信息物理系統在船舶行業的應用

曹新朝

（北京中船信息科技有限公司，北京 100861）

0 引言

物理基礎設施和信息基礎設施在國民經濟的各個領域扮演著十分重要的角色。目前，二者的建設各自都有有效的設計和實現方法，但這兩個系統在很大程度上還是相互孤立的。由于在設計過程中缺乏相應的考慮，兩個系統之間在相互融合時，往往無法適應彼此的特點，造成整體效率低下、安全性和靈活性無法得到保障等問題。

船舶制造行業是離散制造業的典型代表。基于物理基礎設施和信息基礎設施可構建船舶虛擬建造系統，主要包括建造工藝規劃、建造過程的演示和評估等，實現對船舶建造過程中的人員、設備、物流、能源等進行全面的仿真，實現車間和生產線的布置與運行控制、產品生產過程的仿真，為各類資源的優化配置提供支撐數據。

隨著科學技術的不斷發展，我們已經通過物聯網建立了物與物之間的互聯，完成了對各種物理實體信息的采集和對物理世界的感知。基于此而產生的CPS更加關注物理實體的實時、動態信息，注重多個系統間的相互連通，通過開發標準的互聯協議和解決方案，以實現對物理實體的控制和服務支持。CPS將改變人與物理世界的交互方式，實現物理系統和信息系統的深度融合。據研究表明，CPS應用范圍小到智能家庭網絡，大到工業控制系統，智慧城市系統等國家級、世界級的應用[1]。

1 CPS概述

CPS 系統（Cyber-Physical System，CPS）是一個復雜的寬廣的系統，其涉及電力、通信、控制、計算機等多個學科[2]，CPS注重資源的合理整合利用和優化調度，在實現對復雜系統和環境的實時感知、控制的同時，提供靈活、快速、智能的網絡信息服務[3]。

目前，CPS的研究已經引起各國的廣泛重視，對促進國家經濟和社會發展具有重要的意義。早在2006年，美國發布的 《美國競爭力計劃》就將CPS劃入重點研究領域；在2008年，美國CPS研究小組將CPS應用到交通、能源、農業等多個方面。近年來，歐盟也在CPS研究上投入大量資金；日本和韓國也進行了類似的研究。中國對于CPS的研究十分重視，國家自然科學基金、科技部973和863計劃已提出將CPS列為重點資助領域[4～5]。

CPS正逐漸成為驅動傳統行業智能化轉型的核心技術集群，其目標是建設“人-機-物”相互融合的系統。該系統通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控一個物理實體。建設CPS可以實現物理設備連接到互聯網上，盡可能減少“人”的參與，并使得設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治五大功能，完成信息世界和物理世界的深度融合，全面提升我國工業智能化發展水平。

2 船舶生產制造車間CPS的應用模式

2.1 數字雙胞胎

數字雙胞胎是指采用數字化的表達方式在虛擬世界中建立一個與物理世界所對應的產品、設備、工藝等生產過程相關對象，在外表、內容和性質等方面相同的虛擬產品，并且與生產過程保持高度一致的數字化鏡像。數字化雙胞胎實現手段是在產品過程中，在數字化建模技術的基礎上借助信息物理系統單元上的各類傳感器將最新的檢驗和測量數據、進度數據、關鍵技術狀態參數實測值等關聯映射至產品數字雙胞胎模型，生成最新的準確的鏡像，包括形狀、位置、狀態和運動等信息。

在智能裝配設備離線編程方面，可以運用數字雙胞胎技術進行仿真與優化，提高裝配體現場加工數據以及幾何參數的精度。首先，根據實際裝配設備的各項參數指標，對已構建的自動化設備模型進行簡化處理，將加工定位關系信息、加工資源、以及產品制造信息等進行系統分析與整理，集成到數字孿生模型中，搭建針對實際裝配的離線編程環境；其次，導入處理后的模型，結合加工工藝要求，運用優化算法，對加工點位區域進行規劃，驅動數字孿生模型仿真，實時準確反映出實際裝配現場產品的加工狀態，基于仿真過程添加運動干涉檢查等功能，完成基于數字孿生模型的裝配過程仿真；最后，在數字孿生模型加工過程仿真的基礎上，拾取產品模型上的加工幾何信息，運用三維建模軟件中的自動編程模塊，讀取每段加工路徑中的仿真任務，對其進行翻譯解釋，從而將模型中的仿真流程轉化為含有加工幾何信息的離線代碼。

