基于RAMI4.0的交钥匙工程的信息参考体系架构

0 引言

在当今全球化制造时代，更加广泛的个性化产品需求以及更短的产品生命周期推动了交钥匙工程的发展，并且要求开发出能够针对科学技术、市场产品和自主结构的变化进行更快速响应的生产系统。因此，可重构生产系统(Reconfigurable Manufacturing Systems, RMS)已逐渐成为交钥匙工程的核心内容之一，对RMS的研究具有极其重要的理论和实践意义。

本工作利用铁片作为电极、过硫酸铵作为引发剂、十二烷基硫酸钠和OP-10为复合型乳化剂,通过电化学乳液聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯.使用电化学方法与不使用电化学方法(例如在上述体系中直接加入二价铁(一般是氯化亚铁))相比,优点如下:利用铁电极通电后得到二价铁离子,不会将其他阴离子引入体系中;电参量容易控制,为后续进一步的研究提供新的路径.实验结果表明,利用电化学聚合方法在较低的反应温度下就可以成功获得聚甲基丙烯酸甲酯,调节电流大小可以得到不同分子量的产物.

近20年来，学界针对RMS的理论研究从未停止。目前，对于RMS的研究主要包括RMS可重构性水平评估、RMS特性分析、RMS性能分析、RMS应用研究和面向工业4.0的RMS五方面[1]。

在RMS应用研究方面，Gupta等[2]、Goyal等[3]提出了不同的方法划分RMS环境下的产品族，并运用不同的算法模型对产品进行产品族归类；Musharavati等[4-5]、Bensmaine等[6-8]、Maniraj等[9]分别利用模拟退火算法、多目标模拟退火算法、蚁群优化算法等解决了RMS环境中工艺规划的优化问题；Saxena等[10]、Goyal等[11]、Bensmaine等[12]、Dou等[13]通过不同的方法或模型为不同场景下RMS的配置提供解决方案，以实现配置成本、可重构性等单目标或多目标的优化；Guan等[14]、Azevedo等[15]运用不同的算法模型对RMS布局设计进行了研究，为不同应用场景下RMS的布局设计问题提供了解决方案或优化方法；Azab等[16]、Prasad等[17]、Hees等[18-19]采用不同算法模型对RMS的生产计划与调度进行了优化，其中元启发式算法是生产调度算法的主流。

在面向工业4.0的RMS方面，Pellicciari等[20]和Andrisano等[21]提出了以工业机器人和熟练工人为主，能够在通常的可重构生产环境中执行复杂任务的混合可重构系统(Hybrid Reconfigurable Systems，HRS)的概念；Bortolini等[22]对过去3个世纪的产业环境演化进行了分析，强调了使生产过程数字化的技术创新；Cohen等[23]通过对一家意大利工业冰箱制造商的案例研究，为在现有的制造和装配系统，以及新智能系统的设计中实现可重构性和工业4.0技术提供了一个通用架构。

很久很久以前，当今天的老爷爷老奶奶们还是小男孩儿和小女孩儿，或者才出生不久，有的甚至还没出生的时候，爸爸和妈妈就带着玛丽、劳拉和小嘉莉离开了威斯康星大森林里的小木屋了。他们是驾着篷车离开那儿的，把空空的小木屋孤零零地留在了林间空地上。从那时起，他们再也不曾看见那间小木屋了。

目前，对于RMS的应用研究主要集中在产品族划分、工艺规划、系统配置、系统布局、生产调度等的具体方法技术上，而面向工业4.0的RMS的研究则仍然处于较低水平[1]。就RMS对工业4.0背景下的交钥匙生产系统的支持而言，仍存在以下问题：与现有的协议之间融合应用较少，没有很好地解决上下层级之间的通信问题；缺乏数据统一架构、边缘计算等技术的支持，不利于实现万物互联、价值的快速变现；同时，RMS主要面向大型企业以及相对成熟的生产过程，不适用于小微企业。而基于工业4.0参考架构模型(Reference Architecture Model Industrie 4.0，RAMI 4.0)以其涵盖层次类别及工业结构等级的三维结构[24]，为解决层级通信、万物互联、企业间资源共享等问题提供了参考；具有开放架构、现实映射等功能的数字孪生技术以及第五代(5G)通信技术、OPC统一架构(OPC Unified Architecture, OPC UA)技术等则为交钥匙生产系统的建立提供了技术支撑。

