智能化无人车间的建构模式及运作逻辑

高锡荣，邓滢滢

（重庆邮电大学经济管理学院，重庆 400065）

智能机器人取代车间人力作业是当前制造业发展的基本方向。从制造业发展历史来看，人力在生产制造活动中的位置一直在持续后移。原始手工业时代，人们使用简易的手持工具对劳动对象进行加工，人力直接位于生产最前端；第一次工业革命引入机械化生产工具，人们操作机器进行生产，人力开始离开生产前端；第二次工业革命引入电气化生产工具，人们操作电力设施进行生产，人力进一步远离生产前端；第三次工业革命引入自动化、信息化生产工具，人们可以在后台操控计算机从事生产，人力再一次远离生产前端。当前，5G 通信、工业互联网和人工智能技术的发展正在快速孕育第四次工业革命——智能化工业革命，将制造业推向智能制造阶段，在生产现场由智能机器人完全取代人力、人力完全退出生产现场，生产车间演变成为智能化无人车间。相比于人力作业，智能机器人具有三大生产优势：一是生产动作高度规范，智能机器人操作行为具有高精度、高标准化特征，不受人为心理因素和个体差异的影响，产品的一致性和稳定性极高；二是生产效率大幅提升，智能机器人生产动作速度快，持续生产时间长；三是生产过程更加安全，智能机器人对严苛环境耐受能力强，生产现场不会出现人身安全事故。智能化无人车间尽管让人力充分远离了生产现场，但仍需要人们在远程对生产现场进行实时监控，以及时解决可能出现的生产协调、设备故障和安全问题。在不远的未来，智能化无人车间将成为制造行业的标配。为了有效地应对正在到来的智能化无人车间时代挑战，当前亟需探明智能化无人车间的建构模式，深度领会智能化无人车间的运作逻辑，进而快速抢占智能制造的战略先机。

1 文献回顾

一是关于5G 与智能制造关系的研究。金雪涛［1］认为 5G 是人工智能、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、物联网的前置技术，将开启万物互联、人机深度交互的智能时代。Cheng 等［2］认为，5G 作为未来先进的无线传输技术，在推动工业物联网（IIoT）和CPMS 研发过程管理平台方面有着巨大的潜力。邱锐［3］引用我国工信部观点，认为5G 作为新一代信息通信技术，依托高带宽、低时延、大容量、高可靠性等新特性，将成为引领机器人领域融合创新和驱动增长的新动力。林玮平等［4］分析了5G 在工业领域的应用，包括工业传感器、云AR/VR、云端机器人、远程控制等。陈燕燕等［5］通过在5G 网络环境中对远程控制机器人的性能进行不同应用场景及不同网络配置下的测试与分析，验证了5G 网络具有的大带宽低时延等特性可以解决远程控制机器人的时延问题。

二是关于智能体的研究。“智能体”的概念来自于美国科学家Atkinson 等［6］提出的actor 模型，该模型具有内在状态且能与外界交换信息。美国麻省理工学院的Minsky［7］在Society of Mind一书中采用了“智能体”一词，并将其定义为一个具有自治能力的软件或硬件实体，其目的在于模仿和学习人类的行为。之后，众多学者从人工智能视角广泛开展了智能体研究，一般都将智能体视为对人脑的功能模拟器，通过传感器感知环境、通过执行器作用于环境，并具备自治性、反应性、社会性、进化性、主动性、交互性、协作性等多种特性。

三是关于智能系统边缘计算的研究。设备的智能化和工业机器人的引入促使车间产生海量数据，陈冬梅［8］认为边缘计算在靠近用户端的位置提供存储、计算、网络等基础服务，可以就近为用户提供边缘位置的云计算服务。王志刚等［9］认为AI×5G的聚变效应是边缘计算催生超异构计算架构的背景，边缘计算解决了四代机器人发展中的许多难题。Zhang 等［10］为了减少云中的高计算量，开发了一种基于边缘计算技术的网络物理机床，实现遥感和实时监测双应用。Chen 等［11］提出了一种在工业物联网应用中实现边缘计算的系统架构，分析了边缘计算在物联网制造中的作用，实验表明，与传统方法相比，边缘计算的自组织任务调度机制在业务灵活性和带宽优化方面具有明显的优势。Qi 等［12］提出了一种基于云计算、雾计算和边缘计算的智能制造的层次参考体系结构，该结构有望应用于数字双车间。Lee 等［13］提出了一个融合边缘计算和区块链技术的智能制造系统，并通过实验发现，在智能制造中引入边缘计算机制可以显著提高加工时间，尤其是在任务数量较大的情况下。

