云邊協(xié)同的智能制造系統(tǒng)

隨著新一代信息通信技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，消費(fèi)者消費(fèi)行為和模式不斷改變，以及國家間制造業(yè)乃至綜合國力競爭日趨激烈，許多國家紛紛提出了智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，如德國提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃、美國提出的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴” 計(jì)劃，以及中國提出的“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃等，以期在未來的產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)競爭優(yōu)勢地位。相應(yīng)的，一些智能制造的理念 / 概念被相繼提出，包括云制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

智能制造的概念最早可追溯到上世紀(jì) 80代。日本在 1990年4月啟動了“智能制造系統(tǒng)IMS”國際合作研究計(jì)劃，美國、加拿大、澳大利亞等許多發(fā)達(dá)國家，以及歐洲共同體參加了該項(xiàng)計(jì)劃。目前，關(guān)于智能制造還沒有統(tǒng)一的理解和定義。周濟(jì)等歸納總結(jié)出了智能制造的三個基本特征，即數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化（又稱為“新一代智能制造”）。智能制造系統(tǒng)以工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云為兩大支撐。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是新一代人工智能技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合，智能制造云則是基于云制造理念構(gòu)建的智能化云制造服務(wù)平臺。

受到工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時分析和控制，以及安全和隱私等方面需求的驅(qū)動，在智能制造系統(tǒng)中引入邊緣計(jì)算成為一種趨勢。尤其是 5G 技術(shù)的推廣使得制造設(shè)備的大范圍高速鏈接成為可能，將為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供強(qiáng)有力的支撐。但如何實(shí)現(xiàn)云平臺、邊緣系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的相互協(xié)同（簡稱“云邊協(xié)同”），達(dá)到制造系統(tǒng)的整體優(yōu)化，從而高效、安全、高質(zhì)量地完成制造全生命周期的各項(xiàng)活動和任務(wù)，是智能制造系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)。

近年來，智能制造系統(tǒng)中的云邊協(xié)同問題受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。但關(guān)于云邊協(xié)同智能制造的研究總體上還處于起步階段。針對該問題，本文分析了智能制造需求和挑戰(zhàn)，提出一個云邊協(xié)同智能制造的系統(tǒng)架構(gòu)；分析了云邊協(xié)同的特點(diǎn)，對一些具有代表性的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，最后給出一個智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同調(diào)度方案。

1 智能制造系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云的構(gòu)建及其高效協(xié)同是智能制造系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)前智能制造發(fā)展在下述幾個方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。

? 智能制造云構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步突破。智能制造云是根據(jù)云制造理念將制造資源 /制造能力虛擬化和服務(wù)化的產(chǎn)物，是物理制造系統(tǒng)的虛擬化映射。智能制造云對于智能制造系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及其優(yōu)化發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。智能制造云構(gòu)建已經(jīng)研究了很長時間，然而，目前的研究主要針對軟制造資源和簡單硬制造資源開展虛擬化和服務(wù)化研究，復(fù)雜異構(gòu)多樣的硬制造資源的虛擬化和服務(wù)化技術(shù)尚有待進(jìn)一步突破。

? 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建存在諸多挑戰(zhàn)。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是規(guī)模巨大的工業(yè)要素和工業(yè)過程的智慧聯(lián)網(wǎng)，是智能化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了分布式裝備、產(chǎn)線、車間、工廠等智慧化互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)物理制造系統(tǒng)的智能感知和云端接入。因此，構(gòu)建工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的前提和基礎(chǔ)。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的目的是要將分布式產(chǎn)線的各種要素通過各種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)互聯(lián)互通、智能感知和數(shù)據(jù)預(yù)處理等。當(dāng)前工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建面臨著一系列數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化挑戰(zhàn)，例如，① 工業(yè)設(shè)備數(shù)字化程度有待提高，缺少開放接口，設(shè)備間缺少統(tǒng)一的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)；② 工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備異構(gòu)多樣，協(xié)議復(fù)雜，互聯(lián)互通困難；③ 工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和產(chǎn)線無法實(shí)現(xiàn)全面、智能感知，關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法獲取。④ 可采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，難以利用。

