智慧工厂园区信息系统研究

吴烨琪

摘 要 在国家智能制造的产业大背景下，作者对物联网、大数据、人工智能等新兴技术进行研究，提出了基于工业信息安全、无线网络、机器人、图像智能识别、大数据、设备远程在线诊断等技术，助力现代化工厂园区的智慧管理和融合应用，最后以作者参与的智慧工厂项目实际案例，对构建这类型集生产、运营、决策、管理和运维于一体的智慧工厂园区信息系统进行了实践。

關键词 智慧园区;智能制造;物联网;5G

引言

为加速我国制造业转型升级、提质增效，2016年5月国务院发布了中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领《中国制造2025》，将智能制造作为主攻方向，加速培育我国新的经济增长动力，抢占新一轮产业竞争制高点。

伴随着以5G为代表信息化新技术的高速发展，物联网、车联网、大数据、云计算等技术的应用也将助力生产制造企业，改变落后的管理和经营模式，实现实时、可视、互联、智能的管理，合理分配物料、节约企业资源，融合制造与环保、排放和新能源利用，形成生态工厂，对设备全生命周期实现全方位管控和预防性维护，重视能源管理，建立系统平台，打破信息孤岛，实现设备互联。

1 应用技术分析

1.1 系统架构

典型的智慧工厂园区信息系统包括三层，即基础层、访问层、应用程序层。

（1）基础层。主要包括不同类型的智能设备和信息化、智能化系统，例如用于访问生产控制的子系统，用于园区各类型业务管理的子系统，用于生产线直接管理的MES智能生产执行系统、用于精细化制造管理的Andon电子看板管理系统、用于生产调度的指挥和会议会商管理系统、用于园区消防、用于空调管理和照明管理的设备管理系统、甚至用于园区安全的安防和访客管理系统等等。这些基础结构层的各类信息化系统为工厂园区智慧化运行和管理提供基础支持。

（2）接入层。接入层是应用程序层和基础层之间的一层，它的主要功能是基于计算机网络、各类IOT物联网、5G等通讯方式，提供下层协议定制，跨系统链接和链接控制。

（3）应用层。是智慧工厂园区信息管理平台的功能和服务表示层，为用户提供使用智慧工厂园区服务的渠道。

1.2 传输网络技术分析

网络通信是所有信息数据交互的重要纽带。网络通信技术是物联网设备感知周围，进行数据通信不可替代的核心技术，网络通信技术可分为有线通信、无线通信如5G、WIFI6、ZigBee、Corba、蓝牙等。设备与设备之间的M2M通信是物联网高效运行的基础，包括设备和用户、用户和系统、系统和设备、设备和设备之间的连接和通信。

网络通信技术为物联网传输数据提供了一条流畅的通道，使得智能制造生态互联大数据得以应用，通过全过程品质数据追踪、信息反馈及品质解析，实现质量风险全面预防性管理。

如上图所示，通过生产内网WIFI6和5G网络全覆盖以及物联网技术，为实现生产线机器人、智能预警/巡检/报修/视频对讲系统、无纸化pad、VR/AR技术应用、MES系统应用云部署、UWB定位等智慧工厂应用场景，提供稳定、低延时无线高速传输和云端存储传输和技术实现。例如采用云服务器，把MES系统应用程序和数据库部署在云端，通过在终端设备增加5G模块或通过集中的交互设备，进行数据传送，通过云PLC方式将计划下发到生产线，为定制化、个性化生产和服务提供技术可能[1]。

2 智慧工厂园区信息系统案例的分析和实践

2.1 整体设计规划

智慧园区是实现工厂融合管理的核心工程，通过云计算、物联网、大数据、人工智能等技术，实现从监测-预警-决策-行动的闭环。

智慧园区建设目标：管理高效、全局掌控、数据智能、业务协同。智慧工厂园区信息系统总体规划如下图所示：

智慧工厂园区信息系统的建设内容包括三维可视化管理平台、综合应用管理平台、物联网平台。公司总部可通过统一的智慧园区平台对各厂区进行统一管控，实现全厂区、跨业务部门、甚至跨地区（不同厂区间）智能化管理，实现总部统一管控、本地业务自治的智慧工厂管理新模式。

2.2 功能介绍

基于GIS地理信息系统将多源数据通过图、表、三维建模等形式支撑工厂运营管理调度指挥的可视化展示，实现数据指标的可视化呈现及二、三维场景的交互联动功能。在园区可视化驾驶舱，实现园区管理可视化、服务可视化、运营可视化，实现指标数据在大屏的呈现，并且对指标进行提取、融合并导向分析，实时数据动态刷新。

另外，还能在可视化驾驶舱快速切换调取能源监控系统、生产管理信息如MES、QMS、SAP、LES、设备管理系统等，解决传统车企生产管控中生产信息封闭、车间联动不足、异常解决低效、信息传递缓慢等痛点。

综合应用管理平台是集成服务、数据、应用于一体，以打破平台（台）、地域与系统边界（边），设备前端（端）的限制，消灭信息孤岛，打通业务流，实现业务数字化全连接协同。主要包括服务连接、消息连接、数据连接能力，整合综合安防、便捷通行、园区管理、园区服务四大块内容。

