5.4 制造业与物联网融合的必要性

面向多品种、变批量生产模式的离散制造车间，通常需根据产品的自身特点来个性化地制定加工路线，离散制造过程本身具有的动态性和不确定性，加之多种类型、不同数量产品的混线生产，大幅度地增加了制造车间生产过程管理的复杂性，导致车间订单的生产进度难以把控，严重制约了离散制造车间现代化发展的步伐。面对残酷的市场竞争压力，离散制造业迫切需要采用先进的管理方式，提升自身的信息化水平。目前，离散制造车间的生产过程管理主要存有如下几个问题。

1）车间生产要素管理难度高

离散制造过程涉及多种不同加工路线的产品生产，其制造现场存在的生产要素繁多，包括生产人员、在制品、物料、工装、自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）转运车辆等。各生产要素按照不同的工艺路线流转在车间各个工位之间，造成制造环境混乱复杂，管理人员难以掌握各生产要素的状态信息。

2）实时可靠信息获取难度大

传统离散制造车间对于生产要素进入/离开工位时间、在制品加工时长、生产要素位置信息、设备运作状态等信息的记录一般采用纸质记载或者扫码枪录入的方式，对于实时生产过程信息的获取存在很大的延迟性，加上人为操作存在的缺失和失误，信息的准确性和完整性也较难得到保证。当车间现场出现设备故障停机、物料工具短缺、紧急任务插入等生产异常时，由于缺乏及时、准确的实时生产过程信息，生产异常会逐渐蔓延，对生产进度造成重大影响，最终导致订单不能按时交付。

3）生产过程信息利用率低

车间现场采集到的生产过程信息总量庞大，但大都以某具体生产要素对应的时间和位置数据单独呈现，通常车间人员只是对其进行简单记录。而对于车间管理人员更加有用的车间生产事件信息蕴藏在这些零散的数据中，需要对其进行进一步的分析处理才可获得。对生产过程信息进行充分挖掘，使其得到充分有效地利用，用于对车间生产进行调度决策，是提高离散制造车间信息化水平、推动车间智能化转型的基础。

离散制造车间的生产过程管理中存在的上述问题都在不同程度地影响企业的生产能力和经济效益。企业若要满足市场激烈竞争环境下生产能力的需求，需摆脱传统的“黑箱”制造模式，全面获取车间生产过程信息，通过多种信息挖掘方法对信息进行准确分析，以提取生产过程中的异常情况，实现对离散制造车间的生产过程的精细化管控。可见，向实时化、信息化和智能化车间的转型已是离散制造车间未来一致的发展方向。

随着德国“工业4.0”的提出，传统意义上关于制造业产业模式的概念发生了改变，同时引起了全世界范围内的改革热潮。“工业4.0”是以工业互联网为技术基础，以智能制造为中心的工业革命战略，目的是形成一个“数据-信息-知识智慧-决策”的生产制造智能闭环。为抢先抓住市场机遇，中国随之提出了深度融合工业化及信息化的实施中国制造强国战略，全面推动制造业转型智能化，其中，制造物联技术正是实现2025目标的关键使能技术。制造物联技术的本质概念为一种能使制造车间现场所有物理资源相连互通的技术，它以RFID、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）、嵌入式传感器网络为技术支撑，通过约定的通信协议，以高可靠性、高安全性的传输方式进行实时信息交互，打破了制造车间中“人员-设备-物料”三者之间的信息交互壁垒，实现了车间生产过程中海量实时信息的感知与采集。

制造物联技术可实现对车间所有底层制造资源信息的实时信息化管理。但由于离散制造现场环境的复杂性和物理资源的混杂性，在很短的时间内即可获得大量的制造物联数据。例如，在一个部署了30台RFID读写器、10组UWB定位设备的离散制造车间，在正常运行情况下，每秒会采集上万条数据。这些数据大多为重复、不可靠数据，所表示的信息语义层级较低且相互之间缺乏联系，无法被车间管理人员直接使用。管理人员更关注的是生产过程中是否发生了物料配送错误、缓存区堆积、资源短缺等可能会影响车间生产进度、破坏生产过程动态平衡的生产异常。因此必须对原始制造物联数据进行信息提炼，精确、实时地提取生产过程中存在的异常信息，才能为上层管理决策提供有效的信息支撑。

从原始制造物联数据中提取到的生产异常信息可使车间管理人员直观地了解到离散制造过程中发生的异常，然而由于离散制造系统的复杂性和自身的调节性，一些生产异常，如个别产品加工时间过长、生产资源短时间内未按时到达某工位等，它产生的影响可能会随生产过程的进行而自行消失，不会影响生产任务的正常执行，且频繁处理生产异常极容易导致生产系统震荡而影响生产顺利进行。另有一些生产异常，如机床设备故障、工位物料长期堆积、工人操作不熟练等，若不关注，则可能会导致其影响程度蔓延，最终导致生产任务难以按时完成。只有对生产异常进行准确分析，评估生产异常会对整个生产过程产生的影响程度，才能使管理人员根据生产异常及其影响程度进行及时精准调控，提高对生产异常的实时响应能力。

