車間智能制造CPS智能服務平臺技術研究

傅磊，曲曉峰

（哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

信息物理系統（Cyber-Physical System, CPS）是感知、計算、通信、控制等技術深度融合的產物，隨著信息技術的快速發展被廣泛應用于工業過程、智能電網、智能交通、航空航天等眾多領域，其理論與應用技術成為眾多專家和學者研究的熱點領域之一[1-6]，同時也成為許多國家的戰略研究重點。隨著智能制造技術的發展，信息物理系統建設成為企業智能制造系統建設的核心內容和基礎，眾多文獻對基于信息物理系統的智能制造進行了廣泛而深入的研究。例如針對智能工廠建設，研究了信息物理系統設計和實現的相關技術[7]。基于CPS的體系結構，提出了一種智能制造系統的功能體系架構[8]，基于CPS設計和實現了智能制造單元監測系統[9]，基于CPS模型結構，進行智能工廠的復合通信技術的研究[10]，基于CPS進行制造單元和過程的管控策略以及系統設計和實現研究[11-12]。

本文首先對信息物理系統的機理和構成進行了論述，之后基于智能制造車間建設的層次組織結構和功能需求，從信息物理系統建設角度，給出了一種智能制造車間信息物理系統智能服務平臺的技術框架，并對平臺實現技術進行了研究。旨在通過信息物理系統智能服務平臺的建設，構建車間統一的感知、計算、通信、控制一體化服務平臺，為車間智能制造系統建設奠定基礎。

1 信息物理系統概述

CPS是由信息單元和物理單元通過通信網絡構成的閉環系統，藉此實現狀態感知、實時分析、科學決策和精準執行的閉環數據自動流動。理論上CPS包含單元級CPS、系統級CPS，以及系統之系統級CPS三個層次，單元級CPS是構成CPS的最小閉環系統，由單元級CPS向上聚合構成系統級CPS，由系統級CPS向上聚合構成系統之系統級CPS[13-14]，以下對單元級、系統級、系統之系統級CPS的機理及特征做簡要論述。

單元級CPS由信息單元、物理單元、感知模塊、執行模塊、目標期望、初始化模塊、關聯資源模塊構成閉環系統，其中信息單元是物理單元的本體特征信息描述，例如幾何、物理、行為、規則等特征，同時包含滿足物理單元感知和控制需求的功能信息描述。感知模塊用于感知物理單元的狀態，執行模塊用于控制物理單元的行為，目標期望是指對物理單元的期望響應，初始化模塊用于CPS的運行初始化，關聯資源是CPS維持運行并實現期望目標所需的各種資源。CPS運行時，信息單元根據目標期望進行初始化，調取關聯資源，感知、獲取并分析物理單元的狀態，將控制指令發送給物理單元，使物理單元產生期望的響應或者行為。

系統級CPS由多個單元級CPS通過CPS網絡構成，每個單元級CPS可以單獨完成系統級CPS的特定任務，同時多個單元級CPS也可以通過調度協同，共同完成系統級CPS的目標任務，系統級CPS的總體目標是實現多個單元級CPS的協同運行，以及比單元級CPS范圍更廣的閉環數據自動流動。

系統之系統級CPS是在多個系統級CPS通過CPS網絡互聯的基礎上，通過CPS智能服務平臺實現多個系統級CPS的協同運行。每個系統級CPS在單獨完成系統之系統級CPS的特定任務的基礎上，通過CPS智能服務平臺的協同和調度，共同完成系統之系統級CPS的目標任務。CPS智能服務平臺同時實現對眾多系統級CPS的統一監測、數據分析、集中管理和監督控制，其目的是實現比系統級CPS范圍更廣的閉環數據自動流動。構成系統之系統級CPS的各個系統級CPS可以是同構系統，也可以是異構系統，通過系統之系統級CPS實現系統間的互聯互通。由于車間智能制造系統建設的本質上是實現車間設備和系統集成，因此系統之系統級CPS的構成理念為車間智能制造系統建設提供了一種解決途徑。