物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下满足连接海量设备，支撑设备数据采集上云;向上提供云端API，指令数据通过API调用下发至设备端，实现远程控制。此外，物联网平台具备设备管理、规则引擎、数据分析、边缘计算等能力，为各类IoT场景和应用提供基础支撑。

另外，为了更好地挖掘园区数据价值，借助大数据技术为未来园区及应用建立打好基础，项目还构建了园区的数据资产管理平台。数据资产管理平台是集合了数据接入、数据治理、数据存储、数据计算以及数据建模、数据可视化的综合管理体系。通过专有云的部署，实现对智慧园区各类数据的接入和管理。借助数据资产管理平台大规模数据处理服务，为智慧园区提供海量数据的高效存储、计算和分析能力，打通信息孤岛，实现数据价值深挖。

MES系统是实现数字化、全智能智慧工厂、智能制造的关键系统。在技术层面利用园区信息系统平台建立与ERP，PLM，BOM，SRM，CRM，QMS，DMS等系统的全方位互通互联，在业务层面实现由设计到制造到供应链再到销售直至客户体验反馈的全链条打通，建立具备柔性化、自动化、可追溯、可视化、高智能、更高效的新工厂智慧化生产体系。

视频安防监控系统通过SDK开发包，与平台进行交互。MES系统通过平台调用生产线监控摄像机图像，可实时监看生产线情况，还可联动Andon系统，一旦有Andon呼叫，可直接在相应车间的MES监控电脑和园区生产指挥中心调看到生产线工位的监控图像。另外，通过MES给出的车身码和关键工艺的时间点，视频监控系统通过时间和车身码来将截取好的视频发给营销端服务器，并且依据车身码建立视频档案[2]。

通过平台整合，还将视频安防监控与消防报警、防盗报警、门禁报警等多系统协同，报警发生时，在3D可视化界面上可自动弹出相关报警信息，并显示相关区域视频画面，系统还可联动紧急广播进行人群疏导，通过摄像机人脸识别，可实时掌握大家的疏散情况，有效确保安全。

整个平台对智慧的实时性要求很高，这里充分利用了5G和遍布于厂区布设的WIFI6基站，实现低延时高带宽的基础智慧平台信息采集和远程控制：

平台对设备可进行直接控制，采用专线、双向鉴权、实时认证等机制保障数据传输安全。

2.3 基础建设

智慧工厂的信息化是一个系统性的工程，需要整体规划，分步实施，夯实IT/OT相融合的连接基础。

在对整个智慧工厂园区信息系统总体设计方向确定后，需要根据建设功能规划，构建各基础应用子系统，包含MES智能生产执行系统、Andon电子看板管理系统、采用CAT6A标准的综合布线系统、10G标准的计算机网络系统、WIFI6标准的无线网络系统、运营商5G厂区全覆盖、全数字无线对讲内通系统、语音通话系统、有线电视系统、公共广播系统、视频安防监控系统、门禁管理系统、停车场管理系统、访客管理系统、电梯控制管理系统、入侵报警系统、周界防范系统、电子巡查系统、信息发布系统、生产调度的指挥和会议会商管理系统、能源管理系统、智能照明系统、智能应用系统、机房工程、综合管网系统，共计25个子系统。

在各子系统设计建设时需结合生产线要求，例如物流区监控摄像机的布放需考虑高、低货架柜的覆盖影响，还有对AVG小车的无线网络支持。AGV小车已成为现下工厂中必不可少的物流运输设备。但由于工厂多为钢结构，且环境电磁干扰较强，因此AGV小车对网络通信有很高的要求，对接入协议、网络安全认证、网络运行频段、无线信道、无线网络覆盖与信号强度都有一定要求。另外AGV小车对在线实时性、安全性要求也非常高，我们除了WIFI6全覆盖，还有运营商5G企业网全覆盖，以及监控实时视频分析等等辅助信息手段，可以在网络切换的时候，利用平台进行设备配置信息、数据指令的综合处理，过渡好切换的问题。

2.4 应用效果

目前该項目基于该架构的智慧工厂园区信息系统可视化管理平台、综合应用管控平台和物联网平台已建成，同时也与工厂园区能源监控系统、生产管理系统如MES、QMS、LES、ERP等进行了数据采集和控制，实施情况良好并通过用户技术评审小组的功能验收[3]。

3 结束语

该类型智慧工厂园区信息系统的建设解决了园区中信息沟通不畅，资源浪费、信息孤岛等问题，从而实现自动化、可追溯、可视化、绿色的管理运营体验。在保证信息安全的前提下，深度融合企业生产管理系统如MES、ERP、LES、QMS等，为今后大量生产型企业的技术转型和产业升级提供了发展的可能，将传统的制造业变成一个可定制化的、有思想的智慧工厂为基础的智能制造业，以实际行动践行了国家的制造强国战略。

参考文献

[1] 王伟，王晔，徐大成.基于物联网技术的智慧园区信息系统研究[J].计算机与网络，2016，527（7）：70-71，74.

[2] 来庆涛.基于物联网技术的智慧园区信息系统研究[J].智能城市，2020（1）：31-32.

[3] 孙毅.智慧工厂综合管理信息系统开发及应用[J].数字化用户，2017，23（22）：135.