應用數字化雙胞胎技術對虛擬雙胞胎信息進行分析，對物理環境中設備、產品、工藝在制造過程中實時狀態的多維度信息獲取、分析與優化，是企業實現制造過程監控、生產工藝優化的有效支撐技術。數字雙胞胎技術在虛擬仿真優化方面應具有一定有效性，虛擬仿真結果應該能夠指導生產現場的具體作業，優化結果應該能夠指導生產過程的多方面優化。仿真有效性驗證可以通過仿真結果的完整程度，優化有效性驗證可以通過優化后生產線狀態與現有生產狀態進行成本、效率等多方面的綜合評價。

2.2 邊緣計算

邊緣計算是一種分布式信息技術架構，其中客戶端數據在網絡的外圍處理，盡可能靠近始發源。從技術定義來說，邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務。

邊緣計算依托信息物理系統的泛在連接和數據驅動等特征，通過信息物理系統單元的自我感知獲取設備加工運行過程的狀態，將日常維護數據匯總至分布式的局部計算中心處，與歷史數據進行比較分析，對設備的運行狀態進行精準預測，實現有效的設備事前預測性維護。邊緣計算可以提高維護預測數據的計算分析效率，相比于僅執行云計算可以節省分析日常維護數據的帶寬開支。

依托邊緣計算物理環境與數學模型，在企業物聯網中生成分布式計算集合。將生產網絡中的數據計算任務分配至各個計算集合，邊緣計算中心進行局部數據的即時分析，并將數據結果進行反饋，實現數據驅動下的生產數據的敏捷響應。基于邊緣計算的數據即時處理主要由三部分組成，分別是時效信息的分布式處理、設備狀態的在線分析與預測以及柔性生產線的自動化運維。

（1）時效信息的分布式處理是邊緣計算關鍵驗證內容。具有邊緣計算架構的物聯網，包含眾多具有計算功能的數據處理中心，將頂端云計算計算負荷合理分配，保證數據的及時處理；此外邊緣計算中心從邏輯和地位位置上靠近數據源，節省了數據傳輸時間和帶寬資源的占用，提高了數據傳輸的效率。在生產制造中，可以通過邊緣計算可以完成生產狀況的即時計算與分析，對具有時效性參數進行有效的利用，實現生產過程的實時優化。

（2）應用邊緣計算可以實現設備狀態的在線分析與預測，如船舶生產車間的自動引導運輸車（AGV）、數控機床、焊接機器人等設備，采用預測性維護可以降低維護成本。基于設備表面大量的傳感器，可以對設備運行狀態進行實時感知。通過本地的邊緣計算融合網關，可以提供數據分析能力，第一時間發現設備潛在故障。同時提供本地存活，一旦與云端聯接故障，數據可以本地保存，聯接恢復后，收斂數據自動同步到云端，確保云端可以對設備形成完整視圖。采用預測性維護可以減少工作量，降低勞動強度；提高設備的可靠性，延長設備的使用壽命；減少設備維修費用開支，而降低維護成本，從而提升企業的競爭力。

（3）柔性生產線的自動化運維是指邊緣計算對柔性智能生產生產線的自主組織、管理能力的支持。在加工工藝優化、生產節拍調整、資源調度、生產監控等方面，企業可以依托邊緣計算中心統籌信息物理系統的智能生產單元，根據生產需求規劃柔性生產線構成，如建立智能焊接機器人、智能夾具、智能檢測單元之間的邊緣計算網絡，進行局部功能的模塊化實現。

此外，邊緣計算還可以通過設備信息的比較與推理，進行設備的靈活快速替換，實現設備的即插即用。

2.3 全生命周期優化

目前，企業針對產品生命周期數據應用，在產品數據管理和工藝信息管理應用基礎上，處于進一步整合產品設計、工藝、分析、仿真、測試、制造、服務以及質量等生命周期中的各方面數據和信息的進程中。PLM軟件已經基本實現了針對產品的設計模型、工藝模型、物理模型的整合。但對于生產運營中的信息系統數據、制造執行系統數據和控制系統數據，還未能實現有效集成處理和應用。

