CPS將如何改變未來工廠？

文 | 王喜文

CPS將如何改變未來工廠？

文 | 王喜文

工學(xué)博士，博士后，高級工程師。曾在北京第一機(jī)床廠工作兩年，后10年開發(fā)計算機(jī)軟件，2009年8月進(jìn)入工業(yè)和信息化部國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心工作，歷任信息部副主任、主任、電子商務(wù)研究所所長、工業(yè)4.0研究所所長。

CPS概念最早由美國國家基金委員會提出，被認(rèn)為有望成為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮，其核心是3C（Computing、Communication、Control）的融合。

CPS是融合技術(shù)，包括計算、通信以及控制（傳感器、執(zhí)行器等）。中國科學(xué)院何積豐院士指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實體。CPS的最終目標(biāo)是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式”。

據(jù)資料顯示，2005年5月，美國國會要求美國科學(xué)院評估美國的技術(shù)競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告《站在風(fēng)暴之上》問世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月美國發(fā)布《美國競爭力計劃》，將信息物理系統(tǒng)CPS列為重要的研究項目。到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)、高端計算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與社會科學(xué)。

CPS連接了信息世界與物理現(xiàn)實世界，使智能物體互相通信、相互作用，創(chuàng)造一個真正的網(wǎng)絡(luò)世界。生產(chǎn)設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)與生產(chǎn)線上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器是構(gòu)成CPS的要素之一，這些技術(shù)被稱為“物理技術(shù)”。但是，CPS 體現(xiàn)了相對當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步進(jìn)化，與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng)上可搜集的數(shù)據(jù)、服務(wù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)更加廣泛的基于創(chuàng)新型應(yīng)用或過程的新物理空間，淡化物理世界與信息世界的界限。也就是，CPS通過提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部分，并且與“服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)”一體化，實現(xiàn)“工業(yè) 4.0”。使得傳統(tǒng)制造業(yè)中的物理技術(shù)就像互聯(lián)網(wǎng)讓個人相互通信、相互作用的關(guān)系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關(guān)系帶來新的、根本性變化（見圖1）。

一旦，基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)用戶接口之間，發(fā)生的相互作用，必將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機(jī)囊括許多應(yīng)用和服務(wù)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備本身通話功能。由于全新的劃時代應(yīng)用和服務(wù)的提供商將不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務(wù)與市場模式帶來范式上的轉(zhuǎn)變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟(jì)，還有包括諸如“工業(yè) 4.0”的生產(chǎn)技術(shù)的各個工業(yè)部門，將同步因這些新價值鏈而發(fā)生巨變。

圖1 CPS的3C融合

圖2 CPS集計算、通信、控制于一體

將CPS從3C進(jìn)步到6C

簡單的說，CPS就是嵌入式系統(tǒng)加上網(wǎng)絡(luò)控制功能，其中網(wǎng)絡(luò)功能主要是為了實現(xiàn)控制目的。利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器的無線連接和感知功能，實現(xiàn)進(jìn)一步管理和控制。（見圖2）

在“工業(yè)3.0”時代，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)是封閉的，許多嵌入式設(shè)備并沒有預(yù)留外部接口?！肮I(yè)4.0”在自動化的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)功能對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，使得匯集計算、通信和控制能力于一體的CPS成為智能工廠的核心。

同時，在“工業(yè)4.0”時代，進(jìn)一步豐富了CPS的3C融合概念。在計算、通信和控制的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)容（Content，語義分析）、社群（Community，協(xié)同合作）、與定制化（Customization，個性化定制）（見圖3）。也可以說，從3C到6C反映了制造業(yè)思維和制造業(yè)模式的變革。6C條件下的智能工廠通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造，可以實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)的自律調(diào)整，生產(chǎn)出智能產(chǎn)品。

同時，6C條件下的智能工廠，可以實現(xiàn)可視化生產(chǎn)，預(yù)測性制造管理。傳統(tǒng)的制造過程中，存在許多無法定量的因素，包括加工過程中的設(shè)備性能下降、零部件的突發(fā)故障、殘次品的返工等。通過可視化，實時監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，掌控那些不確定因素，使得智能工廠管理者能客觀地評估制造和設(shè)備的使用狀態(tài)，并通過管理實現(xiàn)預(yù)測性制造，起到降低成本，提升運(yùn)行效率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的作用。

圖3 “工業(yè)4.0”時代的CPS是6C的融合

如何將CPS“安裝”到智能工廠之中

“工業(yè)4.0”通過信息物理系統(tǒng)，將生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、嵌入式系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等融合成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息世界和物理世界的有效整合，使得設(shè)備與設(shè)備以及應(yīng)用軟件與應(yīng)用軟件之間能夠互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端對端的三大集成。

橫向集成主要體現(xiàn)在企業(yè)間的協(xié)同合作上。企業(yè)間通過價值鏈以及互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)資源信息共享與資源整合，確保企業(yè)間的緊密合作，提供實時產(chǎn)品與服務(wù)的機(jī)制。

縱向集成主要體現(xiàn)在企業(yè)內(nèi)的科學(xué)管理上。企業(yè)內(nèi)各生產(chǎn)車間、管理部門等從側(cè)重于產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程，轉(zhuǎn)向圍繞產(chǎn)品全生命周期的集成過程，建立有效的縱向的生產(chǎn)體系，實現(xiàn)分散式生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的集中式中央控制的生產(chǎn)流程。

端對端集成不是從企業(yè)間，或企業(yè)內(nèi)考慮，而是從工藝流程角度考慮，是指貫穿整個價值鏈的工程化信息系統(tǒng)集成，以保障大規(guī)模個性化定制的實施。因此也可以說，端對端集成是從工藝流程角度來審視智能制造，主要體現(xiàn)在并行制造上，將單元過程通過集成平臺，形成企業(yè)的集成管理系統(tǒng)，提升生產(chǎn)組織效率。當(dāng)然，這種并行制造不可能是絕對的并行，而是一種相對的并行。

工業(yè)4.0的三項集成，基于信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的集成，從而實現(xiàn)智能制造，并不斷向智能集成進(jìn)化。這樣一來，對于制造業(yè)企業(yè)來說，可以一邊設(shè)計研發(fā)、一邊采購原材料零部件、一邊組織生產(chǎn)制造、一邊開展市場營銷，從而降低了運(yùn)營成本、提升了生產(chǎn)效率、縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，也減少了能源使用。