【工业4.0案例分析之六五】SmartF-IT项目借助CPPS优化工厂综合管理

德国人工智能研究中心（DFKI）成立于1988年，在凯撒斯劳滕、萨尔布吕肯、不来梅拥有研究设施,在柏林拥有一间项目办公室。 在使用人工智能的创新商业软件技术领域，德国人工智能研究中心在德国一直处于领先地位。

专注于基础应用导向研究的德国人工智能研究中心，在信息和通信技术领域开发产品的新功能、原型和专利。 研究和开发项目在共计十五个的研究部门和研究组，九个能力中心和六个生物实验室中同时进行。 资金来自一些政府机构，比如联邦教育和研究部（BMBF）、联邦经济和技术部（BMWi）、德国联邦国家和德国研究基金会（DFG）以及合作工业伙伴。国际知名专家委员会（科学顾问委员会）每年审计公共资助项目的进展和结果两次。 此外，联邦教育和研究部每五年评估一次德国人工智能研究中心。 最近的一次评估在2010年非常成功地完成。

许多著名的德国的以及国际上的高科技公司都参与了德国人工智能研究中心的监事会。德国人工智能研究中心的非营利性公私合作伙伴关系模型，在国内和国际上被认为是顶级研究领域的结构蓝图。

德国人工智能研究中心作为前沿研究和技术领先的组织，积极参与并不断推进德国的前沿技术。德国人工智能研究中心在跨国界青年科学家的学术培训中享有极好的声誉。 目前，来自60多个国家的480名高素质研究人员和376名研究生参与了180个德国人工智能研究中心研究项目。

SmartF-IT项目使用高度自适应的信息物理生产系统（CPPS）,实现了从综合生产系统的引进、转化及运营，到定制产品和优化生产的转变。与此同时，该项目开发的辅助系统将作为IT工具，以App的形式，促进工厂的操作灵活性、数字化和高效运作。SmartF-IT借助信息物理生产系统（CPPS）实现新一代工厂的综合管理。 SmartF-IT项目在2013年6月启动，在随后三年多的时间内获得德国联邦教育与研究部（BMBF）大约1200万欧元的资助。相关合作伙伴包括：博世力士乐公司、慕尼黑工业大学软件密集系统与服务研究所、imperial-Werke公司、PLATOS 有限公司、罗伯特博世公司、达姆施塔特应用科技大学、机电一体化和自动化技术研究中心(ZeMA)以及宝马公司。

信息物理IT系统支持装配系统的柔性

工业4.0及其先进项目即将引领第四次工业革命，这将使德国生产企业在国际竞争中更具竞争力，提升其智能生产系统技术在国际竞争中的领导力。生产型企业必须灵活地应对未来不断波动的市场、用户个性化的要求和全球趋势，才能让自己跻身于世界市场。信息物理装配系统是一个补充解决方案，它能帮助企业在用户个性化产品的小批量生产中降低成本。

IT系统是工业4.0的创新动力，信息物理IT系统在生产各个层面的采用成为了“高度自适应智能工厂”这个创新概念实现的决定性因素。如今不断转变的市场需求要求生产者拥有迅速的应变能力，生产和物流因此需要能够快速转变，以适应大量订单。生产和物流必须灵活应对这些用户个性化要求，掌控无法预知的巨大的需求变动，缩短生产时间。

几十年来生产中日益增加的复杂性一直是热门研究领域，在“智能工厂”构建过程中借助信息物理生产系统实现了生产逻辑的范例转变，这正是该系统在德国“工业4.0”未来项目所追求的目标。加大高度网络化的传感器和致动器的使用，突破从中心控制的传统生产到自我组织和细粒度控制的转变，以此大幅度减少市场对智能工厂中优质产品和生产灵活性要求带来的额外成本。

SmartF-IT项目的目标是，让装配系统在产品多样化和生产条件复杂化的情况下为企业带来收益，机电一体化和自动化技术研究中心(ZeMA)为此开发了一个IT工具辅助工作模型，降低了准备成本，也提高了其安全性。除了在装配准备、装配系统重配置和灵活运行中使用该软件模型，SmartF-IT项目更进一步的主要目标是构建系统状态虚拟模型，定期对照实际情况进行反馈，既能灵活地投入人力，有效规划生产项目，又能识别生产变动，从技术上和人力组织上灵活应对变化的多样性。

SmartF-IT项目专注于这些装配系统对复杂性的控制，信息将会在装配准备阶段和之后的生产阶段进行处理，这也是目前研究最主要的部分。因此项目中包含如下工作内容：

• 研究装配系统构建、准备、控制和运行模型最少需要哪些信息；
• 通过相应软件工具开发可重建可扩展装配系统的准备模型；
• 通过数据反馈和计划模型的数据对真实系统状态进行持续操控；
• 建立信息物理演示器。

信息物理生产系统（CPPS）驾驭智能工厂中的复杂性

人们必须为未来工厂开发新的工业4.0技术，实时小批量生产中的控制，达到质量最优化和成本最低化。生产者能在不断变化的市场和全球趋势中有利可图，实现生产多样化或小批量化，满足用户个性化要求。SmartF-IT项目把其高度自适应的信息物理IT系统投入到各个生产层面，以此应对上述挑战。

