离散车间制造物联网及其关键技术研究与应用综述

物联网在制造领域的深度渗透和落地应用催生了一种以"物物互联、泛在感知"为特征的新型制造技术—制造物联网。在解析制造物联网基本概念、特征和应用需求的基础上,以多源制造数据的感知、传输、分析和应用为主线,阐述了面向离散车间的制造物联网关键技术;通过分析国内外制造物联网技术的相关应用研究文献,分别从车间制造资源管理、生产过程调控、车间物流优化、质量监控与追溯、智能服务与保障5方面,总结了制造物联网在离散车间的应用模式;基于制造物联网核心技术的应用和发展需求,以及与云制造、大数据、信息物理系统的紧密关联,探讨了智能制造背景下制造物联网的未来发展趋势。     

离散型制造物联过程数据主动感知及管理模型

针对制造物联数据感知与管理方面的生产过程关键监控事件感知和分析处理问题,通过分析制造数据的产生,进行了制造大数据的定义及数据特性的描述,建立了基于制造物联的离散车间数据管理体系;根据基于数据驱动的制造过程事件感知模型建立,提出了基于制造物联的生产过程关键事件主动感知技术架构;为实现制造数据的结构化统一表达,基于EXPRESS语言进行制造物联车间数据管理建模,制定了EXPRESS与可扩展标记语言模式制造数据的映射转换规则。基于智能制造模式构建了制造大数据的应用规划,并结合油制辣椒生产中制造数据感知处理及应用结果,说明了所提理论框架的可行性与有效性。     

分布式自主协同制造——一种智能车间运行新模式

为实现生产异常的实时监控、精准预测和快速响应,针对当前以制造执行系统为核心的传统车间运行模式一直存在的异常响应缓慢、决策实时性差、系统稳定性低等问题,提出一种智能车间运行新模式——分布式自主协同制造。阐述了智能车间的分布式自主协同制造的概念、体系架构和运行机制等,探讨了智能车间的分布式自主协同制造的关键技术和特点。最后指出,分布式自主协同制造模式为智能车间的实时管控和运行优化提供了一种有效途径,有可能成为未来复杂离散制造车间的主要运行模式之一。     

智能制造 调度为先——《制造系统智能调度方法与云服务》导读

随着越来越多小微型企业对制造车间“万物感知、万物互联、万物智能”的需求,结合大数据和云计算技术,针对制造资源和生产任务,构建多种制造类型下的调度算法库,提供智能调度方案,是实现制造系统高效运行的关键。为了探讨智能调度的原理、方法和云端化实现路径,笔者撰写了《制造系统智能调度方法与云服务》一书,全面介绍了制造系统中多种复杂调度问题,重点介绍了各类调度问题对应的调度方法,结合云服务框架介绍了不同调度方法的云端化技术与实现方式,搭建了基于云计算的制造车间智能调度算法库及服务系统。本书为推动我国制造业的智能化发展和企业应用提供参考,对提升我国制造业的核心竞争力具有重要意义。     

大数据驱动的离散制造车间生产过程智能管控方法研究

在智能制造背景下,离散制造企业对利用大数据技术提高车间生产管控水平提出了迫切的需求。研究大数据驱动的离散制造车间生产过程智能管控方法,在明确离散制造车间特点与管控需求的基础上,分析了传统方法的局限性和大数据方法的优势,进而提出大数据驱动的离散制造车间生产过程管控总体框架,以制造大数据的"采集-处理-分析-服务"为主线开展研究。在"进度预测-瓶颈发现-异常溯源-智能决策"的生产过程闭环管控机制中,分别提出：基于堆叠稀疏自编码机的生产进度在线预测技术,基于平行门控循环单元的生产瓶颈漂移发现技术,基于密度峰值-模糊C均值的生产异常溯源分析技术和基于多智能体强化学习的生产过程智能决策技术。最后,以某航空企业典型离散制造车间作为对象,对所提出的大数据分析与智能决策方法进行了原型系统开发和应用验证。     

云制造加工设备服务化封装与云端化接入方法

针对云制造模式下对制造资源的服务化封装和云端化接入的新需求,结合物联技术,提出一种云制造设备的服务化封装与云端化接入方法,设计了设备端传感器群优化配置、制造能力描述模型、实时制造服务状态信息主动感知、云制造设备的协作生产与自主决策、设备端制造服务封装、制造服务云端化接入等关键技术的实现框架,使加工设备的制造能力可被主动感知,制造服务过程信息透明和实时可访问,并能通过一种松散耦合和即插即用的方式接入云制造平台,为云制造中海量制造资源的云端化接入、主动发现、优化配置,以及生产任务的高效、高质生产提供了一种新思路。     