? 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云集成和協(xié)同有待深入研究。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云互為支撐，構(gòu)成了一個規(guī)模巨大的信息物理系統(tǒng)（CPS，其中 C 是智能制造云、P 是工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)），保證智能制造系統(tǒng)的穩(wěn)定、優(yōu)化運(yùn)行。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云的集成和協(xié)同是構(gòu)建集成統(tǒng)一的智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。然而，由于智能制造系統(tǒng)分布、異構(gòu)、規(guī)模巨大的特點(diǎn)，兩者的集成和協(xié)同面臨著巨大挑戰(zhàn)。特別是在云邊協(xié)同方面，需要垂直打通制造生命周期的各個環(huán)節(jié)，并處理大量動態(tài)、不確定性因素。目前還缺乏有效的針對智能制造系統(tǒng)的云邊協(xié)同總體框架、機(jī)制和技術(shù)。

? 電子商務(wù)云平臺與智能制造云平臺的融合存在鴻溝。智能制造將催生制造業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)，包括從大規(guī)模流水線轉(zhuǎn)向規(guī)模化定制生產(chǎn)，以及從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變等。然而，目前智能制造的發(fā)展主要是技術(shù)驅(qū)動的，缺乏可持續(xù)的商業(yè)模式。過去 20 年，我國在電子商務(wù)模式方面的創(chuàng)新實(shí)踐方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，這對于智能制造商業(yè)模式的探索具有重要參考價值；另一方面，電子商務(wù)的發(fā)展也呈現(xiàn)出向生產(chǎn)環(huán)節(jié)延伸的趨勢。電子商務(wù)和智能制造結(jié)合將成為今后的發(fā)展方向，對制造模式產(chǎn)生深刻的影響。但由于在發(fā)展理念、服務(wù)對象、產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)等方面的差別，兩者的融合存在較大鴻溝。

? 制造系統(tǒng)的安全可信問題面臨更大挑戰(zhàn)。安全可信問題一直是影響企業(yè)在云端開展業(yè)務(wù)（特別是核心業(yè)務(wù)）的關(guān)鍵因素之一。在智能制造中，企業(yè)通過工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將資源接入智能制造云平臺，信息系統(tǒng)安全和物理系統(tǒng)的安全相互影響，使整個制造系統(tǒng)的安全和信任問題變得更加復(fù)雜。云平臺、邊緣系統(tǒng)及設(shè)備端需要統(tǒng)籌考慮，商務(wù)流通安全、數(shù)據(jù)信息安全、設(shè)備運(yùn)行安全需要協(xié)同管理，關(guān)鍵系統(tǒng)的研發(fā)更需要完全自主可控。

2 云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)概念模型

云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)的概念模型如圖1所示，這里特別將智能商務(wù)云平臺引入智能制造系統(tǒng)。自頂向下分別為智能商務(wù)云平臺（云1）、智能制造云平臺（云2）、邊緣系統(tǒng)（邊），以及工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)（端），從而形成了一個云 - 云 - 邊 - 端協(xié)同的智能制造系統(tǒng)。

? 智能商務(wù)云平臺（云1），匯聚了智能制造的各類參與者，包括產(chǎn)品 / 服務(wù)提供者、消費(fèi)者和運(yùn)營者。其主要功能是允許平臺運(yùn)營者配置商務(wù)邏輯和規(guī)則，使得提供者和消費(fèi)者能順利進(jìn)行協(xié)商和交易，協(xié)調(diào)各方的利益。引入智能商務(wù)云平臺，能以商務(wù)模式的創(chuàng)新帶動制造模式的創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)智能制造平臺 / 系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

? 智能制造云平臺（云2），主要負(fù)責(zé)與制造直接相關(guān)的功能（例如設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)、測試等）。需要借助于大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)，充分利用智能商務(wù)云平臺的客戶資源，為產(chǎn)品全生命周期涉及的各類客戶提供豐富的制造服務(wù)應(yīng)用，形成以電商為龍頭的新型智能制造模式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的個性化制造和社會化制造。

? 邊緣系統(tǒng)（邊），主要分布在云平臺和物理設(shè)備之間，特別是靠近制造設(shè)備的地方執(zhí)行設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲分析、在線仿真、實(shí)時控制等功能， 同時與智能制造云進(jìn)行高效通訊和協(xié)同。

? 工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備（端），主要包括分布式智能工廠、智能車間、智能產(chǎn)線中包含的各類異構(gòu)制造設(shè)備。設(shè)備之間通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，并與邊緣系統(tǒng)和云平臺實(shí)時協(xié)同，采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時接收相應(yīng)的指令。

圖 1 云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)概念模型

2.2 云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)功能架構(gòu)