四是关于机器人无人生产应用的研究。目前的无人机器人生产主要集中在煤矿等特殊领域或生产过程中的某个流程或工序，例如，林志伟等［14］开发了一套面向网络制造的三维打印无人车间实验平台；李小忠等［15］利用计算机虚拟仿真技术设计了机器人上下料系统；王鹏凯［16］设计了工业机器人热冲压自动化生产系统；Urhal 等［17］讨论了机器人辅助增材制造的概念，并介绍了机器人辅助添加剂制造系统的应用实例。

综上所述，现有研究主要集中在对某一工序或某个步骤实现机器人无人生产的探索，缺少对无人生产模式的一般化探讨。本研究将智能化无人车间视为一种整合性工业智能体，构思其结构框架，探讨其建构模式，阐释其运作逻辑，为奠定无人生产模式理论基础提供参考。

2 智能化无人车间概念框架

2.1 概念定义

智能化无人车间系指运用人工智能技术、传感技术、边缘计算技术、云计算技术、物联网技术、数字孪生技术等，对生产车间进行完全智能化改造，将过去“人+机器”二元生产模式全面升级为智能机器人一元生产模式；同时，将智能机器人连同整个生产车间都传感、映射到网络空间，以实现对智能机器人及生产车间的远程镜像监控。经过上述智能化改造，生产车间现场不再安排工人和管理人员，故称之为智能化无人车间。

2.2 结构解析

智能化无人车间主要由车间实体、车间智能体、车间镜像三大部分构成。

（1）车间实体指由车间及机器构成的物质体，是执行生产活动的“肌肉”“骨骼”。

（2）车间智能体指车间及机器实体通过智能传感系统，被赋予感知和被感知能力后的智能化功能体，是指挥生产活动的神经系统。

（3）车间镜像指车间及机器智能体通过智慧物联网络，在远程网端形成的虚拟投影体，是生产活动在远程管理后台的数字再现。

总体上看，车间实体与车间镜像之间互为数字孪生体，车间智能体则为车间实体与车间镜像之间的中转形态。

2.3 建构过程

智能化无人车间的建构包括智能化、镜像化两个过程。

（1）智能化。从车间实体到车间智能体的变化过程，称之为智能化。智能化的关键在于对车间及机器的信息传感，通过传感系统赋予车间及机器智能感知的功能，从而使得车间及机器获得像人一样的生产活动能力。

（2）镜像化。从车间智能体到车间镜像的变化过程，称之为镜像化。镜像化就是将车间及机器的信息映射到网络空间，通过数字孪生技术形成车间及机器的实时动态投影，从而使得后台管理者可以通过虚拟投影实施对车间及机器生产活动的实时远程监视和适时人为干预。

智能化无人车间的总体结构及建构过程可形象表达如图1 所示。其中，边缘计算是为车间智能体提供现场算力服务的。充足的边缘计算系统配置可以极大地减轻网络传输压力，缓解集中计算负担，降低数据传输及动态响应时延。

3 车间智能体的建构

车间智能体是车间实体经过传感系统充分智能化后所形成。车间智能体的建构，就是对车间及机器安装充足的智能传感系统，赋予车间及机器足够的感知和被感知功能，使得车间及机器成为具有自主生产智能的功能体，进而实现在无人环境下自主执行生产任务。具体来说，车间智能体包括作业机器人和监视机器人两大类。其中，作业机器人既要有自我感知功能，又要有感知生产工序的功能；而监视机器人主要是感知车间全景。下面将分别阐释这两大类智能体的3 种感知场景建构。

