智能工厂与装备制造业转型升级

发布时间：2017-03-17

关键字：物联网服务网

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进入21世纪以来，信息与通信技术取得了突破性进展，智能的网络世界与物理世界合产生了物联网与信息物理融合系统为了确保制造业世界领先地位，德国首先将信息物理融合系技术用于制造工业，开启了Industry 4.0第四次工业革命。全面论述了Industry 4.0的愿景与目标、主要内容和采用的双战略，深入分析了智能工厂的体系架构，同时阐述了智能工厂创新联正在开展的研发项目。我们应该借鉴Industry 4.0智能工厂的理念、方案与路线图，勇于创新加快我国装备制造业转型升级。

物联网与服务网具有如下特性。

①通过快速和简单的编排服务和应用(包括基于CPS的软件)提供灵活性；

②按照APP商店模式分配和部署业务流程；

③整个业务过程具有综合的、安全可靠的后备；

④由传感器到用户接口的每个环节都能做到功能安全、信息安全和高度可靠；

⑤支持移动终端设备；

⑥支持业务网络上的协同制造、服务以及分析和预测过程。

为了实现Industry 4. 0，德国联邦教研部与联邦经济技术部联手，投入高达5亿欧元支持该计划，由德国人工智能研究中心(DFKI)牵头，西门子公司、菲尼克斯电气公司以及SAP公司等23家工业自动化企业参加，组成了“智能工厂创新联盟”。该联盟的目标是研发、演示、应用和分享创新的智能工厂技术，提出融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案，为智能工厂技术应用于工业生产创造条件〔6〕。

4领导制造业市场和领导装备制造业供应商的双战略

为了确保德国在制造业市场和装备制造业供应商两个方面的领导地位，Industry 4. 0采用在制造业布局CPS以及加速CPS技术和产品市场化双战略。Industry 4. 0在战略层面能够创建水平价值网络，在业务流程层面(包括工程)提供跨越整个价值链的端到端集成，同时能够实现垂直集成和网络化制造系统，具体化为以下三方面特征。

(1)水平集成：为了构建和成功地扩展两个主导的市场，位于不同地方的业务部门构成闭合的全局网络是十分必要的，同时不同的企业之间必须开展紧密合作，这就需要不同的价值创建阶段和产品生命周期及其相应的制造系统的逻辑的、端到端的数字集成。在生产、自动化工程和工厂领域，水平集成是指用于制造和业务规划流程不同阶段的各种工厂系统的集成，其中包括在公司内部和几个不同公司之间的集成。该集成的目标是提供端到端的解决方案。

(2)端到端系统工程：跨越整个价值链的端到端系统工程包括产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施以及服务五个阶段，端到端系统工程图如图4所示。

图4 端到端系统工程图

Fig.4 Engineering drawings of the end-end system

五个阶段的具体任务如下。

①产品设计和开发：使用PLM软件虚拟开发、规划和最佳化，用虚拟原型有效缩短开发时间，对原型进行虚拟分析。

②生产规划：工业软件和自动化技术集成，用工业软件仿真生产规划并进行最佳化，缩短上市时间。

③生产工程：在独立系统之间无缝通信，对所有的自动化任务进行统一的访问，建立统一的信息平台。

④生产实施：采用节能和节约资源的部件及其解决方案提高生产效率，通过MES系统获得最佳生产性能，采用自动化和驱动集成解决方案。

⑤服务：在垂直市场和生产过程知识专利基础上，建立与产品、系统以及应用有关的全生命周期服务，远程诊断与维护能源管理服务，自动化系统功能安全和信息安全评估与测试等。

端到端系统工程需要采用跨越不同技术学科的性能整体性系统工程方法。贯穿工程流程的端到端数字集成，横跨不同的公司和整个产品价值链，同时考虑用户需求，将数字世界和真实世界进行集成。端到端数字系统工程和由此产生的价值链最优化，将意味着用户不再选择由制造商指定的预先定义了性能范围的产品，取而代之的是将单个功能和部件配合，以满足指定的要求。

通过CPS实现的基于模型的开发，允许采用一种端到端、模型化的数字方法，它包括从用户需求到产品结构，直至最终产品生产。这就使得在一个端到端系统工程工具链中就能识别和描述所有的依赖关系。基于同一模型能够平行地开发制造系统，这就意味着它与产品的开发始终保持并驾齐驱，其结果是使得制造单批量产品亦能获利成为可能。