全生命周期優化的應用場景包括產品狀態全周期數據跟蹤和產品全周期生產優化兩部分。產品狀態全周期數據跟蹤是基于信息物理系統的產品采用數字化建模技術，建立高逼真度的虛擬模型，依托虛實結合、數據驅動等特征，獲取產品在設計、制造、維護過程中產品狀態。在設計過程中，產品狀態分為設計進度、技術成熟度、資源配置狀態等；在制造過程中，產品狀態分為制造進度、加工實際尺寸、加工工藝等；在維護過程中，產品狀態指分為運行狀態、故障原因等。對以上信息進行整合與跟蹤，在產品的設計、制造、服務過程中可視化觀察產品狀態，為產品的生產監控、全生命周期優化提供基礎。產品的整個生命歷經設計、制造以及維護三個階段。設計階段中的尺寸設計、材料設計等、制造階段中零件制造、加工、裝配以及加工中所使用的工裝，以及維護過程中的維護過程、使用操作都對產品的狀態相關的因素，這些因素彼此關聯并對產品產生著交互耦合的影響。信息物理系統中使用數字化雙胞胎技術可以獲取全生命周期下的產品狀態信息，用以分析這些因素對產品的影響。

產品全生命周期優化應用模式以產品多階段狀態為優化目標，以數字雙胞胎模型庫數據挖掘結果為引導，建立產品全生命周期的多因素評估方法，最終生成綜合優化解集，根據實際生產需求的調整，快速分析出優化的設計、生產加工方案和相關配套的資源。

3 發展前景

當前發達國家和地區均將信息物理系統作為戰略布局的重要方向。對我國而言，推進信息物理系統建設，不僅是信息化與工業化深度融合的關鍵支撐工具，也是“互聯網+工業”深入生產關鍵環節的必由之路，對于我國智能制造發展、搶占國際競爭制高點具有重要意義。

在船舶制造行業開展信息物理系統的建設，依托行業建立應用模式可行性驗證環境，開展數字雙胞胎、邊緣計算、全生命周期優化等新技術模式的應用可行性驗證，可以形成知識庫和應用案例庫，形成物理信息系統建設的一個行業典型應用場景，有利于促進通用性標準的建立，推動與發達國家在該領域的標準對接與技術合作。

在此基礎上，還可以建立技術轉移體驗中心，將建設成果進行展示宣傳與推廣，加速信息物理系統的成果轉化與應用推廣，深化各行業人員對信息物理系統的理解，孵化項目成果，并在技術咨詢、技術測試和解決方案等方面為各行業提供服務，以信息物理系統為牽引，引導我國傳統工業的轉型升級。

4 總結

以物聯網、云計算、大數據為代表的信息新技術正引發新一輪產業變革，信息技術已經逐步與工業深度融合，工業生產模式已向數字化、網絡化、智能化轉型。和國外相比，我國在關鍵技術、核心標準、主要產品和應用模式的方面缺乏統一的認識和深入的探索，缺乏成熟的共性關鍵技術、統一的標準規范和典型應用的牽引帶動。當前，由于我國信息物理系統共性技術綜合能力有限，制約了CPS在各行業的推廣。由于在參考環境中不可能完成對所有應用場景的測試，因此提煉典型業務場景的模型至關重要。船舶行業是離散制造業的典型代表，在船舶行業開展數字雙胞胎、邊緣計算和全生命周期優化是信息物理系統建設、推廣的關鍵步驟。

在船舶行業開展信息物理系統的典型應用模式的驗證，對于實現工業生產的深度優化，提升企業的資產和運營效率，促進工業轉型升級有重要意義。基于信息物理系統在船舶行業的測試驗證和產業化，不僅可以形成我國自主化產業能力，率先搶占工業智能化前沿領域，避免相關領域技術和產品受制于人，還有助于推動相關產品和解決方案在行業中的應用推廣，提升我國工業智能化發展的安全自主可控水平，提升工業生產和工業數據的安全防護能力，確保工業生產和工業數據安全。

[1]周海平.信息物理系統及其對網絡科學研究的影響[J].數字技術與應用，2011，03.

[2]Baheti R，Gill H．The impact of control teachnology[J]．Cyber-physical Systems，2013，2.

[3]譚朋柳，舒堅，吳振華.一種信息-物理融合系統體系結構[J].計算機研究與發展，2010，47.

[4]溫景容，武穆清，宿景芳.信息物理融合系統[J].自動化學報，2012，4.

[5]楊光，耿貴寧，都婧，等.物聯網安全威脅與措施[J].清華大學學報（自然科學版），2011，10.