 這個維度包括：工控網絡層、網絡數據服務層、網絡功能應用層、網絡生態運營層等。工控網絡層是基于傳感器的設備控制網絡[9]，包括設備層、傳感層和網絡層。 網絡數據服務層是指數據處理的過程，包括數據訪問、數據存儲和數據分析[10]。 網絡功能應用層是指各種網絡分析服務，包括：分析服務、集成應用，服務系統。 網絡生態運營層是指網絡的運營管理和創新。

平臺維度（P）是從實施平臺的角度分析工業互聯網平臺的要素、層級和實施過程。包含：邊緣與數據獲取、工業基礎設施服務、工業平臺服務、工業應用。 邊緣和數據采集是指從邊緣設備獲取工業數據， 并支持系統存儲和數據流動[11]。工業基礎設施服務是指云端基礎設施和云平臺的建設[12]。 工業平臺服務是構建平臺的資源、工具和功能組件庫，包括平臺資源部署與管理、工業大數據系統、工業數據建模與分析、應用開發工具等[13]。 工業應用是指通過平臺接入的為其開發不同功能的APP 軟件，包括業務運營服務APP 和應用創新APP。

同時，該架構還可以融合數字孿生技術，從空間的角度形式化定義為：

其中的各個英文縮寫分別表示：SG：智能網關（Smart Gateway）；PS：物 理 空 間（Physical Space）；DS：數 據 空 間（Data Space）；VS：虛擬空間（Virtual Space）；SS：業務交互空間（Social Space）；SMD：智能制造設備（Smart Manufacturing Device）；SN：傳感網絡（Smart Network）。

式中：IIP（V，E） 表示融合數字孿生技術建立的工業互聯網平臺，V 表示SMD 網絡的節點，E 表示連接SMD網絡節點并且支持其進行數據交互和工業通信的通道，由SN 組成。工業互聯網連接的設備通過SG 實現PS、DS、VS 和SS 間的數據共享和工業通信，見圖2。

圖2 智能化加工實驗平臺架構空間上的形式化定義

物理空間（PS）是執行工作任務的真實空間，該空間內人、機、物等要素協同配合以達成任務目標。 同時，該空間還可以利用傳感器來實時監控空間內的各個設備的實時的工作情況， 并通過智能網關實現實時運行數據的上傳及控制指令的下達。

數據空間（DS）是負責對各種各樣的實時數據的采集、處理和傳輸的空間， 該空間采用適配器將物理空間中的傳感器所采集到的設備實時工作狀態數據進行快速接入，并存入數據庫當中，之后再通過邊緣計算層和云計算層對這些數據分別進行處理。

虛擬空間（VS）是集成了對物理空間保持高度保真的虛擬孿生模型的空間，在此空間中，虛擬孿生模型通過歷史數據和實時數據真實展現物理空間中的工作過程，并且可以通過數據空間所傳輸過來的實時數據進行同步仿真，為執行工作任務智能決策提供載體，并且提供可視化窗口，方便業務交互空間制定新任務。

業務交互空間（SS）是工業互聯網平臺與外部客戶交互的橋梁，可以接收客戶的個性化服務需求，并將指令先傳輸到虛擬空間，讓虛擬空間先進行仿真驗證，驗證成功后再將指令下達到物理空間中的各個設備。

2 實際應用分析

基于本文所提出的智能化加工實驗平臺架構， 建立了基于工業互聯網的激光雕刻智能化加工實驗平臺，該實驗平臺的場地布置由原料倉儲單元、加工單元、成品倉儲單元三個單元外加上一塊43 寸落地大屏構成， 見圖3。 每個單元均可獨立運行。 提供不同種類的雕刻材料可供選擇，每種材料提供多種雕刻樣式可供用戶選擇。