(3)垂直集成和网络制造系统：垂直集成是指为了能够实现端到端的解决方案，在不同层级(例如执行器和传感器、控制、生产、管理、制造和执行以及公司规划级)的各种工厂系统的集成。垂直集成的基础架构就在一个具体的工厂内。在将来的智能工厂中，制造流程的结构将不再是固定的和预先定义的。取而代之，将定义一套IT配置规则。该规则依据模型、数据、通信和算法，能够依据各种情况，针对每个处境构建一个特定的结构(拓扑)，从而实现制造系统的自组织和重新配置性。为了实现垂直集成，需要确保执行器和传感器信号能够跨越不同层级，一直传送到E RP级。而产生了创新的工厂系统—智能工厂。完全不同于传统的工厂自动化系统，智能工厂采用面向服务的体系架构，具体体系架构如图5所示。

图5 智能工厂体系架构图

Fib.5 Arc；hitec；ture of smart factory

从图5可以看出，对应于传统自动化系统的现场级，使用物联网技术；对应于控制级，采用CPPS信息物理融合生产系统；对应的监控管理级连接到安全可靠和可信的云网络主干网，采用服务互联网提供的服务。各部分的功能简述如下。

①基于嵌入式Internet技术、无线自组织的机器对机器通信(machine-to-machine , M2M ) ： M2M通信是基于特定终端行业，以公共无线网络为接入手段，为客户提供机器到机器的通信解决方案，满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量以及远程诊断等方面的信息化需求。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，它是机器之间的一种智能化、交互式通信，即使人们没有实时发送信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。工业控制需要实现智能化、远程化和实时化。随着无线宽带的突破，具有高数据传输速率、低占空比、IP网络支持以及泛在移动性的M2M通信能够提供更佳的承载基础。

② CPPS信息物理融合生产系统：由于工业控制的可靠性要求非常高，所以生产流程控制采用靠近工厂机器设备的CPPS系统。按照Edward A. Lee教授的定义：" CPS是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互响”。CPPS系统是一种网络型嵌入式系统，它将打破在PC机时代建立的传统自动化系统的体系架构，从而全面实现分布式智能。

③安全可靠和可信的云网络：智能工厂的IT设施建立在云计算网络基础上，云计算的本质是一种基于互联网的服务模式，它类似于远程数据中心。控制室可以理解为私有云，考虑到控制的可靠性要求非常高，为CPPS信息物理融合生产系统提供服务的APPS平台建立在工厂企业的私有云上。但是一些营运和生产管理，例如PLM ,SCM ,CRM ,QMS ,ERP以及MES的一些功能可以通过云计算网络提供服务，从而可以降低创建和优化基础架构的成本；提升生产管理的智能化水平、高效的跨地域协同以及提高快速响应市场需求的能力等。

④基于CPS的高级工厂辅助系统：智能工厂创新联盟十分重视将各种无线技术、平板电脑、智能手机以及室内精确定位等很多IT领域成熟的最新技术创新地引入新一代工厂系统，形成高级工厂辅助系统。2012年4月，谷歌公司发布了“谷歌眼镜”新产品。这是一款可穿戴移动终端产品。“谷歌眼镜”采用了“扩增实境”技术又称增强现实技术，在“实境”现实基础上，将图像、声音和其他感官增强功能实时添加到真实世界的环境中，以虚拟现实将它扩增，把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，可以使用户充分感知和操控虚拟的立体图像。为此，智能工厂创新联盟专门成立了项目组，经过研究试验，打算将该技术用于工业维护系统，通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构以及被维修设备零件图等，从而大大提高维护效率。利用这些高级工厂辅助系统，还可以支持、帮助和培训新一代工作人员。

6结束语

当前，我国装备制造业与世界先进水平相比存在较大差距，产业的效率和效益较低，单位产值的能耗居高不下，人均水平差距巨大，创新能力薄弱。长期以来，高投入、高消耗、高污染的生产模式已无法延续。为了提升竞争力，保持可持续发展，实现从“中国制造”向“中国创造”转型升级，就必须采用CPS信息物理融合系统、物联网与服务网技术，向智能、绿色和高效的智能工厂转型升级。新一代智能工厂系统要求传统的工业自动化技术必须向新一代信息与通信技术开放。自动化技术应该转换它的研究聚焦点，从在各个独立的学科(如分散系统或通信)开展渐近的局部改善性研究，走向整体系统功能的再工程化研究。我们应该借鉴德国提出的新工业革命理念、目标和制定的路线图，打破传统理念，坚持进行持续的技术转型，重视将工业互联网领域成熟的最新技术引入装备制造业领域，勇于创新，加快我国装备制造业转型升级。

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