云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。智能商務(wù)云平臺主要負(fù)責(zé)商務(wù)相關(guān)的功能，包括用戶管理、訂單管理、合同管理、業(yè)務(wù)撮合、交易管理、可信認(rèn)證，以及其他的管理功能；智能制造云平臺主要負(fù)責(zé)與制造相關(guān)的功能，包括制造任務(wù)分解、多學(xué)科協(xié)同云設(shè)計(jì)、制造服務(wù)匹配與組合、制造服務(wù)可信評估與保障、云排產(chǎn)與調(diào)度、制造資源云管理、生產(chǎn)過程云管理、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、孿生模型構(gòu)建與仿真、智能應(yīng)用，以及制造業(yè)務(wù)相關(guān)的其他功能；邊緣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)制造資源智能感知、邊緣實(shí)時監(jiān)測與控制、多源數(shù)據(jù)處理與分析、故障檢測、邊緣快速仿真、生產(chǎn)執(zhí)行實(shí)時管理等功能；底層的制造設(shè)備層包括各類分布異構(gòu)的制造設(shè)備，典型的如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、3D 打印機(jī)、加工中心、生產(chǎn)線、AGV 小車等，這些設(shè)備或系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)鏈接，形成智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化和安全管理貫穿各個層次。各層之間的功能相互依賴和影響，需要高度協(xié)同才能順利完成制造任務(wù)。

圖 2 云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同特性

智能制造系統(tǒng)是廣域分布、參與者眾多、功能復(fù)雜的智能制造系統(tǒng)。因此，智能制造系統(tǒng)中的云邊協(xié)同具有以下特征。

? 從系統(tǒng)構(gòu)成的角度，包括中心化的智能制造云平臺、分布式的智能工廠 / 產(chǎn)線。因此，智能制造系統(tǒng)的云邊協(xié)同是一種一（云平臺）對多（邊緣系統(tǒng)）的協(xié)同。

? 從參與者的角度，包括平臺運(yùn)營者、資源 / 服務(wù)提供者，以及資源服務(wù)用戶（即消費(fèi)者）。因此，智能制造系統(tǒng)的云邊協(xié)同實(shí)際上是各個參與方圍繞制造業(yè)務(wù)需求開展的多主體協(xié)同。

? 從協(xié)同過程的角度，由于智能制造系統(tǒng)中制造資源和用戶的廣域分布特性，制造過程需要物流的參與才能完成。因此，其協(xié)同過程還包含著交易過程、生產(chǎn)過程和物流過程的協(xié)同。

? 從功能的角度，云邊系統(tǒng)都包括 IaaS、PaaS 和 SaaS 三個層次。因此，智能制造系統(tǒng)的云邊協(xié)同至少包括以上三個層面的協(xié)同。

下文主要從功能的角度分析智能制造系統(tǒng)的云邊協(xié)同過程。面向功能的智能制造云邊協(xié)同包括三個層次，如圖 3 所示。云邊 IaaS 層的協(xié)同主要是基礎(chǔ)設(shè)置資源之間的協(xié)同，云邊PaaS 層的協(xié)同主要是數(shù)據(jù)分析 / 建模之間的協(xié)

同，而云邊 SaaS 層的協(xié)同主要是業(yè)務(wù)和分析優(yōu)化之間的協(xié)同。底層的協(xié)同支撐了高層協(xié)同的實(shí)現(xiàn)。通過以上三個層次的云邊協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)全面有效的云邊協(xié)同。

4 智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

如圖1和圖2所示，一個制造任務(wù)是通過商務(wù)云、制造云、邊緣系統(tǒng)和制造設(shè)備等各部分相互協(xié)作共同完成的，要保證這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)能協(xié)調(diào)運(yùn)行，除了各部分的通用技術(shù)之外，還需要一系列面向協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)作為保障。這些技術(shù)大致可以分為 6 類。

圖 3 智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同的三個層次

（1）數(shù)據(jù)協(xié)同處理技術(shù)

