数据驱动的低碳制造车间信息物理系统互联配置与效能优化方法研究

As manufacturing industry is an important part of the national economy, the theoretical research and application promotion of cyber physical systems (CPS) in a low-carbon manufacturing workshop not only can greatly improve the information level of manufacturing enterprises, but also provide the theoretical guidance for the national strategy of “Green Manufacturing”. Here, exploring the operation logic and interaction mechanism of the complex mixed-flow manufacturing processes, revealing the configuration rules of the CPS in a low-carbon manufacturing workshop, and collecting the production/energy/carbon emission data through the CPS sensor network are the core issues of this kind of CPS. Therefore, focusing on CPS in a low-carbon manufacturing workshop, some advanced studies will be conducted in this project, which include CPS sensor interconnection configuration of a low-carbon manufacturing workshop, CPS-driven manufacturing data acquisition and context perception, information computing for energy conservation and emission reduction, performance evaluation and low-carbon control of CPS, and verification of production case. The main target of this project is to realize the development of CPS integration system which covers the running pattern, methods and techniques for carbon emission reduction. It is also expected that the exploration of this project will promote the improvement of enterprise information level and the low-carbon upgrading of manufacturing industry.

制造业是国民经济的重要组成部分，大力发展面向节能低碳的离散制造车间信息物理系统（Cyber Physical Systems，CPS）方面的理论研究和应用推广，不仅可以极大地提升制造企业信息化水平，也为我国“全面推行绿色制造”战略提供理论支撑和方法指导。其中，探索复杂混流生产模式下制造过程运行逻辑及其交互作用规律，揭示低碳制造车间CPS传感互联配置机理，并依托CPS传感网络采集生产/能耗/碳排放数据以实现信息融合与效能优化是其核心内容。本项目拟以低碳制造车间CPS为研究对象，从低碳制造车间CPS传感互联配置、低碳制造过程数据采集与状态感知、面向节能减排的信息计算、数据驱动的CPS效能评估与低碳控制、生产案例验证等方面研究其配置模型、运行机理和控制方法，实现在运行模式、理论与方法、关键技术层面上支撑低碳制造车间CPS集成系统的研发，以促进我国制造企业信息化水平的提高与制造业的低碳升级。

作为国民经济的重要组成部分，我国制造业目前正在不断向智能制造与低碳制造方向转型，而大力发展面向节能低碳的离散制造车间信息物理系统（Cyber Physical Systems，CPS）方面的理论研究和应用推广，可以极大地提升制造企业的智能化水平与市场竞争力，但当前制造企业信息化与低碳转型中仍然存在异构数据处理及运行控制方法缺失等问题。为此，本项目通过将信息物理系统CPS引入离散制造过程中，从低碳制造车间CPS传感网络架构、CPS驱动的制造大数据分析、数据机床节能控制决策与生产系统隐性异常分析等方面进行研究，提出了能耗感知的信息物理系统架构，并据此建立了大数据驱动的离散制造车间实时能效分析方法。同时，为了降低机床等待能耗，构建了一种制造实时数据驱动的机床等待时间预测与节能控制方法；考虑到制造过程的复杂性和动态性，提出了基于深度置信网络的CPS隐性生产异常分析方法。通过上述工作，实现了物联网技术、大数据处理与制造车间节能控制的融合，并结合某电梯制造车间的系统开发与案例分析，验证了相关模型和算法的应用价值，从而促进我国制造企业信息化水平的提高和制造业的低碳升级，为智能车间的节能控制提供了决策支持。借助本项目，目前共发表学术论文9篇，其中SCI论文4篇，EI论文4篇，申请国家发明专利1项，登记软件著作权1项；参与指导硕士研究生2名，总体完成了项目规定的研究目标与技术指标。