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工业革命构建战略转型新架构(二)

文章出处:e制造责任编辑:江苏凤谷技能科技有限公司www.fg-furnace.com人气:-发表时间:2015-11-30 08:20【

江苏凤谷节能科技有限公司   这是一个高技术战略项目,以建立智能工厂为目标,其技术基础是赛博物理系统(CPS),其特征是自适应性、资源有效性、人机工效及其与客户和业务组件在业务和价值流中的整合,可以从四个维度透视其增值过程,即订单、产品、工厂和技术,通过水平和垂直集成,贯穿整个生命周期的工程连续性,所有的工具实现无缝集成。通过自优化、自重构、自诊断及对人的认知和智能支持,形成高度的客户定制化,这也是未来社会对工业的需求。

还有一个重要的变化是用信息技术来设计和仿真生产过程,也就是说,不仅仅用信息技术把产品设计和仿真出来,同时还要把生产这个产品的过程也设计和仿真出来,全面整合、优化产品生命周期和生产生命周期。

欧盟随即发起了IMC-AESOP计划,即智能监测与控制(Intelligent Monitoring & Control)——面向服务的过程监测与控制架构(Architecture for Service Oriented Process Monitoring& Control)计划。IMC-AESOP计划的合作伙伴包括施耐德电气、SAP、霍尼韦尔、微软等。研究内容主要是基于云的分布式异构系统的过程自动化,同时在这个层面研究、解决逻辑架构和功能架构,这和复杂系统工程是一样的。首先根据需求来设计逻辑架构和功能架构,最后再落实到物理网络架构来进行优化。所以未来工业设施的基本特点就是基于云的赛博物理系统(CPS),把在传统工业中自动化和信息化的各种方式联合起来,实现整个企业范围内的监测与控制。同时这个网络将要形成大规模的生态系统和大规模的协同,目的是使今天难以实现或者高昂代价实现的事在未来很容易实现。是否具备这种能力,直接决定着未来的战略竞争成败和生存能力。

结合德国工业4.0以及欧盟提出的IMC-AESOP计划来看,未来工厂设计运行面临诸多挑战,所以面向未来制造的赛博物理模型应采用的是“偶模型”法。从早期设计阶段构建数字图像,在产品设计阶段将系统信息和物理知识导入,在此基础上建立仿真模型以作为未来分析的参考,也就是建立“数字双胞胎”(digital twins)。所谓“数字双胞胎”,就是所有设备要有一个数字模型,先建立一个健康模型,同时经过实测不断地完善这个模型。在后续使用阶段,它能持续记录和跟踪设备的状况。仿真的模型被认为是真实环境的镜像。最终由于云计算技术的普适连接,这个“偶模型”为工厂管理者提供机器状况更好的可达性。今后的产品从设计之初,就要诞生一个“数字双胞胎”,在全生命周期内都跟着这个产品,任何时候对产品的分析判断都基于这个数字模型,产品在任何时候进行了维修,都会在这个模型中体现。

中国制造2025

为了应对一系列变化带来的深刻影响,推动制造业实现由大变强,中国正式发布了“中国制造2025”,这是第一次从国家战略层面描绘建设制造强国的宏伟蓝图。从其中规划的目标和内容来看,高端装备制造业是重中之重。实施好“中国制造2025”,要以创新驱动发展为主题,以信息化与工业化深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向。

综上所述,美国的再工业化战略主要包括国家制造创新网络(NNMI)计划、先进运载器制造(AVM)计划、工业互联网,德国工业4.0主要是智能制造、赛博物理系统(CPS),中国制造2025是两化融合、工业转型升级。所以,制造强国与制造大国方向一致,殊途同归,新一轮工业革命的共同基础就是赛博物理系统(CPS)。

新一轮工业革命的新特征

聚焦新一轮工业革命的核心技术领域,分别涉及数字制造(数字化和自动化)、智能制造(智能化)和工业互联网(网络化),在复杂系统工程和复杂组织体架构的支撑下,提取制造智能传递给赛博物理系统(CPS)。

