信息物理系统共性技术测试床案例分析

引言

信息物理系统共性技术测试床由中国信息通信研究院牵头，联合海尔、中兴、树根互联、欧姆龙、西北工业大学等产学研单位共同建设。重点围绕离散行业生产模拟环境，开展机床、机器人、检测设备、物流设备等数据采集、数字化建模、双胞胎构建等，实现生产制造过程的三维可视化监测，探索开展基于数字双胞胎、大数据算法的优化，以及北京、上海的网络化协同。

一、测试床项目概述

1. 概述及该测试床目标

信息物理系统是目前工业互联网研究的前沿领域，是驱动传统行业智能化转型的核心技术集群和战略聚焦点，工业4.0、先进制造战略的内在驱动均是信息物理系统。

当前，工业生产面临诸多问题：设备数据、生产数据采集集成问题；产线、流程、工艺固化问题；海量产品数据的分析问题等。现有的技术处理起来有较大难度，例如：底层设备数据不开放，导致数据采集无法实现；系统异构性明显，导致系统集成效果不佳；产线编排灵活性低，新产品换线需要多次调试；工业数据技术应用有限，缺少结合工业机理的算法模型；网络可靠性低，系统间数据存储管理的统一标准缺失，导致网络协同应用水平较浅等。

信息物理系统的应用将为上述问题提供一条有效的解决途径：通过数字双胞胎技术，叠加各类传感器、板卡，采集哑设备运转各类数据，并形成设备运行、诊断模型；通过产线柔性可重构技术，实现异构系统集成，并采用柔性连接和软件配置的方式实现产线布局快速调整，流程和工艺快速切换等。信息物理系统共性技术测试床选取离散行业机加工流程，配置常见的工业设备和信息系统，搭建工业网络环境，开展信息物理系统各项技术的测试验证。

信息物理系统共性技术测试床根据工业领域对信息物理系统共性技术、关键产品、解决方案试验验证需求的考虑，拟在北京与上海两地同步建设，一方面，可以结合本地的特色产业，扩大本平台的辐射范围，提高影响力和知名度；另一方面，异地环境能够更好的模拟网络化协同制造的实际需求，提高本平台的试验验证的准确性和真实性。

2. 目标

打造信息物理系统关键技术创新与解决方案孵化的开放创新平台，为工业企业开展信息物理系统共性关键技术和新模式研究提供一个通用的试验环境，降低企业采用新技术的风险，推进不同企业解决方案的适配测试，加快新技术、新模式跨地域、跨行业的推广，形成一批切实可行的信息物理系统解决方案，并促进企业间的交流、合作，提升我国信息物理系统研究水平和应用能力。

构建2条各具特色的离散行业生产模拟线，开发不少于5种以上设备的三维数字化模型并实现数据驱动模型，形成不少于包括机床、机器人在内的两类设备与系统数据采集方案（哑设备改造），建设1个异地协同信息物理系统监控平台，实现数字双胞胎、设备智能优化、纳米级产品检测、异地网络化协同的应用新模式。

二、测试床项目解决方案

1. 解决方案架构

结合工业互联网产业联盟通用实施架构1.0，信息物理系统共性技术测试验证平台的整体架构如下：

图1 测试床架构及与AII工业互联网通用实施架构1.0的对应

主要实施步骤包括：

（1）通过不同设备的资产模型建设和数据开放采集，面向设备和工艺构建认知模型，实现全三维实时诊断，构建从设备到单元的数字双胞胎。

（2）利用生产模拟产线，构建各个单元的管理壳，实现基于软件的模块化设计与配置，完成系统重构。

（3）基于边缘侧-云端协作，实现数据智能。边缘侧进行数据的预处理和模型部署，云端进行数据分析算法和应用的开发，边缘分析与云端分析结果相互迭代，实现分析模型不断演进。

（4）利用工业互联网平台，突破协议兼容、数据格式转换、数据互操作等数据集成技术瓶颈，实现多源异构数据的云端集成，实现网络化协同设计和制造。

图2 网络互联架构

信息物理系统共性技术测试床，涵盖主流工业协议，构建多元异构设备接入和海量数据生成环境，支撑高复杂、多元异构的数据集成试验验证。

2. 测试床预期效果

（1）输出新模式、实施方法论：如数字双胞胎、网络化协同、智能检测等新模式实施路径（软硬件方案）。

（2）输出新标准：如面向工业互联网的移动式机器人标准、信息物理系统体系架构、工业互联网平台互操作标准等。

（3）输出相关解决方案和产品：如移动式机器人创新产品、哑设备数据采集解决方案、设备预测性维护解决方案等。

（4）输出人才培训平台：如开展示范教育、人才实训、联合创新等。

（5）应用试点推广：面向家电、电子、汽车、装备制造等重点行业，加速信息物理系统技术研发与应用落地，形成合作试点项目。

三、测试床当前情况

1. 测试床当前建设情况

北京部分：完成场地装修；完成一期设备集成和数据采集，并利用仿真建模软件对生产现场环境、关键设备进行三维建模，再结合设备数据开放，打造数字双胞胎。

（1）选取离散制造业和电子设备制造业生产流程，抽取仓储、加工、检测、人工、装配、包装等有代表性的环节，并配置相应的软硬件。

图3 北京实验室软硬件规划

（2）北京实验室利用仿真建模软件对生产现场环境、关键设备进行三维建模，再结合设备数据开放，打造数字双胞胎。

图4 北京实验室数字双胞胎

在一期建设中，对哑设备（数控机床、机器人）进行数据采集改造，采集位置、速度、状态信息，并对机器人、机床、机柜、操作台等生产设备和环境进行建模，所有模型做到与实物匹配。在下一步建设中，对物流设备、仓储设备、检测设备以及其他加工设备进行建模。

上海部分：场地装修已经进入收尾阶段，即将具备设备入场安装调试条件；完成底层物理设备的招标采购工作，即将进行设备调试。

2. 测试床合作伙伴组成及各自提供组件描述

中国信息通信研究院：负责整体建设方案编制，开展技术试验验证，制定相关标准，并创新成果的孵化和行业应用推广。

海尔集团：负责柔性产线相关技术试验验证，并推动行业应用推广。

中兴集团：负责产品质量检测相关技术试验验证，并推动行业应用推广。

树根互联：负责哑设备数据采集、网络化协同等方面技术试验验证，并推动行业应用推广。

欧姆龙：负责关键智能单元AGV+机械手的研发与试验。

西北工业大学：负责虚拟仿真建模相关技术试验验证和相关标准研制。