通過各類傳感器可以采集到制造設(shè)備和環(huán)境的海量數(shù)據(jù)，特別是 5G 技術(shù)的應(yīng)用使得連接和傳輸更加方便和快速，制造數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量都會大幅增長。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和利用，將變得更加困難。而如果能根據(jù)云平臺中或邊緣節(jié)點(diǎn)相關(guān)制造活動的需求，有目的、有選擇地進(jìn)行精準(zhǔn)采集，則可以大幅減少數(shù)據(jù)處理和管理的負(fù)擔(dān)，并更好地服務(wù)于制造任務(wù)。目前這方面的研究還比較欠缺。對數(shù)據(jù)的分析和處理也需要云端和邊緣端相互配合。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和用途將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分別在邊緣端和云端進(jìn)行處理，云端處理好的數(shù)據(jù)， 或建立的模型，再返回邊緣系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。通常，邊緣節(jié)點(diǎn)更多處理對實(shí)時性、安全性有更高要求的數(shù)據(jù)，而云平臺處理結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、使用周期長、對計(jì)算資源要求較高的數(shù)據(jù)。

（2）協(xié)同建模與仿真技術(shù)

建模仿真技術(shù)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用涉及產(chǎn)品的全生命周期，貫穿于整個制造系統(tǒng)，可以在制造活動實(shí)施之前進(jìn)行分析、預(yù)測和優(yōu)化，并提供決策支持，是提高制造系統(tǒng)效率、縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期、降低成本、提高質(zhì)量的關(guān)鍵。

因此，無論在商務(wù)云平臺、制造云平臺，還是邊緣系統(tǒng)甚至制造裝備或生產(chǎn)現(xiàn)場，都有建模仿真活動，用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場培訓(xùn)、故障預(yù)測等各種場合。近年來，在制造領(lǐng)域廣受關(guān)注的基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）、模型工程、數(shù)字孿生等理念和技術(shù)，進(jìn)一步推動了建模仿真在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)全過程的一體化、全系統(tǒng)、云邊端協(xié)同建模仿真是當(dāng)前研究重點(diǎn)，內(nèi)容涉及一體化建模語言、混合系統(tǒng)建模、模型協(xié)同驗(yàn)證與評估、高效能模型解算、分布式仿真引擎、跨媒體智能可視化等。

（3）制造服務(wù)可信評估和保障技術(shù)

制造云服務(wù)可信問題是目前影響制造用戶上云的瓶頸之一。由于云平臺上服務(wù)數(shù)量眾多，供需雙方選擇范圍擴(kuò)大，同時建立交易關(guān)系較快且成本較低，交易雙方的信任問題變得更加突出。而由于制造服務(wù)大多包含物理資源，云邊協(xié)同過程牽涉因素眾多，協(xié)同過程及制造云服務(wù)運(yùn)營過程中難免出現(xiàn)信息被篡改、響應(yīng)不及時、功能不正確、性能不穩(wěn)定、系統(tǒng)不魯棒等情形，都將影響制造云服務(wù)的可信性。因此僅從云服務(wù)在平臺中的外部表現(xiàn)和宏觀信息來判斷和保證可信不夠，還需要從構(gòu)成云服務(wù)的各類資源，特別是邊緣側(cè)的物理資源，以及云 -邊協(xié)同的過程（即從微觀的角度）來考察和保證云服務(wù)的可信性。云邊協(xié)同智能制造中的可信通常包括用戶 / 企業(yè)服務(wù)信息可信、用戶 / 企業(yè)制造資源可信、云平臺服務(wù)可信，以及服務(wù)從生成到應(yīng)用的全生命周期可信等。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括制造服務(wù)多維可信評估指標(biāo)體系，主觀客觀相結(jié)合的可信動態(tài)評估技術(shù)，孿生模型定量校核、驗(yàn)證與確認(rèn)（VV&A） 技術(shù)，基于制造大數(shù)據(jù)的服務(wù)行為識別技術(shù)，基于區(qū)塊鏈的可信機(jī)制構(gòu)建與可信保障技術(shù)等。

（4）云邊協(xié)同調(diào)度技術(shù)