2 車間層次組織結構

根據與制造企業生產活動相關的組織結構可以將企業內部層次組織結構劃分為設備層、單元層、車間層、企業層和協同層[15]。本文重點研究車間層面CPS智能服務平臺的建設問題，從覆蓋的層級看，車間的層次組織結構包括設備層、單元層和車間層3個層次。其中設備層是指車間的傳感器、執行器、儀器儀表和人員、物料、工裝、環境管控裝置所在的層級，從信息物理系統的角度看，主要是指用于實現車間CPS物理單元并提供滿足CPS物理單元感知和執行功能需求的設備和系統。單元層是指車間內用于處理信息和數據，并提供狀態監測和控制執行的物理設備和系統所在的層級，通常包括采集、監測、控制設備和系統，例如監督控制和采集系統（SCADA）、模擬控制系統（MCS）、可編程邏輯控制系統（PLC）、分布式控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS）等。車間層是指車間內用于實現生產過程和設備管理，并向上與企業層和協同層進行信息和數據交互的設備和系統，通常包括產品生命周期管理系統（PLM）、企業資源計劃系統（ERP）、制造執行系統（MES）、倉儲管理系統（WMS）、物流管理系統（LMS）等。因此，車間CPS智能服務平臺建設需要實現設備層、單元層和車間層設備和系統的監督、管理、控制，為車間智能制造系統提供統一的一體化管控平臺。

3 車間CPS智能服務平臺技術架構

車間CPS智能服務平臺建立在車間信息物理系統建設的基礎之上，車間信息物理系統的建設可以根據車間層次組織結構從設備層、單元層、車間層3個層面進行，根據每個層面所包含的設備和系統，分別建立對應的單元級CPS信息單元或者系統級CPS信息系統，在此基礎上通過車間CPS智能服務平臺實現統一的監測、調度、配置、診斷、預警、分析、協調、控制等，進而建立車間總體層面的系統之系統級CPS，以此實現車間以CPS為核心的智能制造系統建設。從技術的角度來說，車間信息物理系統需要兼顧車間內種類繁多的通信協議、計算設備、軟硬件系統、異構網絡等計算、通信、控制資源要素，同時要兼顧到各種類型和格式的信息、數據，以及要滿足車間海量信息和數據的要求，因此車間CPS智能服務平臺既是車間的智能制造信息物理系統一體化管控平臺，同時又兼具車間工業互聯網平臺、車間工業大數據平臺、車間物聯網平臺的角色。綜合上述因素，本文提出了一種智能制造車間CPS智能服務平臺技術架構實現方案，所提出的車間CPS智能服務平臺由下向上包括信息接入層、信息管理層、平臺服務層、應用展示層等4個層次，如圖1所示。

圖1 車間智能制造CPS智能服務平臺技術架構

信息接入層負責車間各層次設備和系統CPS信息單元和系統的信息接入，信息接入層包括設備層CPS信息接入、單元層CPS信息接入、車間層CPS信息接入3個組成部分。信息接入模塊使用物聯網系統建設主流的MQTT通信協議[16-17]，在信息接入前通過接入安全認證，例如HTTPS，保證接入信息的安全性。感知功能模塊通過MQTT服務器的訂閱方式實現，執行模塊功能通過MQTT服務器的發布方式實現，分別用于CPS信息單元和系統的數據接入和控制指令的執行，以此實現CPS的閉環數據流動。MQTT服務器可以使用目前最成熟、最流行的ActiveMQ消息隊列服務系統，適用于多種物聯網設備之間的消息交互，同時支持多種編程語言、高可用集群設計、SSL通信等功能。在MQTT服務器之上使用持久性實時緩沖隊列，用于海量數據的緩沖、臨時存儲，以及實時數據的可視化監測，例如可采用Kafka消息隊列[18-19]，其具備高吞吐量、低延遲特性，能夠實時處理海量數據，支持集群部署、數據持久化、高并發消息處理等功能，同時通過數據緩沖，能夠提高上層系統接口的并發能力，提高峰值處理能力，保持各功能子系統的獨立性以及應用開發的靈活性。在信息接入層，車間各層次CPS信息接入后統一經信息處理模塊進行處理，通常包括數據解析、數據清洗、數據融合等功能，數據解析負責將各種類型的數據轉化為平臺統一標準類型的數據，數據清洗負責處理重復、錯誤、殘缺的數據，數據融合負責對設備層、單元層、車間層的數據進行融合，為信息管理層、平臺服務層、應用展示層提供符合應用要求的數據形式。