“在SmartF-IT项目中，我们研究下一代智能IT系统。该系统使网络化智能工厂中的智能感控生产系统能够对工厂的规划、运营、维护及故障管理进行综合管理。在具体项目实施过程中，我们得到合作伙伴博世力士乐公司的支持，还能够在新的宝马汽车生产线上使用这些创新的IT系统，在不同场景中对项目成果加以检验。”德国人工智能研究中心董事会主席兼技术总监Wolfgang Wahlster教授解释说。“这样就可以在现实条件下，研发并测试操作系统的迁移策略，该策略用于工业4.0下的多样化生产。检验的场景包括电子炊具的液压操控零件生产、汽车的特种发动机生产等等。”

在工业4.0的生产线上，在一系列不同的工业应用案例中，SmartF-IT项目开发的辅助系统和IT工具协助机床工人、设备操作员和领班开展具体工作，如生产规划、生产流程的综合动态规划、员工排班、故障管理、质量监管和岗位调整。例如，SmartF-IT项目在规划中，考虑到博世的轻型机器人“自动化生产助理”（APAS）的的灵活运用。

SmartF-IT对新技术的两个典型应用领域进行了研究：一是现有生产过程的迁移，二是生产线的规划和运作。另外，还通过生产实践中的三个场景验证了现有方法：在信息物理生产系统（CPPS）通常所处的、复杂且高度动态的工作环境下实现可控的多样化和自适应性；通过信息物理生产系统（CPPS）的控制舱展示高度自适应的因果关系；在CPPS中持续运作的IT嵌入系统的可视化。

经济领域和科技领域的代表们高度合作，不仅使期望的研究结果和解决方案能够间接满足生产需求，同时还产生了一些通用模型、方法和工具，通过个案实践到行业应用进行测评改进，比如在德国工业4.0平台上展示这些方法。信息物理生产系统（CPPS）能够有效控制智能工厂中的复杂性，而SmartF-IT项目将会对信息物理生产系统（CPPS）在高度自适应的工厂中进一步发展产生深远影响。

2016年汉诺威工业博览会展示SmartF-IT项目最新成果

在传统的独立生产线上，工人们分别被安排在生产循环的各个站点上，他们的工作就是从一个站点到另一个站点依次完成加工制造，在严格的连接点把完成的产品交给下一个工人。而在动态自适应的小批量生产中的等待时间且响应能力不足则是由于已定的生产计划造成的。

为了掌控优化问题中的复杂情况，SmartF-IT项目开发的系统需要学习了解相应领域的信息来实现动态调节，这些信息可以通过生产和工人的语言记录总结而来。此外SmartF-IT项目开发的优化工具还配备了最新的平行运算结构，保证实时高效地运算。为了达到生产线的理想化负载状态，工人们必须在生产中改变工作内容，该问题必须在细粒度流程层面通过动态转换环境条件（比如在某个站点停止运作）来及时解决。因不同优化层面之间存在的高度动态性、实时性和相关性使传统生产计划系统中无法完成工人工作内容的改变，而通过动态调节这样的智能控制概念则能让最小规模生产的生产和规划都能得到优化。

在2016年汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心（DFKI）展示了SmartF-IT项目的成果：一条生产美诺蒸炉的示范生产线展示了工件如何在一个装配工作站内完成整个柔性加工路径，并且自始至终由同一个工人监督。SmartF-IT携手其合作伙伴，开发出适用于工业生产的环境自适应型辅助系统。此类系统有助于实现工业生产流程的工作高效性、柔性以及数字化。

SmartF-IT项目开发的工人引导系统显示了单个装配步骤及其针对不同产品变型的序列，并指引工人进入相应的安装环境。高级拣货引导系统使车间的物料流得以自组织，根据材料清单与工作计划支持工人工作，并保障了材料提取的准确性与过程同步性。传统的拣选系统需要材料供给的固定编排，而SmartF-IT项目的方法则允许对工作环境的灵活适应：装配组件所在容器上的电子墨水显示器不受容器位置的影响，独立发射信号，决定哪些部分应该应用于特定装配任务；或者，可借助相机与光学标记结合使用来识别正确的提取容器。

对于半自动化生产线来说，辅助功能在大多数情况下只是松散地联系在一起。SmartF-IT项目涉及语义记忆工厂的开发。语义记忆工厂集成了与设备、产品、流程、服务以及员工相关的最新信息，并将其提供给生产流程。自适应的辅助系统利用信息库引导个体工人、支持领队并实现协作时的故障和维修管理。汉诺威工业博览会上的那条示范生产线展示了SmartF-IT项目的方法在大规模手工装配的现实车间场景中的可扩展性。

德国人工智能研究中心董事会主席Wolfgang Wahlster教授说：“德国人工智能研究中心对SmartF-IT项目在2016汉诺威工业展览上取得的成功表示很满意，成千上万的工厂对这个颇有潜力的创新很感兴趣，它改变了生产计划的繁琐性，让工人感受到这才是一份‘好工作’。”