調(diào)度是高效完成制造任務(wù)的關(guān)鍵，也是制造領(lǐng)域的一個傳統(tǒng)的研究方向。在云邊協(xié)同環(huán)境下，云端、邊緣端和車間 / 設(shè)備端都存在服務(wù)或資源的調(diào)度問題，每個層面的調(diào)度具有不同的特點(diǎn)和要求。云平臺中的服務(wù)調(diào)度本質(zhì)上是開放、動態(tài)、不確定環(huán)境下，海量社會制造資源廣域范圍內(nèi)跨組織優(yōu)化配置過程，而邊緣和車間 / 設(shè)備端則處在相對封閉的環(huán)境中，對調(diào)度的實(shí)時性、可靠性要求非常高。這幾個層次的制造活動必須高度配合，并在時間和空間上保持協(xié)調(diào)一致，才能順利完成一個復(fù)雜的制造任務(wù)。由于云邊端各層面均存在不同程度的不確定性，在調(diào)度過程中需要實(shí)時感知物理制造資源的狀態(tài)，并對動態(tài)發(fā)生的異常和干擾事件做出快速反應(yīng)，這使得調(diào)度變得十分復(fù)雜，需要采用高效、智能和自適應(yīng)的調(diào)度方法。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括任務(wù)需求和服務(wù)特征智能感知技術(shù)，訂單分解、服務(wù)動態(tài)匹配與組合技術(shù)，分層協(xié)同排產(chǎn)與調(diào)度技術(shù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)等。

（5）生產(chǎn)過程云邊協(xié)同管控技術(shù)

云邊協(xié)同智能制造的生產(chǎn)過程是分布式、網(wǎng)絡(luò)化、廣域協(xié)作的過程，業(yè)務(wù)流程復(fù)雜、不確定性強(qiáng)。而整個生產(chǎn)過程的管控對自動化和智能化的要求更高，用戶的個性化需求可以更好地在生產(chǎn)過程中得到體現(xiàn)，用戶還可以通過云平臺跟蹤甚至參與生產(chǎn)過程。為此所需要研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括云邊協(xié)同的制造執(zhí)行管理技術(shù)，沉浸式虛擬孿生技術(shù)，邊緣控制技術(shù)，跨企業(yè)業(yè)務(wù)流程管理技術(shù)，智能裝備技術(shù)，智能化柔性生產(chǎn)技術(shù)等。

（6）安全管控技術(shù)

在云上開展的業(yè)務(wù)越多、程度越深，涉及供需雙方的核心數(shù)據(jù)就越多，泄露企業(yè)技術(shù)機(jī)密的可能性就會越大。而在云邊協(xié)同的制造系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)成為一個有機(jī)的整體，傳統(tǒng)意義上的信息安全（security）和物理安全（safety）的界限變得模糊。信息安全問題不僅可以造成數(shù)據(jù)的丟失，軟件系統(tǒng)的癱瘓，黑客還可以通過云端的信息系統(tǒng)漏洞直接攻擊物理系統(tǒng)，造成財(cái)產(chǎn)甚至人員的損失或傷亡。因此，云邊協(xié)同的制造系統(tǒng)對安全管控提出了更大的挑戰(zhàn)。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括云邊協(xié)同安全架構(gòu)技術(shù)，身份識別與認(rèn)證技術(shù)，制造數(shù)據(jù)防擴(kuò)散技術(shù)，軟硬件接口保護(hù)技術(shù)，信號防泄漏和干擾技術(shù)，標(biāo)識識別與認(rèn)證技術(shù)等。

5 智能制造云邊協(xié)同調(diào)度方案

下面結(jié)合智能制造系統(tǒng)的特點(diǎn)，針對云邊協(xié)同的調(diào)度問題，給出一種解決思路。

5.1 智能制造云邊協(xié)同調(diào)度需求分析

智能制造系統(tǒng)是一個規(guī)模巨大、廣域分布的制造系統(tǒng)，而且，參與企業(yè)通常是自主的并且利益分散。企業(yè)對于將資源 / 系統(tǒng) / 數(shù)據(jù)接入智能制造云平臺通常會有安全性方面的顧慮。一種比較可行的調(diào)度方案是根據(jù)安全性等級和任務(wù)特點(diǎn)，將制造任務(wù)在云端和邊緣端進(jìn)行合理分配，以保證企業(yè)對核心數(shù)據(jù)和技術(shù)的控制，然后進(jìn)行分層調(diào)度，即智能制造云平臺負(fù)責(zé)全局的調(diào)度；而邊緣系統(tǒng)負(fù)責(zé)企業(yè) / 工廠內(nèi)部的局部調(diào)度，通過全局調(diào)度和局部調(diào)度的協(xié)同來實(shí)現(xiàn)用戶個性化需求和海量資源服務(wù)的調(diào)度，從而同時滿足提供者、用戶甚至平臺運(yùn)營者的需求。這樣既能在一定程度上保證制造系統(tǒng)的安全性，又能極大地提高調(diào)度的效率和效果。

