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工業(yè)革命構(gòu)建戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型新架構(gòu)(二)

文章出處:e制造責(zé)任編輯:江蘇鳳谷技能科技有限公司m.dnbgl.com人氣:-發(fā)表時間:2015-11-30 08:20【

江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司   這是一個高技術(shù)戰(zhàn)略項目,以建立智能工廠為目標,其技術(shù)基礎(chǔ)是賽博物理系統(tǒng)(CPS),其特征是自適應(yīng)性、資源有效性、人機工效及其與客戶和業(yè)務(wù)組件在業(yè)務(wù)和價值流中的整合,可以從四個維度透視其增值過程,即訂單、產(chǎn)品、工廠和技術(shù),通過水平和垂直集成,貫穿整個生命周期的工程連續(xù)性,所有的工具實現(xiàn)無縫集成。通過自優(yōu)化、自重構(gòu)、自診斷及對人的認知和智能支持,形成高度的客戶定制化,這也是未來社會對工業(yè)的需求。

還有一個重要的變化是用信息技術(shù)來設(shè)計和仿真生產(chǎn)過程,也就是說,不僅僅用信息技術(shù)把產(chǎn)品設(shè)計和仿真出來,同時還要把生產(chǎn)這個產(chǎn)品的過程也設(shè)計和仿真出來,全面整合、優(yōu)化產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)生命周期。

歐盟隨即發(fā)起了IMC-AESOP計劃,即智能監(jiān)測與控制(Intelligent Monitoring & Control)——面向服務(wù)的過程監(jiān)測與控制架構(gòu)(Architecture for Service Oriented Process Monitoring& Control)計劃。IMC-AESOP計劃的合作伙伴包括施耐德電氣、SAP、霍尼韋爾、微軟等。研究內(nèi)容主要是基于云的分布式異構(gòu)系統(tǒng)的過程自動化,同時在這個層面研究、解決邏輯架構(gòu)和功能架構(gòu),這和復(fù)雜系統(tǒng)工程是一樣的。首先根據(jù)需求來設(shè)計邏輯架構(gòu)和功能架構(gòu),最后再落實到物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來進行優(yōu)化。所以未來工業(yè)設(shè)施的基本特點就是基于云的賽博物理系統(tǒng)(CPS),把在傳統(tǒng)工業(yè)中自動化和信息化的各種方式聯(lián)合起來,實現(xiàn)整個企業(yè)范圍內(nèi)的監(jiān)測與控制。同時這個網(wǎng)絡(luò)將要形成大規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)和大規(guī)模的協(xié)同,目的是使今天難以實現(xiàn)或者高昂代價實現(xiàn)的事在未來很容易實現(xiàn)。是否具備這種能力,直接決定著未來的戰(zhàn)略競爭成敗和生存能力。

結(jié)合德國工業(yè)4.0以及歐盟提出的IMC-AESOP計劃來看,未來工廠設(shè)計運行面臨諸多挑戰(zhàn),所以面向未來制造的賽博物理模型應(yīng)采用的是“偶模型”法。從早期設(shè)計階段構(gòu)建數(shù)字圖像,在產(chǎn)品設(shè)計階段將系統(tǒng)信息和物理知識導(dǎo)入,在此基礎(chǔ)上建立仿真模型以作為未來分析的參考,也就是建立“數(shù)字雙胞胎”(digital twins)。所謂“數(shù)字雙胞胎”,就是所有設(shè)備要有一個數(shù)字模型,先建立一個健康模型,同時經(jīng)過實測不斷地完善這個模型。在后續(xù)使用階段,它能持續(xù)記錄和跟蹤設(shè)備的狀況。仿真的模型被認為是真實環(huán)境的鏡像。最終由于云計算技術(shù)的普適連接,這個“偶模型”為工廠管理者提供機器狀況更好的可達性。今后的產(chǎn)品從設(shè)計之初,就要誕生一個“數(shù)字雙胞胎”,在全生命周期內(nèi)都跟著這個產(chǎn)品,任何時候?qū)Ξa(chǎn)品的分析判斷都基于這個數(shù)字模型,產(chǎn)品在任何時候進行了維修,都會在這個模型中體現(xiàn)。

中國制造2025

為了應(yīng)對一系列變化帶來的深刻影響,推動制造業(yè)實現(xiàn)由大變強,中國正式發(fā)布了“中國制造2025”,這是第一次從國家戰(zhàn)略層面描繪建設(shè)制造強國的宏偉藍圖。從其中規(guī)劃的目標和內(nèi)容來看,高端裝備制造業(yè)是重中之重。實施好“中國制造2025”,要以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展為主題,以信息化與工業(yè)化深度融合為主線,以推進智能制造為主攻方向。

綜上所述,美國的再工業(yè)化戰(zhàn)略主要包括國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)(NNMI)計劃、先進運載器制造(AVM)計劃、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),德國工業(yè)4.0主要是智能制造、賽博物理系統(tǒng)(CPS),中國制造2025是兩化融合、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。所以,制造強國與制造大國方向一致,殊途同歸,新一輪工業(yè)革命的共同基礎(chǔ)就是賽博物理系統(tǒng)(CPS)。

新一輪工業(yè)革命的新特征

聚焦新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)領(lǐng)域,分別涉及數(shù)字制造(數(shù)字化和自動化)、智能制造(智能化)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò)化),在復(fù)雜系統(tǒng)工程和復(fù)雜組織體架構(gòu)的支撐下,提取制造智能傳遞給賽博物理系統(tǒng)(CPS)。