赛博物理系统

赛博物理系统(CPS)就是采用信息技术(计算机、软件和网络)去引导物理过程和系统的通信与控制。赛博(Cyber)这个词来源于Cybernetics,主要指通信与控制,现在也泛指计算、信息、网络、电磁空间。中文没有特别准确的词能够代替,所以采用音译比较严谨。赛博物理制造系统包括从计算单元、总线单元、传感器、驱动器的技术分类和从控制执行层、生产管理层、企业管理层和企业联盟层的企业分层。从架构分析赛博包括计算单元和总线单元,物理包括传感器和执行器,制造智能覆盖生产管理层和控制执行层,业务智能涵盖企业联盟层和企业管理层,所以需要从各个方面和各个角度来勾画赛博物理系统(CPS)的架构。

赛博物理系统(CPS)是异构系统的连接,比如飞机上的机内系统有航电系统、机电系统、飞控系统等,它们是基于总线连接起来的。而机外系统,比如机场的空中交通管理(ATM)系统,各种飞机跟地面站、地面站之间的联系;还有无人机系统中地面站跟飞机、卫星之间的联系,也都出现了跨系统连接。多种设备和系统在网络上的协同作用,这种形态早已出现,只是现在要把这种形态转移到制造现场去。因为计算机连接的时候,它的总线、协议、接口都是定义了的,所以容易连接。而现在要把已有的设备、未来的设备、不同厂商、不同的协议、不同的嵌入式计算机、不同的接口进行连接,应该有相应的工业标准来描述,采用各种工业技术来支撑。而且如果没有一个顶层架构去描述,这么大的复杂系统也容易产生混乱。因此,各种物理设备、机器连接起来面临的挑战将是巨大的,需要先进的方法论去支撑。

智能制造

实施好“中国制造2025”,要以智能制造为主攻方向,以工业互联网为重要支撑,推动制造业数字化、网络化、智能化,实现提质增效、转型升级。新一轮工业革命的核心就是智能制造。

数字化是表达方式,是把之后的物理过程能够进行虚拟表达,提前仿真;自动化是把执行的规则交给机器,智能化则是把主动学习、主动记忆及一些决策的规则交给机器;网络化是实现机器的互联。

智能制造全盘规划分步实施架构模型

学习、记忆及决策过程包括识别、判断和选择,所以智能制造的前提是挖掘制造智能。智能的本身,实际上是人对事物整个过程的全面深刻的理解,而我们现在先需要回答:对制造体系智能的理解到了什么程度?我们怎么把它表达出来?然后再把设备连接成网络,从智能加工、智能库存到智能配送。在这个过程中,所有设备进行联网和组织,都是要可以智能进行的。制造智能是将方法、工具、过程和识别、分析、判断以及选择能力进行全面的理解和掌握,全面掌握了知识并具有控制、预测、管理整个过程的能力的时候才形成了智能。我们对加工过程、制造过程中的制造智能提取后交给机器,机器才能实现学习、记忆及决策过程。

但不是把所有事情都交给机器,人应将主要精力聚焦于复杂性判断、沟通、决策。因此,德国提出将来每个工人旁边都配有机器人,人与机器人一起工作,人思考更高层面的事情,监控机器人,不断优化和改进机器人的工作。智能制造是个很广泛的话题,将会成为目前工业发展和制造业进步的重大变革。

工业互联网

GE提出的工业互联网

美国通用电气(GE)公司提出的以工业互联网为创新特征的第三次浪潮已经成为新一轮工业革命的特征之一。第一次浪潮是工业革命,机器和工厂的出现,推动经济的进步和范围的扩大;第二次浪潮是互联网革命,计算机技术和分布式信息网络的崛起;第三次浪潮是工业互联网,机器、设备组和设施,通过互联网、大数据、分析技术的整合。

虽然互联网已经诞生多年,各种互联网技术迅速发展并已成为一种生活方式,但是新一轮工业革命应该是在互联网的支撑下,对物质和能量进行连接。人类没有信息可以活着,有了信息可以活得更好,但没有能量和物质是无法生存的,所以互联网最后要连接物质和能量,这是人类发展的必然趋势,也是赛博物理系统的本质。


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