3.1 机器人自感

机器人自感是指机器人的自我感知，即通过在机器人体内嵌入众多的传感器，全方位采集机器人自身的各种物理状态数据并将数据汇总到机器人的“神经中枢”，形成机器人对自我状态的全面认知。自我感知是机器人的智能基础，是机器智能化的重要体现。

每个机器人的所有物理状态通过对应的传感器感知转化，汇总至机器人“神经中枢”，就形成机器人智能体。设车间内全部个机器人的传感转化矩阵为Fs：

综合式（1）（2），机器人智能体矩阵可表示为Xs：

由于传感器数量的有限性，以及传感器感知过程存在的误差，机器人与智能体之间亦存在差异。两者之差可定义为：

一般来说，随着传感器种类及数量的不断增加，以及传感器质量的不断改进，机器人与其智能体之间的差异将会越小越来，但却很难消除。

3.2 生产工序感知

生产工序感知是指作业机器人感知生产工序，即通过在工序设备内部或外部嵌入众多传感器，全方位采集生产工序的物理状态数据，并将这些数据汇总到机器人“神经中枢”，形成机器人对工序作业的全面感知。一般为在保证生产效率的情况下降低感知设施成本，可根据工序作业的需求优化搭配不同类别的传感器。生产工序感知将赋予机器人独立操作生产工序的能力，进而实现替代人力作业。

一般来说，随着传感器种类及数量的不断增加，以及传感器质量的不断改进，生产工序与其智能体之间的差异将会越小越来，但却很难消除。

3.3 车间全景感知

车间全景感知是指监视机器人对车间生产运行情况进行全方位整体性感知，即通过在车间关键节点嵌入环境传感器，全方位采集车间环境的物理状态数据，并汇总到监视机器人“神经中枢”，形成对车间整体状态的全面感知。一般地，监视机器人不仅要有视、听感知功能，还要有嗅、味、温、压等感知功能。监视机器人类似于监工，不直接参与生产，其数据连通远端后台。

每个监视机器人监视的所有物理状态通过对应的传感器感知转化，汇总至监视机器人“神经中枢”，就形成车间全景智能体。设车间全景的传感转化矩阵为Ks：

一般来说，随着传感器种类及数量的不断增加，以及传感器质量的不断改进，机器人与其智能体之间的差异将会越小越来，但却很难消除。

4 车间镜像的建构

车间镜像是车间智能体映射到互联网上而形成的虚拟镜像。车间镜像的建构就是将整个车间及机器设备全部映射到网络空间，通过数字孪生技术形成车间及机器设备的实时动态投影，并呈现于后台，使得管理者可以通过虚拟投影实现对车间及机器生产活动的实时远程监视和干预。具体来说，车间镜像包含3 类，分别是机器人镜像、工序镜像和车间全景镜像。

4.1 机器人镜像映射

4.2 工序镜像映射

4.3 车间全景镜像映射

5 车间无人化运作逻辑

5.1 车间整体运作逻辑

智能化无人车间由生产作业系统、边缘计算系统和远程监控系统三大部分构成。其中，生产作业系统由作业机器人及相关生产设备构成，主要承担生产线上各工序的感知和操作；边缘计算系统为生产线提供现场算力，现场支持作业机器人的工序操作决策以及工序之间的上下游协调；远程监控系统由远程监控平台、监视机器人和控制机器人构成，主要承担对车间现场状况的实时监视，必要时对生产活动给予适当干预。智能化无人车间的整体运作逻辑参见图2。

图2 智能化无人车间的整体运作逻辑

5.2 生产作业系统运作

生产作业系统是智能化无人车间的躯干，其核心功能是按任务计划和质量标准生产出合格产品。生产作业系统由个作业机器人、个生产工序以及若干生产辅助设施构成。生产辅助设施主要包括物料供应、辅助设备、车间环境等。全部生产工序及其对应的作业机器人共同构成生产线，并由作业机器人按照任务指令调用辅助设施完成生产操作，见图3。

图3 智能化无人车间的生产作业系统

智能化无人生产作业系统的本质是工业物联网，即将所有的生产设备设施智能化以后接入网络，在网络关联下自主运行生产线；网络链接采用有线与无线相结合的方式。其中，对于空间位置相对固定的设备设施，主要采用有线链接方式，以获取更高质量的数据传输效果；但对于需要经常移动的设备设施，则主要采用无线链接方式，以获取更加灵活机动的数据传输效果。

