本文是一篇生产管理论文，本研究针对叶轮生产车间面临的工业设备型号多样性及生产数据异构性带来的挑战，旨在推动以A企业为示例的航空制造类企业的生产管理向数字化转型迈进，设计并开发实施了一款基于OPC UA协议的叶轮生产车间生产管理模型系统。
第一章 绪论
1.2 研究背景及意
1.2.1 研究背景
随着数字化浪潮日益兴起，现实世界物理实体与虚拟世界数字化对象的融合互联展开了制造业未来的新蓝图。面对着市场环境的进化、生产技术的不断进步，为了强化自身的竞争优势、实现持续发展，制造业的数字化转型与进化是发展的必然趋势。智能制造的核心技术体现在四个主要领域：软件定义、数据驱动、整体联系以及虚实融合[1-2]。
互联是信息驱动的基础。2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，首次提出中国制造2025战略[3]；2022年，《二十大报告》中强调了“推进新型工业化，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”，中国制造业在国家策略的引导下，纷纷以智能互联的生产架构为目标，车间实体上更新生产设备、引入新的加工工艺；管理系统上使用MES、HMI、SCADA、CRM等软件系统，从生产监控等方面提高管理效率、精炼车间运作流程，推进企业数字化转型[4]。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 制造业背景下的OPC
UA通信技术 在传统的制造业车间中，底层设备繁多而数据传输协议不一，导致了“信息孤岛”现象的普遍存在。随着信息技术的不断进步，互联网与工业系统的深度融合加速了智能制造业迈进崭新的阶段，因此，避免信息孤岛的有效方法之一，就是进一步提升工厂生产的智能化，推进企业管理数字化转型，规范生产车间内的数据通信，在数据采集层面上建立统一的数据传输标准，这对于提高信息流通效率和减少车间系统架构复杂度至关重要[9]。为了促进智能工厂设备的相互连接与通讯，采用OPC基金会发布的OPC UA新规范进行设备改造，是一条切实有效的路径。以OPC UA通信协议作为工业物联网的通信标准，能够促进制造业生产现场底层设备的互联互通，推进智能制造战略进一步深化[10-11]。
OPC UA作为开放性的通信标准，它的设计用于支持广泛的工业自动化应用和设备通信，允许数据在多个制造和监控系统之间自由交换[12-13]。因此，OPC UA最显著的优点之一就是不受任何操作系统、应用及设备供应商、组件和编程环境的限制，使网络传输与通讯协议统一，并具有强大的建模能力，安全且可靠地实现从设备到系统、从底层到顶层的全面通讯。
OPC UA的由来可以追溯到1990年代，当时出于面向过程控制系统的数据访问需要，OPC（OLE for Process Control，现称为Open Platform Communications）标准被提出。随着工业自动化需求的发展和技术的进步，仅依赖于Windows平台的OPC标准逐渐显示出局限性，特别是在跨平台通信、安全性和可扩展性方面[14]。因此，OPC基金会在2006年推出了OPC UA，这是一个跨平台的、具有高度安全性的工业通信框架，不仅克服了之前版本的限制，而且还提供了更复杂的信息模型和服务，以适应更广泛的应用需求。
第二章 相关理论基础及技术
2.1 信息管理理论及相关技术
2.1.1 信息管理学理论
信息管理是组织管理的关键环节，涵盖信息、人力、财务、设备及技术等多个方面。在管理科学的指导原则下，通过科学规划、组织、配置和控制，实现信息资源的高效利用，以最大化满足消费者需求。信息在多个维度上的持续交互和传输对实现公司目标至关重要。其中，通过信息的纵向交互，实现经济活动在不同层级之间的协调；通过横向交互，实现不同部门间岗位的经济活动协调，并利用信息技术处理人、财、物以及产品的生产、供应和销售之间的复杂联系[46]。在任何生产管理活动中，信息管理都扮演着核心角色，并不仅限于复杂生产体系。
在制造业生产管理的数字化转型过程中，信息的有效管理尤为关键。信息的认知和应用程度是管理理论及实践发展的一个重要标志，管理中的目标、指导、状态等干扰要素，都以信息作为其存在的形式。正是这些信息建立了管理者与下属之间的所有联系，故而有效的管理依赖于这些信息。从这个视角看，信息是管理系统中的基础要素，也是连接各部分的媒介。管理的整体流程本质上是通过信息作为媒介，持续地进行输入、转换、输出及反馈的过程，在此过程中，信息成为促进沟通与行动协调的关键。因此，开发和利用信息是提升经济与社会效益的一条重要途径。
2.2 本体论
2.2.1 本体的定义