圖3 激光雕刻智能化加工實驗平臺布局圖

該智能化加工實驗平臺的架構模型見圖4， 由物理空間、數據空間、虛擬空間和業務交互空間組成。 物理空間包含了原料倉儲單元、 加工單元和成品倉儲單元三個單元。 其中，原料倉儲單元是整個實驗平臺的原料庫，單元當中的視覺檢測系統實時監控原材料數量， 當缺少原材料時發送警報。送來的原料通過該系統自動檢測，并根據倉儲能力自動選擇入庫或是退回原料。 加工單元是整個實驗平臺的主要工作單元， 單元中的協作機器人根據用戶訂單從原料倉儲單元抓取原料， 放置在激光雕刻機指定位置上進行雕刻， 雕刻完成后機器人將其送至視覺檢測工位進行檢測， 若雕刻質量不滿足要求將其放到廢品區重新取料進行雕刻。若雕刻質量滿足要求，由機器人將其送到加工區輸送線上，流入成品倉儲單元。成品倉儲的單元是平臺的成品庫， 單元中的視覺檢測系統實時監控空余倉儲位置和數量，缺少位置時發送警報。流到成品倉儲單元的產品通過視覺檢測確定類別， 并通過機器手將其裝入不同的收納箱內。數據空間區別于物理空間，是一個抽象的空間， 它包括由視覺傳感器所組成的視覺檢測系統、實時數據庫、邊緣計算層和云計算層。 視覺檢測系統利用傳感器設備監控三個單元的實時狀態， 將原料倉儲單元的原材料的實時數量、 加工單元的實時加工進程以及成品倉儲單元的空余倉儲實時位置和數量集中采集起來，并存儲到實時數據庫當中，同時，邊緣計算層和云計算層開始分工分析計算這些實時數據， 之后將分析計算后的結果傳輸到現場配備的43 寸落地式觸摸大屏上顯示。 而工作人員可以借此來對設備進行及時的適當調試，以便安全高效的完成工作任務。 其中，邊緣計算層負責分析計算原材料的實時數量， 一旦原材料數量少于一定數量時將在大屏上發出警告提示； 而云計算層負責分析計算加工單元的實時加工進程以及成品倉儲單元的空余倉儲實時位置和數量， 并同樣將其傳輸到大屏上做以展現。 虛擬空間通過三維建模以及與數據空間的數據傳輸， 將整個物理空間的所有設備及其工作狀態進行真實的展現，該空間是物理空間的真實映射。工作人員和參觀人員可以只憑借觀看大屏便可以實時的掌握整個智能化加工實驗平臺的工作狀態， 同時還可以通過大屏來進行業務交互，快速便捷地發布任務。

圖4 激光雕刻智能化加工實驗平臺架構模型圖

該智能化加工實驗平臺的硬件配置見圖5，整個實驗平臺由云計算層、 邊緣計算層、 傳感網絡層和設備層組成。 其中，設備層包括了上述的三個單元中的全部設備， 由視覺傳感器來監控各個設備的工作狀態，再將所監控、記錄的數據通過無線網絡和智能網關傳輸到邊緣計算服務器和云計算服務器當中來進行后續計算。

圖5 激光雕刻智能化加工實驗平臺硬件配置圖

通過對該智能化加工實驗平臺的工作情況的跟進，驗證了本文所提出的智能化加工實驗平臺架構是可行的、可靠的且是智能化的。該架構提高了加工制造任務的工作效率與安全性，對各類智能化產線具有借鑒意義。

3 結論

（1） 本文從維度和空間的角度提出了一種基于工業互聯網的智能化加工實驗平臺架構， 該架構通過工業互聯網技術實現多空間的信息交互， 完成了對實際設備的實時監控，賦予了加工實驗平臺智能化屬性，提高了生產效率與安全性。

（2）基于本文所提出的智能化加工實驗平臺架構，建立了基于工業互聯網的激光雕刻智能化加工實驗平臺，通過對該實驗平臺的運行工作情況監控， 驗證了本文所提出的加工實驗平臺架構的可行性、安全性和智能性。