5.3 边缘计算系统运作

边缘计算系统是智能化无人车间的大脑，其核心功能是为生产活动提供现场算力，支持作业机器人进行生产工序决策和辅助设施调用，以及各工序之间的上下游协调。采用边缘计算系统的优点是可以节省海量数据长途传输流量，实现更加贴近生产现场的无时延、无堵塞计算。根据功能差异，可以将边缘计算系统划分为作业机器人边缘计算系统和生产线协同边缘计算系统。作业机器人边缘计算系统主要支持作业机器人的生产工序决策和辅助设施调用；生产线协同边缘计算系统主要支持工序间协调。如图4 所示。

图4 智能化无人车间边缘计算系统的功能类型划分

生产工序决策过程，就是将单个工序的生产数据，包括生产工艺数据、设备状态数据、物料供应数据、生产环境数据、产品信息数据、质量检验数据、生产进度数据、故障发生数据等，由作业机器人传向作业机器人边缘计算系统，经过实时计算处理后再传回作业机器人，作业机器人据此采取相应的生产行动。如图5 所示。

图5 智能化无人车间生产工序决策过程

辅助设施调用过程，就是将作业机器人对生产辅助设施的需求数据传输到作业机器人边缘计算系统进行现场运算，并经生产线协同边缘计算系统的统筹计算，完成辅助设施的分配调用。如图6 所示。

图6 智能化无人车间辅助设施调用过程

工序间协调过程，就是将生产线上所有工序的实时状态数据传输到生产线协同边缘计算系统，由生产线协同边缘计算系统进行工序之间的上下游进度匹配分析，并及时调节各工序的操作进度，确保工序之间生产节拍的高度一致；当遇到协调困难时，可以请求远程监控平台的及时干预。如图7 所示。

图7 智能化无人车间工序间协调过程

5.4 远程监控系统运作

远程监控系统是智能化无人车间的外脑，其核心功能是实时监视车间场景，并在必要时对生产过程实施适当的外部干预。其中，对车间场景的实时监视，主要是通过监视机器人来执行；对生产过程的外部干预，主要是通过控制机器人来执行；远程监控平台则是作为后台中枢，接收并显示车间虚拟镜像，包括机器人镜像、生产工序镜像和车间全景镜像。远程监控系统的外部干预主要是针对作业机器人和边缘计算系统难以解决的非程序化突发状况或者技术故障，具体干预措施包括预警、纠错、停机、检修、重启等。如图8 所示。

图8 智能无人车间场景的远程监控

6 结论

本研究针对正在到来的智能制造时代需求，基于工业物联网、边缘计算、数字孪生等新兴信息技术，引入“车间智能体”和“车间镜像”概念，探讨了智能化无人车间的智能化和镜像化建构模式；将智能化无人车间分解为生产作业系统、边缘计算系统和远程监控系统，阐释了智能化无人车间的运作逻辑。主要研究结论如下：

（1）随着工业物联网技术的普及应用，未来的智能制造就是在车间作业现场以智能机器人完全取代人力，智能化无人车间将成为制造行业的标配。

（2）智能化无人车间就是对生产车间进行完全智能化改造，将“人+机器”二元生产模式升级为智能机器人一元生产模式，并在网络空间形成生产车间的远程镜像孪生体。

（3）智能化无人车间可分解为车间实体、车间智能体、车间镜像三大部分，三大部分之间的转化包含智能化和镜像化两个过程。

（4）智能化包括机器人自感、生产工序感知和车间全景感知；镜像化包括机器人镜像映射、工序镜像映射和车间全景镜像映射。限于技术水平和随机干扰，智能化和镜像化两个转换过程皆存在一定误差。

（5）智能化无人车间的运作架构由生产作业系统、边缘计算系统和远程监控系统构成，其中生产作业系统是执行躯干、边缘计算系统是决策中枢、远程监控系统是应急外脑，三者密切配合共同实现车间运作。

科学建构智能化无人车间，理清其运作逻辑，有助于推进制造业的智能化转型，进而快速抢占智能制造的战略先机。