独立学院作为我国高等教育的重要组成部分，是高等教育办学模式的一种新型探索和实践。独立学院自产生以来，不断发展，日渐壮大。截至2012年9月，全国有独立学院303所（不含已转制为独立民办本科院校的独立学院），在校学生近200万人，占全国民办高等教育在校生总数的一半以上，占全国民办本科高等教育在校生总数近90%。作为以培养应用型本科人才为主的高校群体，独立学院人才培养模式与一般本科高校存在同质化现象，而我国台湾地区应用型本科教育较为成熟，积累了丰富的办学经验，研究台湾地区应用型本科高校的人才培养状况，对于确立具有独立学院自身特色的人才培养模式具有重要的参考价值。

针对上述现状及发展趋势，本文基于RAMI 4.0模型，引入数字孪生、5G通信、OPC UA等技术，从信息视图的角度以模块化的方式构建了以RMS为核心的交钥匙工程的参考体系架构,并提出了系统配置与重构平台和数字孪生平台等关键使能工具的实施方案，从而克服了当前RMS对交钥匙生产系统支持的不足之处，为设计与生产的信息交互、不同层级之间的通信、系统的快速运行等问题的解决提供参考，为实现万物互联、价值的快速变现奠定体系基础，让大量的小微企业能够以功能模块的形式融入到交钥匙工程的大平台当中。此外，以实验室生产示范线为例，建立了某阀体类零件的交钥匙工程信息体系结构，为信息参考体系从架构到实施的映射环节提供参考范例。

1 交钥匙工程信息参考体系架构模型

1.1 交钥匙生产系统搭建流程

工业4.0环境下交钥匙工程的显著特点为快速运行、即插即用，要求能够根据产品设计的改变快速得到生产系统实施方案并顺利投产。本项目团队在前期研究中得出，通常情况下，交钥匙生产系统的搭建流程如图1所示[25]，为组建—调试—运行的过程，由客户提出个性化产品需求，经由特征提取到系统配置再到系统生成，形成新的生产线，并实现机床通信。为推动搭建流程的快速实施，建立交钥匙工程参考体系架构显得十分必要。

1.2 参考体系架构模型建立

针对目前存在大量非标准化的设备、软件接口和通信协议，导致构建生产系统的时间长、成本高、可靠性差，最终造成产品上市时间严重延误的问题，交钥匙工程信息体系架构的侧重点即为通过建立标准模块化的参考体系，为信息在不同层级的运行处理以及层级之间的快速交互提供解决方案，从而实现对生产需求变化的快速响应，即生产系统的快速重构。结合RAMI 4.0架构模型[24]和RMS的特性，建立交钥匙工程体系信息参考架构模型，如图2所示。对各层次类别所包含的内容描述如下：

各性状对籽粒产量直接贡献的大小依次为活动积温 （0.76） ≥出籽率 （0.26） ≥穗长 （0.20）≥穗行数（0.13）。

(1)资产层 如机床、机器人等物理实体的集合。

(2)集成层 采集生产信息并进行简单处理，实现生产设备信息的数字模块化。

(3)通信层 按照某种通信协议在集成层和信息层之间提供标准化的通信。

测量体温、心跳、呼吸频率、尿量和触诊。因为患有肾脏疾病的狗通常伴有不同程度的发烧或体温过低，所以随时监测体温变化是很重要的。在治疗过程中，随时监测心率，尽量每天做血离子监测，经常观察结膜颜色变化，触诊敏感。肾脏疾病通过触诊疼痛的敏感性、大小和位置来诊断。

(4)信息层 以通用结构化的方式存储数据，将设备资源的实时信息进行整合，实现生产系统的数字孪生，同时该层包含大量相关信息(如产品信息、市场形势、原材料资源情况等)，此外还能向客户提供信息并迅速反馈。

(5)功能层 包含生产规则的制定、生产系统的配置及控制等内容，并为用户提供数字化设计、远程监控等服务。

(6)业务层 公司或企业的商业运营，包括业务管理信息系统及面向用户的产品服务等商业运营业务。

参考体系架构中对搭建流程中的模块进行扩展细化，形成了6个平台模块：资产管理平台、数字孪生平台、系统配置与重构平台、产品设计平台、网络服务平台、企业业务管理平台。其中，资产管理平台主要对生产设备和产品进行管理，为数字孪生平台、系统配置与重构平台、产品设计平台和网络服务平台提供物理支持。企业业务管理平台作为企业内各类业务的集成管理平台，可与其他5个平台进行信息交互并实施管理。此外，生产数据集成、通信方式与协议模块为物理与信息层面的信息交互提供技术支持。

融资平台具有本土化经营特点，承担着本土区域的项目建设和公益性投入，以完成区域性开发职责为首要目的，一切以区域发展为目标，当区域发展和平台发展不协调时，政府必定会牺牲些平台的利润。

