工业4.0本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”

服装智能制造 2019/06/29 12:43

工业4.0其实就是基于信息物理系统(CPS)实现智能工厂,最终实现的是制造模式的变革。

一、什么是信息物理系统?

CPS概念最早由美国国家基金委员会在2006提出,被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮,其核心是3C(Computing、Communication、Control)的融合。

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CSP是融合技术,包括计算、通信以及控制(传感器 、执行行器 等)。中国科学院何积丰院士指出:“CPS,从 广义上理理解,就是一个在环境感知的基础上,深度融合了了计算、通信和控制能 力力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理理实体。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合,构建 一个可控、可信、可扩展并且安全 高效的CPS 网络,并最终从根本上改变人类构建 工程物理系统的 方式”。

据资料料显示,2005年年5 月,美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力,并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后,基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年年2 月美国发布《美国竞争力计划》,将信息物理理系统CPS列列为重要的研究项目。到了了2007年年7 月,美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列列出了了八大关键的信息技术,其中CPS位列首位,其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界 面、网络信息技术与社会科学。

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原图出处:《德国 工业4.0最终报告》(作者改译)

CPS连接了了信息世界与物理现实世界,使智能物体互相通信、相互作 用,创造 一个真正的网络世界。生产设备中的嵌入式系统与生产线上的物联 网传感器 是构成CPS的要素之一,这些技术被称为“物理理技术”。但是,CPS 体现了了相对当前嵌入式系统和物联网的进一步进化,与互联网或者网上可搜集的数据、服务结合在一起,实现更加广泛的基于创新型应用或过程的新物理空间,淡化物理世界与信息世界的界限。也就是,CPS通过提供构建物联网的基础部分,并且与“服务互联网” 一体化,实现“ 工业 4.0”。使得传统制造业中的物理技术就像互联网让个人相互通信、相互作用的关系发生变革一样,将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来新的、根本性变化。

一旦,基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间,发生的相互作用,必将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子,智能手机囊括许多应用和服务,已经远远超出设备本身通话功能。由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现,渐渐形成新价值链,所以,CPS也将对现有业务与市场模式带来范式上的转变。汽车工业、能源经济,还有包括诸如“ 工业 4.0”的 生产技术的各个工业部 门,将同步因这些新价值链而发生巨变。

二、“ 工业4.0”将CPS从3C进步到6C

简单的说,CPS就是嵌入式系统加上网络控制功能,其中网络功能主要是为了实现控制目的。利用物联网、传感器的无线连接和感知功能,实现进 一步管理和控制。

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“ 工业3.0”时代,传统的自动化系统是封闭的,许多嵌入式设备并没有预留留外部接口。“ 工业4.0”在自动化的基础上,通过网络功能对嵌入式系统进 行了扩展,使得汇集计算、通信和控制能力于 一体的CPS成为智能 工 厂的核心。

同时,“ 工业4.0”时代,进一步丰富了CPS的3C融合概念。在计算、通信和控制的基础上,增加了内容(Content,语义分析)、社群(Community,协同合作)、与定制化(Customization,个性化定制)。也可以说,从3C到6C反映了制造业思维和制造业模式的变革。6C条件下的智能工厂通过网络协同制造,可以实现全产业链的智能生产,实现生产的自律调整, 生产出智能产品。

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同时,6C条件下的智能工厂,可以实现可视化生产,预测性制造管理。传统的制造过程中,存在许多无法定量的因素,包括加工过程中的设备性能下降、零部件的突发故障、残次品的返工等。通过可视化,实时监控生产数据,掌控那些不确定因素,使得智能工厂管理者能客观地评估制造和设备的使用状态,并通过管理实现预测性制造,起到降低成本,提升运行行效率,改进产品质量的作用。