5.4.1 生产现场对物联网的需求分析

离散制造业生产现场对物联网的需求有以下几个方面。

1）车间信息采集和实时监控

在离散制造车间现场制造数据的采集一直是一个难题，传统的以纸质文档作为载体、手工记录的数据采集方式存在着明显的缺陷，纸质文档容易遗失、损坏，手工记录难免出错，数据查找起来困难；条形码技术的识别距离很短、读取的方向性要求高、读取速度慢、能携带的数据量小且不可重写、易污损等缺点，限制了其在离散制造车间的广泛使用；像机械打标、激光刻字及喷码技术都曾用在离散制造车间进行在制品的标识，但都因为各自的局限性不能在车间进行全面的使用。RFID技术由于其特有的非接触远距离识别、电子标签信息存储量大等优点，特别适合对离散制造车间的制造资源和在制品进行自动标识，实现对离散制造车间现场制造数据的实时采集。

对于车间的每个生产工位，在对在制品进行加工的过程中，通过可视化技术第一时间向操作工人发放所需要的工艺文件、零件图纸、数控程序及检验标准等，同时将机床运转的状况、工装配备状况及物料的准备状况进行实时反馈，指导操作工人进行每道工序的生产加工，当出现机床故障、物料不足的情况，及时进行工位的报警，提醒现场操作工人及时处理，避免质量隐患，从而提高制造过程的生产效率和加工质量。对于离散制造车间的管理人员，可以实时的监控物料从投入到产品入库全过程的制造数据，包括生产设备的信息和状态、生产的工人、采用的工装、每道工序的质检数据和时间等，使得管理人员能够针对目前的生产状况做出正确的生产决策。

2）车间对象的实时定位

随着无线通信技术、云计算和物联网应用的不断发展，基于地理位置信息的服务越来越受到人们的青睐。与此同时，为各种室内外服务提供基础位置信息的定位系统的相关研究也获得了越来越多的关注。现如今，自动感知定位技术已经成为相关学术界的一个研究热点，各种各样的定位系统正被深入应用到物流、煤矿、制造、军事等生产和生活的各个领域中。自动位置感知及相关的位置服务正在改变我们以往的社会生活方式。

作为蓬勃发展的物联网核心技术，RFID技术是继条形码技术、磁卡技术、视觉识别技术及声音识别技术之后，出现的又一种非接触式自动识别技术。RFID技术未来的应用空间将更为广阔。由于RFID读写器读写距离灵活可调，RFID定位已成为当前室内定位研究中的焦点。近年来，RFID技术广泛应用于仓库和供应链管理、航空行李包裹处理、门禁控制管理、交通管理、防伪防盗、图书馆管理、煤矿人员定位、电子门票和道路自动收费等方面，这也大大推动了RFID技术在室内定位领域的应用。RFID定位系统具有自组网特性，不依赖于卫星和网络信号，其精确度在于RFID读写器与电子标签的分布情况，这大大提高了定位系统的适应性，用户完全可以根据自己的特殊环境，布置特定的RFID定位系统以满足实际的定位需要。调查显示，仅2006年一年时间，RFID读写器与电子标签的市场销售额同比增长了300%，在大型超市、图书馆、医疗部门、部队训练等需要定位及导航的领域，都可以看到RFID定位系统的应用。丰田汽车将RFID定位系统应用在汽车零配件物流供应链中，该系统不仅节约了人工成本，缩短了流程，还提高了整个生产流程的自动化水平。

区别于流程型制造，离散制造主要是通过对毛坯原材料的间断性加工，使其物理形状依次改变，生成所需零件，最后完成产品的组装。将RFID定位系统引入离散制造车间领域填补了RFID定位系统在底层制造车间应用的空白，一方面能够实现人员与生产要素的快速定位，提高车间的可控能力；另一方面能够满足用户对基于地理位置的提醒和兴趣服务的需求。基于RFID技术的离散制造车间定位系统将大大加快我国打造智能化制造车间的进程，对拓展中国制造业信息化具有深远的意义。

5.4.2 生产管理对物联网的需求分析

制造业生产管理对物联网的需求有以下几个方面。

1）物联网对生产调度规划的促进

在大多数生产制造情况下，来自原材料、零件、组件、在制品及最终产品的物理和信息流往往是相当复杂的。对生产过程中的延误或干扰如果没有获得及时完整的信息，企业将面临诸多问题，如有效的生产计划、调度和控制，丢失物品，产品质量低或高缺陷率等，这些也都是制造企业遇到的问题。虽然当前我国制造企业信息化水平有了较大的提高，但是仍存在生产制造的监控、企业信息系统的支持等无法解决的难题。而物联网的出现，为制造企业遇到的问题提供了很好的解决方案。通过传感器网络、RFID等物联网的关键技术，对制造业的生产调度规划带来新的促进作用。