交钥匙工程参考体系运作时，客户(个人或企业)通过网络服务平台寻求个性化定制服务，其个性化需求流转到产品设计平台。产品设计平台对指标及方案进行论证，完成数字化设计，并由特征提取器对加工特征进行提取。然后，在系统配置与重构平台上根据产品加工工艺流程、生产设备的实时状况等，应用某种重构方法及配置算法对生产系统进行配置与重构。重构指令发送到数字孪生平台，虚拟设备配置重构成生产系统，再根据设计结果进行整条生产线的联合加工仿真。仿真结束后，数字孪生平台向系统配置与重构平台和产品设计平台反馈仿真结果，如果加工仿真结果正常，系统配置与重构平台将重构指令发送到资产管理平台，资源库中的生产设备乃至部件重新配置形成新的功能单元，从而形成新的生产系统；如果出现异常，系统配置与重构平台和产品设计平台则进行调整与修正。生产系统重构完成后即可根据产品模型、工艺流程、加工代码等信息，在生产系统控制端的调度下进行智能的自动化生产。

在整个产品生产过程中，生产系统中所有资产都传出或由传感器采集所需的生产数据，这些数据按照统一的生产数据模型集成后，通过通用的通信设备传输至数字孪生平台，并驱动数字孪生平台中的虚拟生产系统模型。数字孪生平台根据实时监控信息来判断生产状态或生产状态预期是否正常，并将调整指令发送给生产系统控制端，从而实现预防性维护，以此提升生产加工的安全性及更好地保证产品质量。在整个生产系统参考架构，尤其是物理层面与信息层面之间的信息交互中，主要采用5G通信方式和OPC UA。

1.3 系统配置与重构平台和数字孪生平台

系统配置与重构平台和数字孪生平台等是交钥匙工程体系中的关键使能工具。其中，系统配置与重构平台的配置与重构流程如图3所示，将产品的加工特征及其尺寸、精度等要求以及经过工艺规划得出的加工顺序等输入平台，平台根据产品特征及尺寸、精度等与机床和刀具参数、加工工艺等的对应关系，通过特定算法进行选择和排列，得到所有可行方案；在此基础上，输入客户的特殊需求(如产能、次品率、交货期等)，筛选出符合需求的可行方案；最后，选择生产效率最高或资产成本最低作为优化目标，得出满足要求的最佳方案。

数字孪生平台主要由两部分组成，结合管理壳的概念[26]，其框架如图4所示：一部分是存在于本地的数字孪生虚拟模型系统，当物理层面的生产系统发生配置与重构时，该信息层面的虚拟生产系统也相应地发生配置与重构，并由实时生产数据驱动系统运行，可结合与机床设备配套的智能控制器进行快速的反馈调节，从而实现预防性维护的功能；另一部分则存在于工业云端，与本地服务器间实时通信，可实现远程的生产实时监控及加工仿真等功能。数字孪生平台可为企业间的无障碍资源共享提供途径，使各企业利用自身的生产资源作为组成模块充分参与到交钥匙工程的架构中，实现跨地域的实时协同生产，从而使得大量的小微企业可以融入其中并从中获利。

交钥匙工程信息参考体系架构及其关键使能工具方案可为个性化小批量生产中的生产系统快速运行提供理论和技术指导，在实际应用中，可结合实际情况对参考架构和使能工具方案进行调整。

2 交钥匙工程信息参考体系架构模型的标准化

图2所示的参考架构模型中，涉及了一些具体的信息、设计等技术，随着时代的发展，现有的技术或技术概念将失去时效性。因此，应当在确保技术及其应用稳定性的前提下，抽取标准化对象，进行适当的变换与映射，构建标准化体系[27-28]。为此，刨除参考体系结构中的具体技术或技术概念，取而代之的是标准化的模块，构建的交钥匙工程信息参考体系的标准化如图5所示。相比于原参考架构模型，标准化的参考体系做出了如下处理：

(1)刨除通信层中涉及的5G通信技术及OPC UA通信协议，而将整个连接集成层与信息层的通信模块抽象成通信标准。

(2)随着时代的发展，数字化设计中广泛应用的一系列计算机辅助技术会不断更新换代，甚至出现概念上的更新，在此，仅将设计环节抽取为数字化设计标准。

(3)企业涉及的各类业务管理总是存在的，但并不依附于具体的业务运作信息系统，因此，将企业资源计划、供应链管理、客户关系管理、产品生命周期管理等信息系统分别抽象为企业资源计划标准、供应链管理标准、客户关系管理标准、产品生命周期管理标准等，不再特指某一信息系统，而是作为业务标准存在。

(4)客户按照自身需求所制定的订单也应按照一定的标准来完成，以便于和企业之间联系，缩短定制周期，同时客户自己所进行的个性化设计也需要和企业的设计标准相兼容，因此，将个性化定制服务模块也抽象成一种标准。

