人机一体化智能系统体系架构与工业互联网应用浅析

  导读：对德国工业4.0、中国制造2025等国内外智能制造的主要概念与发展的新趋势进行分析，并对人机一体化智能系统的典型应用场景、主要需求及体系架构做多元化的分析，结合物联网、云计算和大数据等技术，提出面向人机一体化智能系统的工业互联网整体架构与关键技术、工业智能网络、工业数据采集与数据开放等应用技术。

  近年来，随着“工业4.0”概念的诞生，其热潮也日益增强。有业内的人表示，中国工业互联网产业体系正在形成，工业、互联网、信息通信等行业企业和行业协会、高校级科研院所等正共同探索工业互联网领域新的应用模式，推动形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等。

  工业4.0已上升为德国的国家战略。工业4.0的目标是通过充分的利用信息通信技术和互联网空间虚拟系统、信息物理系统相结合的手段，推动制造业向智能化转型，将实体物理世界与虚拟网络世界融合、产品全生命周期、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务新生产模式。

  美国的互联网以及ICT巨头与传统制造业领导厂商携手推出“工业互联网”概念，GE、思科、IBM、AT&T、英特尔等80多家企业成立了工业互联网联盟（IIC）。“工业互联网”希望借助网络和数据的力量提升整个工业的价值创造能力，工业互联网旨在通过制定通用标准，打破技术壁垒，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。

  2016年3月，工业4.0平台和工业互联网联盟双方代表开始探讨合作事宜。双方就各自推出的参考架构RAMI4.0和IIRA的互补性达成共识，形成了初始映射图，以显示两种模型元素之间的直接关系；制定了未来确保互操作性的一个清晰路线图，其他还包括：在IIC试验台和工业4.0试验设施方面的合作，以及工业互联网中标准化、架构和业务成果方面的合作。

  我国将工业互联网定位于国家战略高度。2015年国务院和工业与信息化部先后出台了《中国制造2025》、《国务院关于积极地推进“互联网＋”行动的指导意见》、《工业与信息化部关于贯彻落实国务院关于积极地推进“互联网+”行动的指导意见的行动计划（2015-2018年）》等一系列指导性文件，部署全方面推进实施制造强国战略，2016年政府工作报告中进一步提出要深入推动“中国制造+互联网”。

  《中国制造2025》明白准确地提出通过政府引导、整合资源，实施国家制造业创新中心建设、人机一体化智能系统、工业强基、绿色制造、高端装备创新5项重大工程，实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破，提升我国制造业的整体竞争力。

  智慧工厂概念首先由美国ARC顾问集团提出，智慧工厂实现了数字化产品设计、数字化产品制造、数字化管理生产的全部过程和业务流程，及综合集成优化的过程，可以用工程技术、生产制造、供应链三个维度描述智慧工厂模型。智慧工厂模型如图1所示。

  信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）是智慧工厂的核心，它深层次地融合了3C（计算、通信和控制）能力，在对物理设施深度感知的基础上，构建安全、可靠、高效、实时的工程系统。通过计算进程和物理进程实时相互反馈循环，实现信息世界和物理世界的完全融合，从而改变人类构建工程物理系统的方式。

  智能制造体系由复杂的系统组成，其复杂性一方面来自智能机器的计算机理，另一方面则来自智能制造网络的形态。工业4.0给出的一种智能制造体系框架如图2所示，主要由信息物理系统、物联网、服务互联网、智慧工厂等组成。物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础，在典型的工厂控制管理系统和管理系统信息集成的三层架构的基础上，充分的利用正在快速地发展的物联网技术和服务网技术。

  ● 与制造生产设备和生产线控制、调度、排产等相关的MES（制造执行系统）、PCS（过程控制管理系统）功能，通过CPS物理信息系统实现，这一层与工业物联网紧紧相连。