賽博物理系統(tǒng)

賽博物理系統(tǒng)(CPS)就是采用信息技術(shù)(計算機、軟件和網(wǎng)絡(luò))去引導(dǎo)物理過程和系統(tǒng)的通信與控制。賽博(Cyber)這個詞來源于Cybernetics,主要指通信與控制,現(xiàn)在也泛指計算、信息、網(wǎng)絡(luò)、電磁空間。中文沒有特別準確的詞能夠代替,所以采用音譯比較嚴謹。賽博物理制造系統(tǒng)包括從計算單元、總線單元、傳感器、驅(qū)動器的技術(shù)分類和從控制執(zhí)行層、生產(chǎn)管理層、企業(yè)管理層和企業(yè)聯(lián)盟層的企業(yè)分層。從架構(gòu)分析賽博包括計算單元和總線單元,物理包括傳感器和執(zhí)行器,制造智能覆蓋生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層,業(yè)務(wù)智能涵蓋企業(yè)聯(lián)盟層和企業(yè)管理層,所以需要從各個方面和各個角度來勾畫賽博物理系統(tǒng)(CPS)的架構(gòu)。

賽博物理系統(tǒng)(CPS)是異構(gòu)系統(tǒng)的連接,比如飛機上的機內(nèi)系統(tǒng)有航電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等,它們是基于總線連接起來的。而機外系統(tǒng),比如機場的空中交通管理(ATM)系統(tǒng),各種飛機跟地面站、地面站之間的聯(lián)系;還有無人機系統(tǒng)中地面站跟飛機、衛(wèi)星之間的聯(lián)系,也都出現(xiàn)了跨系統(tǒng)連接。多種設(shè)備和系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上的協(xié)同作用,這種形態(tài)早已出現(xiàn),只是現(xiàn)在要把這種形態(tài)轉(zhuǎn)移到制造現(xiàn)場去。因為計算機連接的時候,它的總線、協(xié)議、接口都是定義了的,所以容易連接。而現(xiàn)在要把已有的設(shè)備、未來的設(shè)備、不同廠商、不同的協(xié)議、不同的嵌入式計算機、不同的接口進行連接,應(yīng)該有相應(yīng)的工業(yè)標準來描述,采用各種工業(yè)技術(shù)來支撐。而且如果沒有一個頂層架構(gòu)去描述,這么大的復(fù)雜系統(tǒng)也容易產(chǎn)生混亂。因此,各種物理設(shè)備、機器連接起來面臨的挑戰(zhàn)將是巨大的,需要先進的方法論去支撐。

智能制造

實施好“中國制造2025”,要以智能制造為主攻方向,以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為重要支撐,推動制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,實現(xiàn)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級。新一輪工業(yè)革命的核心就是智能制造。

數(shù)字化是表達方式,是把之后的物理過程能夠進行虛擬表達,提前仿真;自動化是把執(zhí)行的規(guī)則交給機器,智能化則是把主動學(xué)習(xí)、主動記憶及一些決策的規(guī)則交給機器;網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)機器的互聯(lián)。

智能制造全盤規(guī)劃分步實施架構(gòu)模型

學(xué)習(xí)、記憶及決策過程包括識別、判斷和選擇,所以智能制造的前提是挖掘制造智能。智能的本身,實際上是人對事物整個過程的全面深刻的理解,而我們現(xiàn)在先需要回答:對制造體系智能的理解到了什么程度?我們怎么把它表達出來?然后再把設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò),從智能加工、智能庫存到智能配送。在這個過程中,所有設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)和組織,都是要可以智能進行的。制造智能是將方法、工具、過程和識別、分析、判斷以及選擇能力進行全面的理解和掌握,全面掌握了知識并具有控制、預(yù)測、管理整個過程的能力的時候才形成了智能。我們對加工過程、制造過程中的制造智能提取后交給機器,機器才能實現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶及決策過程。

但不是把所有事情都交給機器,人應(yīng)將主要精力聚焦于復(fù)雜性判斷、溝通、決策。因此,德國提出將來每個工人旁邊都配有機器人,人與機器人一起工作,人思考更高層面的事情,監(jiān)控機器人,不斷優(yōu)化和改進機器人的工作。智能制造是個很廣泛的話題,將會成為目前工業(yè)發(fā)展和制造業(yè)進步的重大變革。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

GE提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

美國通用電氣(GE)公司提出的以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為創(chuàng)新特征的第三次浪潮已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的特征之一。第一次浪潮是工業(yè)革命,機器和工廠的出現(xiàn),推動經(jīng)濟的進步和范圍的擴大;第二次浪潮是互聯(lián)網(wǎng)革命,計算機技術(shù)和分布式信息網(wǎng)絡(luò)的崛起;第三次浪潮是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),機器、設(shè)備組和設(shè)施,通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、分析技術(shù)的整合。

雖然互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)誕生多年,各種互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展并已成為一種生活方式,但是新一輪工業(yè)革命應(yīng)該是在互聯(lián)網(wǎng)的支撐下,對物質(zhì)和能量進行連接。人類沒有信息可以活著,有了信息可以活得更好,但沒有能量和物質(zhì)是無法生存的,所以互聯(lián)網(wǎng)最后要連接物質(zhì)和能量,這是人類發(fā)展的必然趨勢,也是賽博物理系統(tǒng)的本質(zhì)。


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