有效遏制权力寻租空间。军队行政权力清单制度要求科学规范军队权力，防止权力过分集中于某个人、单位或部门手中。军队行政权力清单制度规范权力的授予和程序，可以最大限度挤压权力寻租空间，有效防止权力滥用。军队行政权力清单制度的公开透明特征，使权力运行得到有效监督，从而堵上了发生权力寻租的漏洞。

(5)其他各层次所涉及的一些模块也都进行标准化，包括部件与设备的标准模块化以及功能单元的标准化等。

3 基于液压阀生产线的交钥匙工程信息体系结构

为明确体系架构到具体应用之间的映射关系，以同济大学的液压阀生产示范线为例进行参考实施。着眼于生产线的配置与重构以及实时监控与预防性维护等要点，提取前述交钥匙工程信息体系参考架构中的相关部分并加以调整：

(1)根据实际情况简化业务层的部分模块，仅保留包含产品模型的个性化定制模块。

(2)在功能层中，将指标与方案论证、数字化设计等模块舍去，仅保留特征提取器、系统配置与重构平台以及数字孪生平台。

(3)由于生产线较为简单，数字孪生平台中舍去了生产线联合加工仿真模块。

得到的基于液压阀生产示范线的交钥匙工程信息体系结构如图6所示，目前已初步开展了液压阀的特征提取，系统配置与重构平台、数字孪生平台开发，生产数据集成等方面的工作，特征提取结果、系统配置与重构新布局及生产装备的实时监控如图7所示。

系统配置与重构平台中，配置数据库包括设备、刀具、工艺、产品、夹具等信息，结合配置算法与重构方法开发形成配置与重构软件。生产数据的集成部分主要采集机床设备的振动和温度等信号，并读取机床内部的主轴转速、进给速度等数据，并应用沈阳机床ISESOL的终端设备iBox将数据转换集成为统一格式，上传到数字孪生平台中，数字孪生平台云端部分则通过ISESOL工业互联网平台实现远程的生产实时监控。除此之外，车间中还布置有无线传感网络，用于车间内的无线通信。

笔者在智能控制器[29]、特征提取器[30]等方面的研究，为交钥匙生产系统的具体实施提供了方法与技术支持。基于液压阀生产示范线的交钥匙工程信息体系结构结合数字孪生技术，并辅以其他使能技术或工具，能很好地满足某类不同型号液压阀或与之情况类似的其他机械加工产品的个性化定制需求并快速实施，同时为小微企业融入交钥匙工程大平台提供了参考案例。

4 结束语

本文基于RAMI 4.0模型，结合新兴的数字孪生、5G通信、OPC UA等信息技术，从信息视图的角度构建了交钥匙工程的参考体系架构，获得如下研究成果：

(1)针对交钥匙工程的特点，结合RAMI 4.0架构模型和RMS的特性完成了交钥匙工程信息参考体系架构模型的构建，并对其进行标准化，克服了当前RMS对交钥匙生产系统支持的不足，为设计与生产的信息交互、不同层级之间的通信、系统的快速运行等问题的解决提供了参考方案，使得小微企业能够作为部分功能模块融入到交钥匙工程的大平台之中。

目前长江上游还有大批控制性水库正在建设或者将要建设，如果不科学地安排统一蓄水方案，必然会对长江中下游地区甚至全流域的用水、发电和航运等兴利目标产生严重的影响，也将影响流域防洪、抗旱、应急水污染事故处理和生态等公益性调度能力的提高。

由于紫色很罕见，所以在很长一段时间内，它都是皇室和贵族独享的颜色，就像在古代中国，黄颜色象征着皇权一样。

好像在一个大会议室里，杜思雨坐在屋子中央的一把椅子上，这时从门外走进了一排排美女。美女们都穿三点式，裸露着白皙的皮肤。这些美女站在思雨的面前，巧盼笑兮，一样的三点，一样的美丽，一样的迷人。而且每位美女都有一头栗红色的秀发。她们飘逸的秀发被轻轻甩起，像红色的柔风一样飘拂……

(2)构建了系统配置与重构流程和数字孪生平台框架，为系统配置与重构平台和数字孪生平台等关键使能工具的开发提供了指导。

(3)参照信息参考体系架构完成了基于液压阀生产线的交钥匙工程信息体系结构的建立，为参考体系从架构到实施的映射环节提供了参考范例。

目前，系统配置与重构平台和数字孪生平台等关键使能工具尚不成熟，需要不断加以完善，从而为交钥匙工程的推广实施提供配套支持，这将是未来的研究方向。