认知与服务计算驱动的新一代服务型制造执行系统运行理论研究

When manufacturing is considered as the state's economic lifeline, a new type service oriented manufacturing execution system (soMES) is also acting as the main driving force to facilitate the upgrade of the current shop-floor manufacturing capability. Exploring the interaction and value-added service principles of the manufacturing-services such as production outsourcing and crowdsourcing services, processing the information of process status, working condition and workpiece quality timely based on service and cognitive computing, and further sharing this information on the whole manufacturing-service network are the core issues of the new type soMES. Focusing on the problems about service oriented manufacturing execution process and resource utilization, some deeply studies will be conducted in this project on modeling of operating mechanism and value-add services, fusing of multi-iPSS, information services and cognitive computing based on the internet of things (IOT) in shop-floor and two-way autonomous interaction between human and objects, modeling of the nondeterminacy on production scheduling, and a production case study. By figuring out the three key scientific and technical difficulties including the value-added service principle based on the multi manufacturing-service mode, scheduling theory based on the complex and mixed-flow production mode, and information computing principle related to the complicated manufacturing process, this project will provide services for the next generation soMES comprehensively in operating mode layer, theory and methods layer, and key technologies layer, etc, and sequentially meet the objective fusion of manufacturing and production services.

制造是国家经济的命脉，而新一代服务型MES系统是当前车间制造能力升级的驱动力。其中，探索基于车间级生产性外包/众包、多iPSS协同工作及公共外库等多制造服务机制的交互作用规律和服务增值原理，并依托服务与认知计算等方法实时处理过程状态和工况、工件质量信息并在整个制造服务网上进行共享等是实现这种新型MES系统的核心环节。本项目以服务型制造执行过程与资源利用问题为对象，拟从运行机理与服务增值建模、装备与公共外库的多iPSS融合、面向车间物联网和"人-物"双向自治交互的信息服务和认知计算、生产排程与调度等的不确定性建模、生产案例验证等方面进行研究，通过解决多制造服务模式下的服务增值机理、复杂混流生产方式下的排程/调度等新机制、复杂制造服务过程相关的信息计算原理等三大技术难点与科学问题，实现在运行模式、理论与方法、关键技术等层面上支撑新一代服务型MES系统的研发，达到制造与生产性服务相融合的目标。

制造与服务融合是制造产业发展与产业升级的必由之路。本项目以多生产性服务模式下制造执行过程控制和制造资源利用为突破口，依托服务计算和认知计算等信息计算技术解决了面向复杂混流式制造任务的车间级制造执行系统运行的理论问题，揭示了多制造服务运行模式下制造资源e-服务节点的融合机制及交互规律。其中，在“SC-soMES运行机理与特征分析”方面，通过研究车间级服务型制造系统的资源配置特点和现有的服务模式及其交互关系，提出了SC-SoMES的体系结构；利用RFID对车间物流进行监控配置，构建面向工件多工序加工过程的传感检测网络；从复杂网络的角度对其各拓扑构型和特征进行分析；在“生产性外包/众包服务及其多iPSS融合”方面，在分析服务型制造车间双重角色的基础上，建立了基于多iPSS的服务资源优化配置模型；根据加工任务需求，利用车间多iPSS服务之间的内在关系，通过对服务进行分解、组合，形成满足加工任务的服务流，以服务成本、时间等为优化目标，以服务之间的关系为约束条件，选出最优服务资源。在“车间物联网驱动的制造数据采集”方面，根据认知科学中人类认知过程中的不同抽象层级，将制造服务过程中车间制造资源分为制造车间生产资源、感知单元、传输网络、数据库、监控单元、决策单元和执行机构等组成部分，在此基础上，提出了车间制造服务过程的认知计算架构。在“复杂混流生产排程和系统全局运行调度”方面，分析了车间制造过程中各种干扰因素，将动态调度的触发因素分为显性因素和隐性因素，通过将两种触发因素的表现形式归一化为生产进度累积误差，提出了基于RFID的制造车间生产进度累积误差计算模型，据此，建立了复杂混流生产的排程与动态调度决策模型。在“生产运行案例及验证”方面，课题组开发了新一代SC-soMES软件原型系统，并在课题组所在实验室车间、上海电气电站设备有限公司汽轮机厂、西安西电高压开关有限公司等相关企业的服务型车间进行了部分功能模块的案例测试与工程应用示范，达到了理论研究和实践应用的双重目的。