基于信息物理融合的个化定制智能生产线

当前，制造业正面临着巨大的转型压力，形成了劳动力成本迅速攀升、产能过剩、竞争激烈的态势，迫使制造企业从低成本竞争转向差异化竞争。在个性化定制智能生产模式下，产品的类型与批量多变、交付周期骤减、质量与成本约束导致生产线设计和运行面临新的挑战。信息物理融合制造系统是信息物理系统在制造系统中的映射，其最终目标是实现信息世界和物理世界的融合，在计算、通信和控制的基础上通过网络化的协同制造，实现生产过程的监控，并通过自动化和智能化的管理实现个性化产品的预测性制造，以满足个性化产品制造对效率、成本、质量的综合要求，也是我国占领未来制造业高地的关键所在。
目前，信息物理融合生产系统的构建及其研究大多局限于概念层次。智能生产线是信息物理融合生产系统核心之一，对它的研究大多仅限于信息物理有限融合及实现，难以在生产线的设计、运行、管控和优化中发挥系统化理论、方法与技术层面的支撑作用，使得信息物理融合制造系统的性能预测、运行管控难以满足个性化产品生产的要求。本书通过研究个性化定制智能生产线的信息物理融合系统架构设计、统一建模、模型综合计算与优化、系统验证等关键技术，建立面向个性化产品定制智能生产线设计和管控方法，对提升我国混线生产能力，具有重要理论意义和工程应用价值。
本书第1章介绍生产模式与制造系统的发展趋势，以工业4.0参考架构为基础，阐述信息物理生产系统是个性化定制生产的关键这一观点。第2章介绍个性化定制智能生产线的设计与运行架构，从生产线的生命周期出发，提出设计需求与运行需求，并以此提出基于组件与模型的设计运行统一框架；还介绍了项目组开发的智能生产线物理原型系统，为后续章节的技术提供相关的验证对象。第3章介绍信息物理融合组件的设计方法，以及多粒度多视角的组件建模方法，并以产品、工艺、资源为例，基于AutomationML标准定义了多粒度、多视角的组件。第4章介绍个性化定制智能生产线的形式化方法，提出一种基于工厂形式化建模语言的形式化建模方法；以“产品–工艺–资源”概念为中心，提出不同层次中生产线的模型仿真与验证方法，并基于实例介绍离散事件驱动系统组件形式化模型的功能验证和性能仿真，以证明所提方法的可用性。第5章介绍个性化定制生产模式下设备控制系统的形式化技术，包括设备控制系统的结构、组成及运行过程描述，提出设备资源控制系统的动态重构的形式化建模方法，通过具体的PID计算过程对应的功能块网络程序实例，验证所提形式化建模方法和工具的有效性和开发模型的可信度。在完成生产线系统不同层级组件建模的情况下，第6章介绍个性化定制智能生产线的设计工具，着重介绍建模工具和仿真工具的实现，包含快速开发所需要的建模和模型转换工具，以及以模型为仿真对象的虚拟调试技术，最后介绍相关的工具集成实现技术。第7章介绍以中间件理念为基础的即插即生产信息物理融合框架，并阐述中间件与软硬件的交互技术；详细介绍中间件与资源交互的资源适配器和与产品交互的产品适配器的设计及实现方法，并论述中间件和软件交互的软件适配器的设计及实现方法，为个性化定制智能生产线的即插即生产模式的实现提供基础保障。第8章介绍面向个性化产品定制的可重构车间调度理论，首先对资源重构与调度进行关系分析和框架介绍，引入本体语义技术，提出知识驱动的资源重构机制和基于强化学习的自适应调度方法，用于支撑生产异常情况下个性化产品的自适应生产调度。第9章针对设备动态重构在生产线运行时面临的实时性和可靠性的挑战，从设备控制系统领域模型的设计、可重构运动内核环境的实现、自适应重构机制的构建三个方面阐述设备运动控制系统如何适应个性化产品定制对资源重构的严苛要求。基于IEC 61499国际标准，我们开发了适应于动态资源重构的网络化运动控制内核，证明了所提运动控制系统可重构方法的有效性。第10章介绍智能生产线的运行管控实施技术，包括如何构建车间的私有云架构，如何采用云原生技术实现面向个性化生产线设计、管控运行的微服务架构，并以华南理工大学个性化定制智能生产线的运行为例，验证了本书中即插即生产相关技术的可行性。
本书由李迪教授、唐浩博士、周楠博士和王忠锋研究员合著，华南理工大学研究生王戈、姚侠楠、张柳、罗子仁、杨泽霖等为本书实例整理和编写提供了支持和帮助。全书由李迪审校。
本书是国家重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”重点专项项目（2018YFB1700500）的研究成果总结，在此特向科学技术部表示衷心的感谢。
本书的编写不仅集成了作者对信息物理融合制造系统、智能生产线、个性化定制生产长期的关注、研究和思考，还参考了国内外一些研究学者的思想观点，在此谨向他们表示感谢。同时，特别感谢华南理工大学、中国科学院沈阳自动化研究所、东北大学、华中科技大学、浙江大学、上海交通大学、大连理工大学、海南大学、广州中国科学院沈阳自动化研究所分所、武汉华创动力智能科技有限公司等单位在本书收集资料过程中给予的大力支持和帮助。
由于作者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

作者
2021年12月22日

本书通过研究智能生产线信息物理系统架构设计、智能生产线信息物理融合统一建模、智能生产线信息物理模型综合计算与优化，智能生产线信息物理系统验证等关键技术，建立面向个性化产品定制智能生产线设计和管控方法，提升我国混线生产能力。