信息管理層負責車間各層次設備和系統CPS信息單元和系統的海量數據存儲和管理。基于車間數據的復雜性考慮，信息管理層由實時緩沖數據庫、關系型數據庫、非關系型數據庫、歷史數據庫構成異構數據管理系統。其中實時緩沖數據庫作為信息管理系統的入口，用于外部海量數據高速存儲并滿足實時性需要，例如可采用redis數據庫系統[20]，其支持大量數據高速處理，能夠滿足較高的實時性要求，可存儲結構化和非結構化數據，滿足車間數據類型多樣性需求。一方面可以直接實現數據的實時查詢，供外部客戶端使用，另一方面對于需要持久化存儲的數據（包括經過處理、轉換、運算的數據），可以根據具體的應用需求和數據類型不同存儲到關系型數據庫或者非關系型數據庫。其中關系型數據庫可采用Mysql數據庫[21]，非關系型數據庫可采用MongDB數據庫[22]。Mysql數據庫存儲關系型數據，包括具有復雜查詢需求的數據或者存儲數據的元數據等。MongoDB數據庫存儲非關系型數據，通常是具有高速、實時性需求的數據。本框架中，Mysql數據庫和MongoDB均用于實時數據存儲管理，滿足平臺服務層應用服務的實時查詢需求。信息管理層還包括歷史數據庫，針對具有大數據特征的車間數據，可采用HBase數據庫系統存儲歷史數據[23]。車間大數據挖掘和分析模塊是指支持數據挖掘和大數據分析的組件或軟件，例如Hive、Spark等，針對HBase數據庫的海量數據，實現數據挖掘和大數據分析，為平臺服務層和應用展示層提供分析和決策數據支持。

平臺服務層負責車間各層次設備和系統CPS信息單元和系統的應用服務化，將各層次設備和系統的CPS信息單元或系統應用以服務的形式實現，包括設備層CPS信息系統應用服務、單元層CPS信息系統應用服務、車間層CPS信息系統應用服務，以及CPS信息系統管理應用服務。其中設備層CPS信息系統應用服務包含人員、物料、環境、儀器儀表、工裝等CPS信息系統子服務，單元層CPS信息系統應用服務包含SCADA、MCS、DCS、PLC、FCS等CPS信息系統子服務，車間層CPS信息系統應用服務包含PLM、ERP、MES、WMS、LMS等CPS信息系統子服務。設備層、單元層、車間層CPS信息單元或系統應用服務根據平臺功能要求，可以包含車間各層次CPS信息單元或系統的全部信息和功能描述，也可以是CPS信息單元或系統的部分信息和功能描述，同時還可以是相互關聯的多個CPS信息單元和系統信息和功能描述的集合。CPS信息系統管理應用服務包括平臺所有CPS信息系統的監測、調度、配置、診斷、分析等子服務，用于平臺所有CPS信息系統應用服務的統一協調和管理，使平臺各層次CPS信息系統獨立或共同完成系統之系統級CPS的目標任務。各CPS信息系統應用服務向下通過信息訪問接口實現對信息管理層的訪問，向上通過應用程序接口為應用展示層提供信息和數據，通常信息訪問接口和應用程序接口使用API網關技術實現，例如REST API等。平臺服務層通常可使用微服務架構實現，例如Docker[24-25]。微服務架構具有靈活的設計模式，根據不同的業務要求，不同的子服務可以采用不同的設計方案，系統不會特別局限于某一固定架構或者特定的開發語言，通過微服務運行環境的配置，可以支持C++、C#、Java、Python等多種主流開發語言，各子服務需要改動升級時，不會對整體的架構產生顯著的影響，當服務需要增加或減少子服務時，可以獨立進行部署，不會影響到其他子服務，從而降低技術風險，提高部署效率，縮短實施周期。

應用展示層負責設備層、單元層、車間層CPS信息系統應用監測和控制的可視化交互操作和展示，以及CPS信息系統管理應用監測和控制的可視化交互操作和展示。通常應用展示層可采用基于WEB的可視化開發技術，例如Vue WEB技術框架，支持單頁面應用程序開發，可用于WEB應用開發框架，簡化WEB開發流程，同時提供數據組件綁定功能，具備簡單靈活的應用程序接口。此外，適用于WEB可視化開發的框架還有React、AngularJS等，在實際工程應用中可根據具體的不同需求選擇適合的技術開發框架。

4 結語

本文給出了基于信息物理系統的智能制造車間CPS智能服務平臺的技術框架解決方案。隨著信息物理系統、工業互聯網、工業大數據技術在工業制造領域日益廣泛的應用，智能制造理論與技術的研究將取得前所未有的成就，信息技術與先進制造技術將繼續深入地融合發展，智能制造將成為全球制造業不可逆轉的發展趨勢，最限度地發揮信息技術和先進制造技術的優勢互補能力，在互聯網時代重新振興制造業，對于國家乃至世界制造業的未來發展都將是一個值得重點研究和探索的課題。