  ● 与生产计划、物流、能源和经营相关的ERP、SCR、CRM等，和产品设计技术相关的PLM处在最上层，与服务网紧紧相连。

  ● 从制成品形成和产品生命周期服务的维度，智慧工厂还需要和智慧产品的原材料供应、智慧产品的售后服务这些环节构成实时相互连通的信息交换。

  ● 而具有智慧的原材料供应和智慧产品的售后服务，具有充分的利用服务网和物联网的功能。

  制造行业的生产流程和产业链都很复杂，以下重点分析智能制造技术典型应用场景、智能制造网络通信特点和需求、智能制造信息化应用升级需求等。

  主要指跨域的多工厂之间的网络通信和应用，典型应用场景包括多工厂之间的广域网络访问和通信、协同设计、供应链协作、与客户互动、多厂间物流等。

  主要指工厂的生产管理和办公管理应用，典型应用场景包括企业OA、ERP、CRM、MES等应用系统，以及移动办公/管理应用、安全管理应用（视频监控和巡检等）、节能管理、集群通信、厂区内智能物料配送和运输等。

  主要指生产线现场的生产的全部过程管理、现场监控和控制等，包括智能工厂生产的全部过程的数据采集及分析，实现生产的全部过程、设备、资源监控的可操作和可视化；要能支持采集不同现场设备数据的要求，支持将生产数据及设备故障信息数据显示在监控站的屏幕上，实现生产的全部过程的动态监控与管理；实现智能设备、机器人和生产线、用户全流程互联对话，实现人机、机机互联下的高品质、高效、柔性自动化生产等。

  智能制造网络通信必须适应恶劣的工业现场环境，具有比较强的抗干扰的能力、实时通信等特点，为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，确保整个工业控制管理系统的性能。

  制造企业传统基础网络部署模式为以太局域网+Wi-Fi覆盖，存在一些局限性。

  ● 带宽不足，成为人机一体化智能系统的瓶颈。随着联网在线设备的骤增、数据采集率的提升、承载业务的多样化，对网络带宽提出了很高的要求。

  面、网络信号不稳定、安全性不能得到保障等不足。智能制造要求将企业的生产的全部过程控制、运行、管理、办公统一控制与管理，办公网络和生产网络既安全逻辑隔离又有机融合互联，对工厂的网络通信提出了新要求。

  带宽弹性扩容：多种高带宽接入能力，动态调整。多层次开放：灵活应对接入方式、接入地点、接入终端多变性。

  有线、无线一体化的调度通信功能：支持工业控制网络的多种通信接口（如RS232、RS485、CAN总线等）。

  具有良好的响应实时性：工业控制网络不仅要求传输速度快，而且要求响应快，即响应实时性要好，一般为ms至0.1s级别。

  容错性要求：在网络局部链路发生故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路。

  OA、ERP、SCR、CRM等信息化应用需求外，还提出了生产现场管理、过程可视化、客户互动、个性化定制等很多新的信息化应用需求。

  生产过程可视化管理需求：支持智能生产管理的精益管理、可视化管理、实时管理、柔性生产等需求。

  移动应用需求：支持移动办公和移动管理应用，实现管理人员在生产一线现场办公/管理（使用平板电脑和智能手机等移动终端）。

  工业云需求：支持远程协同设计、远程供应链协作、客户互动等应用场景，并能够支持IT系统云化功能。

  工业大数据需求：通过采集现有工厂设计、工艺、制造、管理、监测、物流等环节的数据，实现生产的智能管理与决策分析后市场服务需求：制造业整体上需要拓展后市场服务作为新业务增长点，如产品远程诊断和维护、客户360°交互、向电子商务转型等。

  基于云计算、物联网、互联网等技术构建工业互联网整体架构，实现生产设备、智能产品、生产和物流系统、IT系统、生产和服务人员、供应链/合作伙伴及客户之间的有机互联，以及网络协同（协同设计、协同制造、供应链协同等）和工业数据采集、数据分析、数据开放等功能。工业互联网整体架构如图3所示。

  工业智能网络：一是，工业通信网络，将公司制作过程控制、运行、管理作为一个整体进行控制与管理，促进信息化和工业化深度融合；二是，LTE园区网，实现园区内4G无线接入业务数据本地分流，园区外通过VPN完成企业数据分离；三是，物联网，实现智能设备和智能产品的数据采集、远程监控服务。

