網絡實體融合系統技術助力工業智能化

◎李杰

信息化的發展，在加速了經濟、社會、軍事和教育等各領域的發展與增值的同時，也使越來越多的數據和信息變成“垃圾”被存儲、傳輸，造成信息量的增速遠大于其所產生價值的增速，或者信息貶值，沒有被充分地挖掘與利用。在需求與現狀逐漸不匹配的大背景下，以網絡實體融合系統（CPS）技術為突破的智能化工業革命，即第四次工業革命，已經被世界各國推到了臺前。智能化時代最本質的目標在于站在信息化時代的基礎上，通過創新智能化技術應用，將數據和信息進一步轉化為知識和價值，解決當前社會發展的高效率、個性化和定制化等需求與矛盾。

我國機械化、電氣化、自動化和信息化的發展已經躋身世界裝備制造和使用大國行列。這表明，在當前這個世界智能科技革命轉折時期，我國具備了良好的發展基礎，牢牢抓住智能化技術革命的發展契機，是我國打開知識經濟時代新局面的一把金鑰匙。

動力：智能化是將知識由生產要素轉化為生產力的核心動力

近十年，關于智能化的探討從未停息。智能化是什么，智能化有什么用等一直是大家思考和熱議的問題。從字面上可知，智能化是一種對感官的描述，直觀來說就是用“物的智慧”來替代“人的智慧”。從各行業的實踐中可以看出，智能化是站在信息化的基礎上，借助數據分析、數據挖掘等創新的智能化技術，從已有的數據和信息基礎中提煉出有價值的知識，并通過在各領域中的應用來創造出更多的價值，即智能化是“數據-信息-知識-價值”的轉變過程。在這個轉變過程中，數據和信息是信息時代的產物，知識和價值才是智能化時代的關鍵。因此，智能化的本質是通過對知識的挖掘、積累、組織和應用，來實現知識的成長與增值，這個過程可稱為“知識化”。

智能化是知識化的應用與表征，知識化是智能化的本質與內涵。當“知識化”與裝備相結合，就形成了智能裝備；當“知識化”與城市、工廠、社區相結合，就形成了智慧城市、智慧工廠、智慧社區……由此可見，智能化是通過知識化的創新應用，將知識切切實實地轉化為社會生產力，進而帶動整個經濟、社會和軍事等各領域的轉型與發展。

核心：CPS是實現智能化的重要手段

知識并不是獨立存在的，它需要存在于某種“知識體”中，且知識體決定了知識應用的效率和價值。智能化時代之前的知識載體是人，而在智能化時代，我們開始讓“物”學會像人一樣能夠自主地發現知識、理解知識和應用知識，即將知識從人的大腦、人的經驗等傳統載體中，轉移到具有更強可操作性和想象空間的機器和計算機等載體中，并在其中實現知識的挖掘、積累、組織和應用等成長與增值行為，從而實現靈活的、標準化的和規模化的知識應用，提升知識轉化為生產力的效率與能力。

為了實現知識在載體間的轉移，就必須讓機器載體具備和人一樣的產生知識的智慧，這需要具備四個重要的能力：一是感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，這是產生智能活動的前提條件和必要條件。二是記憶和思維能力，即能夠存儲感知到的外部信息及由思維產生的知識，同時能夠利用知識對信息進行分析、計算、比較、判斷、聯想和決策。三是學習能力和自適應能力，即通過與環境的相互作用，不斷學習積累知識，使自己的知識和能力不斷增長，來適應環境變化。四是行為決策能力，即對外界的刺激作出反應，形成決策并傳達相應的信息。而這與CPS的概念與特征完全一致，即CPS正是通過“自感知-自記憶-自認知-自決策-自重構”的核心能力以及“5C”技術體系的應用，達成 “賽博空間”與“實體空間”融合的“物的智慧”，并成為實現智能化的重要手段；這也使得CPS的發展與落地，將在我國的工業轉型與智能化發展中獲得難得的應用機會。

傳承：讓知識流轉成為公共資源

知識是最核心的國家競爭力。以前的知識主要依靠人和設備傳承，主要體現在一個國家有多少頂尖的科學家，產業工人的素質和技術水平的高低，能夠制造別人無法制造的裝備，以及擁有先進的控制器和工業軟件技術。但是這些傳統的由知識形成生產力的方式正面臨著挑戰，最核心的問題是知識的傳承性和流轉的效率。CPS的核心價值是將知識數字化，通過互聯網使知識高效地流轉和規模化地服務于用戶。CPS在與人的交互過程中可以幫助人去獲取知識，也可以激發人的創造力去產生新的知識。進入智能化時代后，知識除了用科學的方式去概括和傳承外，還多了數字化建模這一新手段。而數字化建模方式則離不開大量的數據和豐富的使用場景，知識的流轉和服務效率也需要建立在龐大的用戶和開發者群體基礎上，這將是我國在智能化時代實現彎道超車的機會。通過建立數字化城市、工業知識平臺和知識服務平臺，使歷史和經驗得以傳承，使知識成為創造居民福祉的公共資源，這是CPS的另一功用。

機會：符合工業轉型的CPS應用

CPS的出現以及逐漸應用，為當前裝備制造性能方面并不占優的我國工業，提供了從裝備使用端與最終用戶端出發進行工業轉型、促進工業智能化進程，并產生新工業價值的極佳機會，而CPS的工業應用也將逐步符合智能工業發展需求。