“本体”这一概念起源于哲学领域，旨在明确和解释世界上客观存在的实体和体系。它在特定领域内表现为一个集合，包括了被广泛认可的概念和语义，这些通过概念间的相互关系得以体现[47]。本体利用这个概念集合及语义集合，来阐述各个概念的含义。尽管构建本体的具体方法还没有形成一个统一的框架，但Gruber于1995年提出的五项基本规则对发展本体构建的原则产生了深远影响。通过界定类别、实体、属性、关系及公理等元素，领域本体描绘了特定领域中的类别和实体及其层次结构，实现了对该领域知识的概括和提炼[48]。
“本体”和“本体论”是两个截然不同的理念。“本体”是由一系列概念和它们的关系构成的实体集合，通常由领域专家建立。相对之下，“本体论”是一门关于如何使用计算机语言来正式表达知识概念、组织知识以及提供知识服务的学科方法论，它依托于本体来解决问题的一种理论。
本体论同样源于西方哲学，其核心在于阐述事物的本质或基本属性，这一讨论起始于对宇宙根源的探究，并可追溯至古希腊哲学家亚里士多德的分类尝试。哲学界定义本体论为对客观存在进行系统化描述的学问，也就是存在论。“存在的科学或研究”是牛津词典对其的解释。本体论在哲学上聚焦于“存在”，探讨世界的本质组成及存在的种类。因此，哲学中的本体论旨在对世界上任何领域内实际存在的事物进行客观描述，涵盖了追求真理的过程。
第三章 航空制造业叶轮车间数字化生产管理现状介绍 .................. 23
3.1 A企业概况介绍 ............................... 23
3.2 叶轮生产车间介绍................................. 23
第四章 基于OPC UA的叶轮车间管理信息模型设计 ..................... 28
4.1 叶轮车间生产管理信息模型需求分析....................... 28
4.1.1 产线设备本体构建....................... 30
4.1.2 生产过程信息模型.................... 32
第五章 叶轮车间生产管理系统模型验证及应用开发 ...................... 56
5.1 OPC UA的实现及验证机制 .......................... 56
5.2 生产管理系统信息模型验证........................................... 57
第五章 叶轮车间生产管理系统模型验证及应用开发
5.1 OPC UA的实现及验证机制
OPC UA协议是客户端与服务器之间的通信协议。该协议支持通信本身，其中包括数据访问、消息传输等规范模块[79]。其中服务器负责采集生产线底层生产的实时数据；响应客户端的通讯请求，如完成数据读取、订阅、历史数据查询等；客户端负责对服务器发出指令，接收服务器返回的查询或处理结果，展示给用户。
需要强调的是，在许多情况下，服务器和用户之间没有冲突，即在不同场景下，服务器可以是客户端，客户端也可以是服务器。这保证了服务器和客户端之间联系的更大灵活性。对对象信息模型的数据的访问由服务器提供，允许客户端通过包含信息的标准服务交换信息。
OPC UA TCP经由二进制的编码来传输信息，信息包括安全访问、服务器访问端点搜索和通信链接建立，以保证OPC UA协议的安全性。数据通信也可以经由工业界使用更为广泛的Pub/Sub（发布/订阅）等异步机制实现，完成核心规范中发布订阅的任务。
Pub/Sub即发布/订阅模式，发布者与订阅者互不知晓，二者间的信息通信介于中间件作为媒介实现。中间件通常为提供代理服务的软件或硬件，在OPC UA的应用中又分为两种变体模式：基于代理的模式与无代理模式。在代理模式下，Pub&Sub通过标准消息协议与中间件代理进行通信；在无代理模式下，Pub&Sub经由UDP等数据报进行通信[80]。总的来说，发布者发布数据源至中间件，订阅者按需收集处理自己想要的数据，接收包含对应数据的消息，两者根据中间件的模式经由数据报或MQTT等标准协议与中间件各自进行消息通信，并在中间件的参与下完成信息交互。
第六章 总结与展望
6.1 总结
本研究针对叶轮生产车间面临的工业设备型号多样性及生产数据异构性带来的挑战，旨在推动以A企业为示例的航空制造类企业的生产管理向数字化转型迈进，设计并开发实施了一款基于OPC UA协议的叶轮生产车间生产管理模型系统。研究成果展示如下：
（1）通过对A企业实地调研，全面分析A企业的背景及其叶轮生产车间的具体情况，包含人员、设备及生产的叶轮产品和相关工艺信息。随后，从信息管理和生产流程两方面分析了数字化转型过程中遭遇的问题，提出了现有生产管理数字化转型过程中存在的挑战及解决