在传统的离散制造生产管理系统中，计划员制定生产调度表，并由车间管理人员以纸质的任务卡形式发放给工人，定期返回生产报告。一方面，任务卡的制定是计划员根据他们以往的经验而不是标准化的规则，因此没有完全合适的计划。另一方面，从车间管理人员处返回的报告往往是滞后的、不准确的。这往往导致车间管理人员指责计划员制定了无法实现的计划，而计划员抱怨计划没有适时地被执行和报告。因此，这样的滚雪球效应引发了诸如在制品库存量大的情况。

传统的离散制造生产调度无法实时解决生产计划与执行不一致的问题。在生产调度规划方面，物联网技术改变了传统的调度模式，使得生产调度更具有实时性。通过结合物联网技术、IT技术和企业信息系统，实时反馈生产作业计划执行情况，为离散制造动态调度提供更为准确的决策依据，使得离散制造生产调度系统从开环变为半闭环，对制造过程进行监控、检测、预测、信息共享等，高效地组织并运行生产活动。

通过建立一个统一的数据模型，全面统筹整个制造车间所需要的基础数据和现场采集到的数据。基础数据是指车间所有制造资源的属性数据和生产制造过程中涉及的文件，包括机床、人员、工装等的基本信息，工位生产计划，工艺文件，质检文件，零件图纸等，它是各种编码信息转化为可以理解的实际意义的基础，同时，将现场采集到的半结构化的数据与结构化的基础数据相互融合进行统一的数据建模，使车间管理人员对车间的资源状况有全局的认识，为实现基于物联网的车间生产调度规划提供全面可靠的实时数据支持。通过物联网技术能获取丰富全面的离散制造车间的实时数据，基于这些准确的制造数据进行统计分析，使得车间管理人员可以准确清晰地获得在制品、机床、工人的状况，轻松掌握每道工序的工时，对整个产品及订单的进度现状做出科学的判断和决策，合理安排车间的制造资源，优化资源配置。

随着制造物联网的提出及关键技术的发展，基于RFID传感器网络技术的网络化制造、实时制造、无线制造等智能制造技术，对传统制造企业的转型升级起到了关键性的推动作用。物联网技术应用在制造领域，为车间现场采集实时制造数据提供了技术条件。因此，这些实时反馈的确定的动态事件，可以为动态自适应调度提供更加精确的决策依据。这将促使动态调度领域研究从理论硏究走向应用实践，并为之提供技术支撑。

2）物联网与企业信息系统的结合

物联网是实现企业管理信息化核心技术理论之一，近年取得了迅猛的发展。作为信息化技术中的一项前沿、核心技术，物联网已经引起了各国政府、研究机构、企业和学术界的广泛重视，尤其是在美国、欧盟、日本、韩国等国家的积极研发与推动下，近年来已取得了一定的进展。物联网直观上是一类连接物品的互联网，是下一代网络和互联网发展的必然产物。

传统离散制造企业生产物理底层与企业信息系统之间存在断层，缺少制造过程生产数据的实时反馈、快速应对生产情况的能力及企业信息系统的生产优化管理等。基于物联网中RFID等技术的实施，一些成熟但成本较高的生产解决方案开始出现。利用先进的RFID系统，为企业信息系统提供来自制造过程底层的数据支持，通过Web Service技术实现系统之间的信息交换和数据集成，与上层的信息管理系统协同运作，进一步加速企业信息化发展。

基于物联网技术的发展，高度的信息共享促使企业可以通过优化业务流程和资源配置强化运行细节管理和过程管理，追求持续改进，推动企业不断适应内外环境的变化，提高核心竞争力和创造能力，达到精益管理，从而提高制造业生产力。基于物联网技术的泛在信息系统将实现专业分工更加细化、明确，同时，物联网通过全面感知、可靠传递、智能处理使信息到达不同目标，实现共享，因而高度共享的信息资源、高度细化的专业化分工，极大地提高了工作效率，帮助企业节约成本，提高竞争力。

通过与MES、CAPP系统的应用集成接口，物联网管理系统获取车间工位生产任务和产品的工艺文件，经工位任务下达，将每个加工工位的物料配送计划和工位任务，连同相应的工艺文件和质量检验标准一起下发到物联网车间的各个工位，每个车间工位可以通过电子看板和手持式多功能数据终端对文件数据进行接收。同时在生产过程中，RFID读写器和多功能数据采集终端对生产过程中的在制品数据、人员数据、设备数据、质量数据实时地进行釆集，经过实时数据的融合处理后，有效的过程数据被相应的数据流程控制和数据统计分析相应的功能模块提取和处理，并通过可视化接口实时地反馈给车间管理人员，形成物联网车间生产管理的闭环控制。