[论文解读] Cyber-Physical Microservices and IoT-based Framework: The case of Evolvable Assembly Systems.

Kleanthis Thramboulidis, Danai Vachtsevanou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2018

Flexible and Reconfigurable Manufacturing Systems参考文献 20被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于网络物理微服务与物联网（IoT）的框架，用于可演化装配系统（ASs），以实现对不断变化的市场需求的快速适应。通过将微服务架构与物联网技术相结合，并应用模型驱动工程方法，该框架促进了装配系统（ASs）的半自动化开发与运维，其有效性通过一个消费产品装配的案例研究得到验证。

ABSTRACT

The manufacturing industry is facing the challenge to address the individual requirements of customers that lead to increased product variety and volume reduction. Evolvable assembly systems (ASs) have been defined during the past years to enable quick adaptation of manufacturing assets to respond to the evolving market requirements. Meanwhile, the manufacturing era is changing due to the fourth industrial revolution, i.e., Industry 4.0, that will change the traditional manufacturing environment to an IoT-based one. In this context, this paper presents a cyber-physical microservices and IoT-based framework for ASs with the intention to exploit the benefits of the microservices and the IoT technologies but also to utilize the existing huge investment based on traditional technologies in this domain. The framework provides a solid basis for the establishment of a common vocabulary for assembly system experts and IoT experts, as well as to capture domain knowledge that is exploited by a model-driven engineering approach to semi-automate the development and operation of ASs. A case study for the assembly of an everyday life product was adopted to demonstrate the approach even to non-experts of this domain.

研究动机与目标

• 通过实现装配系统的快速适应能力，应对制造业中产品多样化增加与批量减少的挑战。
• 将微服务与物联网技术集成到现有的传统制造系统中，以利用现代数字能力。
• 在装配系统专家与物联网专业人员之间建立通用术语，以改善跨领域协作。
• 通过模型驱动工程方法捕获并利用领域知识，实现装配系统（AS）开发与运维的半自动化。
• 通过一个真实世界案例研究（涉及日常消费品的装配）展示该框架的可用性。

提出的方法

• 设计一种网络物理微服务架构，将装配系统的功能组件解耦，实现独立部署与扩展。
• 集成物联网技术，实现实体与数字系统组件之间实时数据交换、监控与控制。
• 应用模型驱动工程方法，形式化领域知识，并自动化系统配置与部署流程。
• 开发一种统一的建模语言与抽象层，弥合装配系统专家与物联网实践者之间的语义鸿沟。
• 实现一个原型框架，支持根据产品需求变化动态重构装配流程。
• 通过一个涉及消费产品装配的案例研究验证该框架，重点评估其可用性与适应性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将微服务与物联网技术集成到现有装配系统中，以提升其可演化性？
• RQ2 哪些架构模式能够实现在装配系统中网络与物理组件之间的无缝互操作性？
• RQ3 模型驱动工程在多大程度上能够支持装配系统开发与运维的半自动化？
• RQ4 如何捕获并复用特定领域的知识，以适用于不同的装配系统配置？
• RQ5 该框架是否能够通过直观的建模与配置，被非领域专家有效使用？

主要发现

• 该框架通过模块化、面向服务的组件成功实现了装配系统的快速重构，显著提升了对不断变化的产品需求的适应能力。
• 物联网技术的集成实现了对系统的实时监控与控制，提升了系统响应速度与运行透明度。
• 模型驱动工程技术通过重用捕获的领域知识，显著减少了系统配置与部署中的手动工作量。
• 通用术语与抽象层显著改善了装配系统工程师与物联网专业人员之间的协作。
• 案例研究证明，即使非专家也能有效使用该框架，凸显其在工业中更广泛应用的潜力。