基于过程感知的底层制造资源智能化建模及其自适应协同优化方法研究

在分析现有制造系统智能化管控、实时联动与协同优化方面所面临挑战的基础上,结合最新CPS和工业物联技术,提出了一种"物物互联,感知制造"环境下的底层制造资源智能化建模及其自适应协同优化体系。通过对基于CPS与制造物联的底层加工资源智能化建模、基于控制论的制造系统变粒度自适应协同控制策略与方法、离散事件动态系统"事件-状态"多级监管控制机制等关键技术的深入分析和研究,建立一种具有感知交互和自决策能力的智能加工设备和搬运小车模型,进而在制造系统级变粒度自适应协同控制策略下实现制造执行过程中各类底层智能制造资源的自适应协同优化,所提策略、方法和模型为下一代"智慧/智能工厂"的落地应用奠定了重要的理论基础和技术借鉴。     

制造资源实时状态驱动的离散制造车间低碳调度研究

针对离散制造车间低碳调度问题,考虑车间制造资源实时状态,构建实时数据驱动的车间状态监测框架,以机床能耗、刀具磨损和切削液损耗作为碳排放来源,结合最大完工时间,建立一个制造资源实时状态驱动的离散制造车间低碳调度模型,并提出一种融合Tent映射的多目标Jaya优化算法。首先使用Tent混沌序列初始化种群,然后引入基于邻域搜索和模拟退火算法的局部搜索方法,并使用严格的外部档案集保存搜索到的解。最后通过灌装设备生产车间的实例数据对算法和模型进行验证,结果表明所提出的算法和模型能够有效求解离散制造车间低碳调度问题,减少车间异常状态对生产计划的影响,降低车间碳排放量。     

基于动态资源能力服务的分布式协同调度技术

基于云制造技术中面向服务的思想,针对现有异地分布多车间协同生产计划的关联协调问题,提出并建立一种以云制造思想为指导的基于动态制造资源能力服务化的分布式协同生产调度技术。通过分析多车间协作生产下的制造资源动态服务共享和关联协调的问题,建立基于服务性制造资源的协同生产调度技术总体框架;提出服务性资源的地域和能力相结合的筛选规则,形成面向多车间协同生产的空闲占用和插入调整相结合的作业排产技术;提出资源指定占用下的作业排产处理技术,解决了协同生产环境下特定车间基于制造资源能力局部能力占用的调度排产;针对生产过程中频繁发生的突发事件,提出以降低生产扰动影响范围的时间容忍度技术及基于移动处理方式的动态调度方案调整技术,解决了制造资源服务动态变化下的快速响应处理问题。通过应用实例对以上关键技术进行了验证。     

融合GRU-Attention与鲸鱼算法的流程制造工艺参数云边联动优化

为解决流程制造工艺参数优化面临的多工序耦合模型构建复杂、多目标冲突分析困难、实时和准确性难以保障等问题，提出一种融合GRU-Attention与鲸鱼算法的流程制造工艺参数云边联动优化方法。设计了适用于多工序耦合生产的训练计算云边协同架构，通过设备边缘节点与云平台的高效协同，完成了预测模型和优化模型的云端训练，边缘端数据收集、模型下载和调用计算。在此基础上，建立了基于GRU-Attention多层神经网络的生产工艺质量预测模型，将输出质量指标作为适应度，调用鲸鱼算法对生产工艺参数进行全局寻优，获得不同工序最优工艺参数组合，实现流程生产不同工序加工质量的实时预测和综合优化。最后，以某流程制丝生产线为例进行了实验验证，结果表明，所提基于深度学习的云边联动方法可实现生产质量的综合动态优化，同时可降低工艺参数调控任务的完成时间。     

基于双单元制造模式的车间调度控制系统

基于敏捷制造思想研究了离散生产类型的先进制造车间的调度控制系统。在研究双单元制造模式运行和组织特点的基础上，给出了单元重组方法。研究了先进制造车间生产任务管理、生产计划、车间调度、生产运行控制、生产信息管理等问题，提出了以单元动态重组技术为基础的车间生产调度控制系统。     

数字孪生制造单元多维多尺度建模与边—云协同配置

为了解决离散型智能车间多维、多尺度、高保真建模及其软硬件配置与协同问题，以离散型智能车间的基本实现单元——数字孪生制造单元为对象，从数据—知识混合驱动的角度，探明新一代信息技术赋能下数字孪生制造单元的构成要素与关键特征，提出数字孪生制造单元的多维多尺度智能空间模型及其高保真建模方法。进一步从边—云协同的角度构建软硬件集成的数字孪生制造单元配置模型，建立了基于智能合约的数字孪生制造单元边—云协同运行与智能化管控机制。采用Java Web技术开发了数字孪生制造单元原型系统，并以航空发动机整体叶轮加工过程为案例，验证了所提模型与方法的正确性和有效性。     

