我國智能制造信息物理系統建設問題分析

摘? 要：為利用第四次工業革命這一契機搶占制造業高點，必須重視對智能制造核心技術的研究。信息物理系統是實現信息物理融合，推動制造智能化的關鍵要素和核心技術。

關鍵詞：智能制造;信息物理系統;數字孿生

云計算、物聯網、大數據、移動互聯等技術的快速發展及在制造領域的融合，促使各先進制造國家積極探索智能制造，以實現產品制造全流程、全生命周期的數據互聯互通、業務協同聯動和決策動態優化，最終達到制造系統的智能化、協同化、透明化、綠色化。德國、美國先后于2011年發表了其智能制造戰略，我國也于2015年發布了中國制造2025報告，確立了中國智能制造發展戰略。2015年至今，中國先后出臺了一系列“互聯網+制造業”政策，確立了制造業數字化、網絡化、智能化并行推進的發展路徑，一些關鍵領域的技術裝備、工業軟件實現突破，架構了智能制造標準和工業互聯網體系，實施了一批試點示范項目。但我國制造業智能制造轉型還面臨缺乏自主工藝數據庫和專家系統，制造系統整體解決方案供給能力不足等問題。

1.信息物理系統在發展智能制造中的作用

為利用第四次工業革命這一契機搶占制造業高點，必須重視對智能制造核心技術的研究。智能制造是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。智能制造系統研究的目標是建立能準確感知系統各部分運行狀態，能快速且準確的識別、加工獲取的實時運行狀態數據，能根據數據分析結果以及設定規則自動做出判斷與選擇，能執行決策，對設備狀態、車間和生產線的計劃進行調整的智能制造系統。智能制造系統可分為物理世界和數字世界兩層，物理世界和數字世界組成一個閉環系統，物理世界為數據世界提供基礎數據，數據世界通過數據分析、模擬仿真將信息反饋到物理世界，對物理世界做出命令、提出建議。因此在智能制造系統運行過程中，物理世界和信息世界的融合至關重要，同時其也是實現智能制造的瓶頸之一。信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）是實現信息物理融合，推動制造智能化的關鍵要素和核心技術。

2.智能制造信息物理系統發展現狀

CPS理念被美國自然基金委（National Science Foundation， NSF）提出后，連續多年多年被列為研究熱點和重點。NSF資助的CPS研究主要集中在嵌入式與自動化開發、網絡化與信息安全、信息基礎設施建設三方面。主要涉及設計開發節能、通用、靈活、低價的智能自治嵌入式設備及相關軟硬件組件;構建安全可靠的異構網絡通訊協議、通訊環境和網絡服務;對復雜大規模工業系統的網絡化精準協同控制，對相關資源的高效管理和智能調度決策等問題。歐盟將CPS作為智能系統的重要發展方向，在智能電子系統及復雜系統集成做了很多工作。

中國于2008年在IEEE嵌入式研討會上，將信息物理融合系統的研究列為技術發展重點，對工業物聯網應用產生了明確的需求認知和期待，開始思考如何借助互聯網+技術和智能化設備讓工廠的運營和管理變得更加智能。智能制造系統是在感知獲取多源多維制造數據基礎上，建立制造資源及制造服務與感知事件間的映射關系，然后通過感知事件理解制造資源與制造服務的狀態，提高制造系統的自身的感知交互及主動發現能力，進而提升制造系統的決策能力和智能水平。CPS提供了將相關事件映射到計算空間的理論框架，可以實現對制造系統的輕松建模。

陳麗娜等構建了CPS的三層體系結構框架，分別為物理層、網絡層及服務應用層。Zhang等人基于信息物理系統，構建了制造物聯的實時信息捕獲和集成架構，旨在實現設備層、車間層和企業層三者間的無縫雙向連接和互操作性。王小樂等提出一種四層 CPS 體系框架，分別為節點層、網絡層、資源層和服務層。

隨著對 CPS 的深入研究，學者們在 CPS 建模理論與方法領域也取得了不少研究成果。Liu應用CPS的實時感知動態物理資源的能力，構建了一種包含動靜態信息的制造資源虛擬化模型，旨在實現制造資源聚合具有根據動態變化因素進行調整的能力。張彩霞等在物聯網的基礎上，根據離散制造業的特點，結合環境智能和普適計算等未來網絡技術，構造了離散型制造信息物理融合系統的基本架構，以實現對離散制造業從生產到售后各環節相關資源的實時控制和自主調節。劉明星提出一種包含物理世界、感知系統、信息處理系統、控制系統及時間約束的 CPS 組成結構，并基于該組成結構提出了CPS資源分類框架、物理環境建模方法、原子服務建模方法及服務組合方法。袁源等研究面向惡意環境的動態復雜信息處理過程。CPS強調的是信息與物理世界的深度融合，強調的是信息域對物理域的反饋控制。因此，更多地要考慮對CPS計算服務和控制服務的建模。

在促進物理世界與信息世界交互融合的研究中，數字孿生可提供新的思路和方法。陶飛等并從數字孿生物理車間、虛擬車間、車間孿生數據、車間服務系統等主要系統組成角度出發，分別對物理車間異構要素融合、虛擬車間多維模型融合、車間物理-信息數據融合、車間服務/應用融合等關鍵問題進行了研究分析，提出了一種基于信息和物理融合的數字孿生產品設計、制造和服務方法。

3.智能制造信息物理系統發展面臨的挑戰

綜上，目前對智能制造信息物理系統的研究已初步取得成果，為智能制造實踐及后續研究提供了基礎，但仍面臨一些挑戰。主要表現在如下：缺少異構要素互聯與融合的理論和通用裝置支撐，對人、機、物、環境等多元異構要素的互聯互通研究較少;缺少刻畫和反應物理車間真實行為、規則、約束等的模型，從而無法實現物理車間到虛擬車間的真實完全映射;在實際運行優化與精準管理過程中，信息層和物理層不同步、一致性差、智能化程度低、管理精準度不夠。

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作者簡介：

龍梅（1986.5-），性別：女，民族：漢族，籍貫：四川冕寧，學歷：碩士研究生，研究方向：農業經濟，工程項目管理