5.2 智能制造云邊協(xié)同調(diào)度方案

智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同調(diào)度方案如圖4所示，總體調(diào)度流程如下所述。

圖 4 智能制造云邊協(xié)同調(diào)度方案

（1） 智能商務(wù)云平臺中生成優(yōu)化調(diào)度方案。在智能商務(wù)云平臺提供的各種工具（如智能匹配工具和人工智能算法工具）的支持下，制造服務(wù)消費(fèi)者和提供者按照云平臺運(yùn)營者設(shè)定的商務(wù)模式和交易規(guī)則進(jìn)行匹配和協(xié)商，并進(jìn)行調(diào)度求解，得到優(yōu)化的調(diào)度方案，并將該調(diào)度方案發(fā)送到智能制造云平臺執(zhí)行。

（2）智能制造云平臺中執(zhí)行全局調(diào)度方案（云調(diào)度）。智能制造云平臺在人工智能算法庫、大數(shù)據(jù)分析和建模模塊、分布式設(shè)備 / 產(chǎn)線智能監(jiān)控/診斷/維護(hù)模塊的支持下執(zhí)行調(diào)度方案。這里的調(diào)度是全局的跨企業(yè)調(diào)度。出于自主性和安全等考慮，云端全局調(diào)度通常不介入企業(yè)內(nèi)部的調(diào)度過程，即云端調(diào)度更多的是在企業(yè) /工廠層面開展調(diào)度（即將訂單需求任務(wù)分配給企業(yè)，而不關(guān)注企業(yè)內(nèi)部如何進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度），但是能根據(jù)企業(yè)邊緣系統(tǒng)設(shè)定的過濾規(guī)則，獲取對云端調(diào)度比較重要的一些數(shù)據(jù)（如企業(yè)內(nèi)部調(diào)度的進(jìn)展、關(guān)鍵資源的狀態(tài)等）。

（3）基于邊緣系統(tǒng)的局部調(diào)度（邊緣調(diào)度）。借助于邊緣系統(tǒng)進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部的調(diào)度。邊緣系統(tǒng)采集分布式智能工廠 / 智能產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析和建模，并對設(shè)備 / 產(chǎn)線進(jìn)行智能監(jiān)控/ 診斷 / 維護(hù)等；同時，邊緣計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)云平臺調(diào)度過程中下發(fā)的總體任務(wù)，生成企業(yè) / 工廠內(nèi)部的調(diào)度方案，并在邊緣側(cè)執(zhí)行該調(diào)度方案。

（4）在執(zhí)行過程中，邊緣調(diào)度與云調(diào)度基于雙向?qū)崟r數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時協(xié)同，從而使面向用戶需求的整體調(diào)度最優(yōu)。

6 結(jié)束語

智能制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，包含眾多參與者，具有多層次、多粒度、多主體、動態(tài)、不確定性等特征。針對當(dāng)前智能制造面臨的需求和挑戰(zhàn)，結(jié)合云制造、工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、電子商務(wù)、人工智能等技術(shù)，本文討論了云邊協(xié)同的智能制造系統(tǒng)相關(guān)問題。分析了智能制造落地應(yīng)用中的需求和面臨的挑戰(zhàn)，將電子商務(wù)模式引入智能制造系統(tǒng)，給出了一個云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)的概念模型和功能架構(gòu)；從系統(tǒng)構(gòu)成、參與者、功能和協(xié)同過程四個角度分析了云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)的特性，以及相關(guān)的支撐技術(shù)。最后，給出了一個智能制造系統(tǒng)云邊協(xié)同調(diào)度方案。

當(dāng)前關(guān)于云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)的研究較少且不夠深入，總體上處于起步階段。在當(dāng)前智能制造快速發(fā)展的關(guān)鍵時刻，非常有必要對該問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析，從而為后續(xù)研究提供有益的參考。

展望未來，云邊協(xié)同的智能制造具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，可以從以下幾個方面努力：① 加快構(gòu)建和完善智能制造系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施——智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)，形成可以良性發(fā)展的商業(yè)模式；② 結(jié)合典型工業(yè)應(yīng)用場景（如航空航天、電子、高端裝備等） 構(gòu)建更具體、更具可行性的云邊協(xié)同實(shí)施框架和方案；③ 研究突破云邊協(xié)同智能制造系統(tǒng)的共性理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)；④ 開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的支撐工具和應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61973243和 61873014）。

（參考文獻(xiàn)略）