1.裝備智能化新能力

作為世界工業品的“生產大國”和“使用大國”，工業品的性能指標先進性已經不是用戶最關心的問題。從終端用戶來看，其更看重的是能夠更好地使用、維護和管理所獲得的工業裝備，以最小代價獲得利益甚至產生新的價值，由此，對裝備狀態的定量化了解和未來發展趨勢的精確掌握，是用戶更為關心的問題。那么，CPS技術的有效應用，可以有效實現裝備自主的自省性、自預測性和自比較性，以此來提升國產裝備在使用階段的可使用性，并可極大地增強我國裝備在世界市場的競爭優勢，克服我國裝備業在經驗和先驗知識上與傳統工業發達國家的競爭劣勢。

2.企業管理新途徑

新型工業企業管理過程就是做到管理中多角色、多環節和多層級決策活動的多目標協同優化，以運營管理的安全、經濟和高效為目標，實現運營管理的智能化。而CPS在賽博空間中對于個體、群體、活動、環境以及推演的過程正是解決企業管理中認知與決策能力有效提升的關鍵問題，且其核心目標正是在于實現“視情”的無憂（worry-free）管理，即做到視情運維與精確管理，通過裝備狀態的有效掌握和企業活動的有效認識，推動企業管理的視情化，包括一站式信息服務、層次化活動協同、經濟/安全/高效使用裝備等，解決人的認知能力在智能制造和智能使用管理與控制活動中的束縛與制約，提升企業精細、高效和敏捷的管理能力。

3.業態融合和轉型發展新思路

工業門類齊全、產業上下游貫通是我國工業體系最大的優勢，但是，傳統的利益模式和經營模式使得這個優勢并沒有很好地發揮出綜合效能，而以CPS體系構建為紐帶，貫穿從最小控制/管理單元到工業裝備再到上下游產業鏈乃至全區域生態鏈的層級式應用，并通過工業體系知識的形成、分享與利用的規模化，可以促使形成基于CPS的“共享經濟”產業；亦可嘗試實現制造業從產品生產者向經營過程服務者的轉型，構建制造業與用戶經營目標和價值實現的共享與共擔，從利益的競爭關系變成利益同盟關系，實現生產力的再釋放，從而以綜合國力參與全球競爭。在可以預見的未來，新的工業產業結構將從精細化分工和充分競爭的方式逐漸轉變成為充分合作的新工業價值體系。工業互聯網將打破傳統大型企業的市場壁壘，使得更多小型公司甚至個人充分參與到創值服務的生態中，與大型企業更加平等地競爭。產業生態的融合將不再是以幾個巨頭企業為核心的金字塔式結構，而是更加平面和深度地相互滲透。我們也看到如GE等傳統巨頭企業開始意識到這個趨勢，將自己的能力和知識釋放出來，為廣大的開發者提供企業知識服務平臺，并將這些知識和經驗以數字化的形式保存下來。所以像Predix這樣的平臺未來會越用越有價值。

如總部位于山東省的中國中車青島四方機車車輛股份有限公司（簡稱中車青島四方），是中國最大的高速動車組整車生產廠商之一。作為中國中車股份有限公司的核心企業，其軌道交通車輛生產產品出口超過20個國家和地區，研制的“復興號”動車組在京滬高鐵實現時速350公里運營，使我國成為世界上高鐵商業運營速度最快的國家。

中國中車于2016年啟動了科研計劃重大專項《軌道交通裝備故障預測與健康管理技術研究及應用》研究，其中中車青島四方承擔了動車組子課題的研究及應用，目的是通過研發動車組車載故障預測與健康管理（PHM）系統對車輛運行狀態進行實時監測，對可能出現的故障進行診斷、預警和預測，避免影響車輛運行安全的重大問題發生，從而提高車輛運行安全性；通過研究動車組的檢修方式向狀態維修、預測性維修轉變，降低運維成本，增強企業服務能力，從而提高車輛運維經濟性。

軸箱軸承是高速列車裝備核心關鍵部件之一，是動車組的關鍵旋轉部件，軸箱軸承處于健康狀態是動車組運行安全的重要保障。傳統的維護方式是工程師基于部件的不同維護方案，手動檢查軸箱軸承的各個細部，若發現表面出現磨損，則更換該軸承。由于工程師無法預測部件的剩余使用壽命，導致維護成本較高。

中車青島四方希望通過開發出PHM系統，實時監控列車的健康狀況，以確保其平穩、安全和高效運營。實踐中，通過車載PHM系統進行高速采集數據，用邊緣計算技術將數據處理成有效的信息，傳輸到地面中心，用戶可以運用模式識別算法等實現遠程的數據采集方案配置，并且可以對數據進行分析，最終實現對軸箱軸承故障的診斷、預測及健康管理。

軸箱軸承PHM的率先實施僅僅是一個點，之后，將由點及面、逐步向前，對車輛的安全性能、動力性能和整車的運行性能、安全舒適度進行實時在線監測，根據這些監測數據進行分析，對轉向架系統、牽引系統、制動系統、車體系統和門系統等實現預測性維護，由此每年節省的費用將十分可觀。基于CPS架構的實時在線監測及預測性維護解決方案，將為中車實現更加智能化的理想提供堅實的保障，助力中國中車成為以軌道交通裝備為核心，全球領先、跨國經營的一流企業集團，打造節能、環保、高性價比的列車，為乘客提供更安全、更綠色、更愉快的乘車體驗。