  工业大数据采集与数据分析：通过对生产设备和智能产品的数据采集，将生产、产品使用过程中的工艺、物料、制造、管理、服务等全流程数据进行数据分析，实现生产智能管理与决策分析、产品智能服务和维护，及为智能制造企业和应用开发商提供数据开放服务。

  工业云：通过设计协同、制造协同、供应链协同、服务协同等，实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同企业间的信息共享和业务协同。

  生产智能化网络主要是指智能工厂车间级工业通信网络，实现智能工厂内部整套装备系统、生产线、设施与移动操作终端泛在互联，车间互联和信息安全保障。构建智能工厂车间的全周期信息数据链，促进机器之间、机器与控制平台之间的实时连接和智能交互。

  工业PON将企业生产的全部过程的控制、运行、管理作为一个整体来控制与管理，促进信息化和工业化深层次地融合，工业PON的特点和优势如下。

  ● 用于智能车间设备承载：用于车间的各类固定生产设备联网，有效解决不同接口、不同协议的设备互联和统一数据采集及控制。

  ● 提升网络车间生产线已有信息化网络，辅助设备及业务需要扩充网络容量，快速改造升级老网络，节省投资。

  ● 多业务承载能力强：可方便叠加Wi-Fi、微基站，开通企业调度电话、园区LTE网络。

  ● 多业务应用和安全需要，如“能源管理”、“视频安防”、“移动办公”、“移动MES”、“无线AGV”等业务部署，需要对多种应用进行网络安全隔离（物理及逻辑双重）。

  ● 工业PON无源设备和扁平结构，具有部署方便、组网灵活、易于扩展和高可靠性等特点。

  LTE园区网络方案是一种LIPA（Local IP Access，本地IP接入）技术，即工业园区基站HeNB将数据流量接入（卸载）到工业企业网络，实现LTE工业园区内与园区外4G无线接入通过移动VPDN完成企业数据分离，LTE园区网络方案具有以下特点和优势。

  智能产品运行监控分析技术，通过物联网和车联网向制造企业提供针对产品（如汽车、工程机械、发动机）的远程智能服务，包括远程监控、远程预警、远程维护、数据分析等。智能服务拓展到产品的全生命周期管理如图4所示。产品智能化服务系统包括产品远程监护与维护平台、基于大数据挖掘的产品使用分析系统、智能手机APP自助服务系统，实现功能包括以下几类。

  产品智能化服务的成功应用可以大大提高工作效率，服务维护成本显著降低，产品差异化程度提升。

  工业云平台提供高品质的网络和云资源、IDC数据中心资源、以及混合云和可信云，为企业客户搭建安全、灵活的工业协同平台，提供工业协同服务能力，包括设计协同、制造协同、供应链协同、服务协同等。

  工业云平台的核心是数据在不同企业（及客户）之间的流转，要实现横向集成与价值链端到端集成。

  横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络实现的一种资源整合，为实现各企业间的无缝合作提供实时产品与服务，实现产品研究开发、生产制造、经营管理等在不同的企业间的信息共享和业务协同。

  端到端集成通过价值链上不同企业资源的整合，以产品价值链创造集成供应商（一级、二级、三级…）、制造商（研发、设计、加工、配送）、分销商（一级、二级、三级…）以及客户信息流、物流和资金流，在为客户提供更有价值的产品和服务的同时，重构产业链各环节的价值体系。

  随着信息技术的加快速度进行发展，人机一体化智能系统和工业互联网的技术和应用将会发生新的变化，未来企业不仅要利用工业互联网资源进行资产的性能管理，而且要利用工业互联网实现智能制造的云控制。将产业链、供应链或价值链的协同机制建立起来，或将先进的控制技术资源的公共服务体系建立起来，不断的提高人机一体化智能系统生产体系的创新水平。（来源：北京物联网智能技术应用协会 编选：电子商务研究中心）

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