基于数字孪生的零件智能制造车间调度云平台

零件制造车间中工作要素路径的未知性、时间的不确定性,以及生产要素信息的孤立性,严重影响了车间调度的有效运行。基于数字孪生技术提出一种解决零件智能制造车间调度问题的新方法——调度云平台,构建了调度云平台的框架模型以及调度工作流程;搭建了调度云平台的全生命周期监控系统,监控产品的实时运行状态;基于全生命周期监控系统实时监控的数据,利用大数据分析技术对车间生产过程中多源动态扰动进行预测和诊断,在此基础上提前由调度云平台对动态扰动制定相应扰动策略;为阐述如何将所提模型落地,以某企业零件智能制造车间为例,对调度云平台模型进行应用验证,同时指出了基于数字孪生的零件智能制造车间未来的工作方向。     

生产过程制造物联关键事件主动感知实现技术及方法

针对生产过程物联感知方面,在论述分析制造物联信息感知研究现状的基础上,阐明了信息感知在制造业信息化中的需求,进行了生产过程关键事件的定义及描述,建立了制造物联关键事件主动感知模型及技术框架,并提出一种基于物联网技术的生产过程关键事件主动感知实现方法。提出的技术方法为生产过程的优化控制提供决策支持,促进高质、高效生产制造的实现。     

基于移动通信的无线网络在数字化制造单元中的应用研究

制造业从单机自动化发展到网络化集成制造，实际上是在信息交换和系统互联技术发展进步的支持下实现的。本文在现代无线移动通信技术的基础上，提出了一种基于移动通信技术的网络化制造模式，并将其引入车间数字化制造中以进一步加强系统的网络互联和更有效的人机协同。本文介绍了这一制造模式的结构和在车间数字化制造中的实现方案。     

工业互联网智能调度建模与方法研究综述

工业互联网的建设关键在于云端和边缘端资源协同互补地对工业现场进行全面感知与连接。复杂制造过程的运行效率依赖于云端—边缘端—工业终端的多主体资源的联动控制,云边协同的计算任务与工业现场的制造任务的调度问题,成为决定工业互联网能否高效运行的核心。为此,梳理了近年工业互联网不同场景下计算任务与制造任务调度问题建模与优化方法研究现状,阐述了不同智能调度方法面临的挑战,探讨了未来工业互联网智能调度技术的发展需求和技术途径,为工业互联网环境下的离散制造过程增效提供新的思路。     

基于云制造的生产线虚拟与物理系统互联信息模型的建模方法及应用

基于目前对数字孪生技术、虚实融合技术、云制造技术的研究和探索,提出一种云制造模式下的生产线虚拟与物理系统互联信息模型的建模方法。通过对生产线组成要素进行行为规则建模,构建生产线虚拟孪生模型;利用物联网技术实现虚拟模型与物理模型的数据融合,并基于仿真优化技术实现产品生产阶段虚实闭环迭代优化。最后基于INDICS平台,通过案例分析对本互联模型进行了有效性验证。     

面向云制造的混流混合车间调度问题

为解决云制造环境下混流混合车间的生产调度优化问题,综合考虑混流装配与零部件加工的集成优化以及外协云任务与自制任务的协同调度,建立了以最小化最大完工时间、均衡化零部件生产和最大化零件车间机器利用率为优化指标的多目标车间调度模型。基于零件分批和车间调度的两阶段求解策略,设计了一种两级递阶结构的混合生物地理学优化算法,采用在迁移算子中嵌入差分进化算法的变异策略来提高算法的搜索效率。最后,通过实例验证了模型和算法的有效性。     

物联技术下智能制造车间自协作管理方式研究

为了解决智能制造车间实时调度问题,基于车间物联技术提出了交互式、命令式及预警式3种车间自协作管理方式。通过为车间生产过程中人员、设备、物料等配备RFID设备,采集实时生产数据并交由上层数据处理与生产管理系统进行分析处理,得到感知结果,从而采用相应的自协作管理方式对缺料、拖期、质量不合格等问题进行有效处理。最后结合离散车间生产管理系统的车间调度的应用实例,验证了方法的合理性。     

基于复杂网络理论的离散制造车间生产物流网络建模与分析

针对离散制造车间生产环境复杂、加工任务多变、生产异常频发等特点致使车间生产物流难以支撑产线优化运行与任务高效执行的问题,提出一种基于复杂网络理论的离散制造车间生产物流网络建模与性能分析方法。根据典型离散制造车间生产物流业务运行特点,构建一种以工位和存储单元为节点、物料流向为边的带时间窗的车间生产物流双权重有向网络模型;分析所构建模型的动态演化驱动因素和网络特征,研究车间生产物流网络的节点重要性、稳定性、自修复能力等性能指标,为离散制造车间生产物流业务的优化稳定运行提供理论支撑。以重庆某发动机箱体机加车间生产物流业务为实例,验证了所提方法的有效性和适用性。