三、CPS实现了生产工艺与信息系统融合

目前所说的制造业信息化, 首先强调的是CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)、CAM (Computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造)等工业软件和PPS( 生产计划控制系统)、PLM(产品 生命周期管理理)等信息化管理系统。主要应用于由上而下的集中式中央控制系统。

而“ 工业4.0”通过CPS实现生产工艺与信息系统融合,体现了生产模式从“集中型”到“分散型”的范式转变,正是因为有了让传统生产过程理论发 生颠覆的技术进步,这一切才成为可能。同时,分散型智能利用,代表了生产制造过程的虚拟世界与物理世界之间的交互关系,在构建智能物体网络中发挥重要作用。未来,生产设备不再只是“加工”产品,取而代之的是,智能化的生产设备通过网络的形式紧密地联接在一起, 而产品则通过网络通信向生产设备传达如何采取正确操作。更更具动态性和灵活性,从而能挖掘出更更多优化的可能,提高生产效率。

在未来的智能制造业中,CPS对涵盖自动化、 生产技术、汽 车、机械 工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部 门、应用领域,具有非常重要的意义。CPS不仅可以降低实际成本,提高能源、时间等的效率,还能降低CO2排放水平,在保护环境上发挥重大作用。因CPS 而实现的许多应 用,将产生新附加价值链和业务模式。

生产系统,智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在,将具有非常 高水平的实时性,同时在资源、成本节约中也颇具优势。智能工厂将按照重视可持续性的服务中心的业务来设计。因此,灵活性、 自适应以及机械学习能力等特征,甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。智能工厂的设备将实现高级自动化,主要是由基于自动观察生产过程的CPS的生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活的生产系统,能够实现生产 工程的彻底优化。同时,生产优势不仅仅是在特定生产条件下一次性体现,也可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。

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原图出处:《德国 工业4.0最终报告》(作者改译)

四、智能工厂概念

“ 工业 4.0”从嵌入式系统向信息物理系统(CPS)进化,形成智能工厂。智能工 厂作为未来第四次工业革命的代表,不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网 (物联网、数据网和服务互联 网)的方向发展。

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物联网和服务互联网分别位于智能工厂的三层信息技术基础架构的底层和顶层。最顶层中,与生产计划、物流、能耗和经营管理相关的ERP、SCM、CRM等,和产品设计、技术相关的PLM处在最上层,与服务互联 网紧紧相连。中间一层,通过CPS物理信息系统实现与生产设备和生产线控制、调度等相关功能。从智能物料料供应,到智能产品的产出,贯通整个产品生命周期管理。最底层则通过物联网技术实现控制、执行、传感,实现智能生产。

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原图出处:德国 人 工智能研究中 心[DFKI](作者改译)

五、智能工厂的三项集成

集成意味着以计算机应 用为核 心,是信息技术在制造业应 用发展的 高级阶段, 支持制造过程的各个环节。高度集成化能够极大地提高企业的生产效率、有效组织各方资源、 鼓舞不同链条中的员工的生产积极性,将企业从不同个体变为具备超强凝聚力的团队,使人员组织管理、任务分配、 工作协调、信息交流、设计资料与资源共享等发生根本性变化。

“ 工业4.0”通过CPS,将生产设备、传感器 、嵌入式系统、 生产管理系统等融合成一个智能网络,使得设备与设备以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

横向集成是指网络协同制造的企业间通过价值链以及信息 网络所实现的 一种资源信息共享与资源整合,确保了各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务的机制。横向集成主要体现在空间跨度上,主要是指从企业的集成到企业间的集成, 走向企业间产业链、企业集团甚至跨国集团这种基于企业业务管理理系统的集成,产生新的价值链和商业模式的创新。

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原图出处:《德国 工业4.0最终报告》(作者改译)

纵向集成是指基于智能工厂中的网络化的制造体系,实现分散式生产,替代传统的集中式中央控制的生产流程。纵向集成主要体现在时间跨度上,从侧重于产品的设计和制造过程, 走到了产品全生命周期的集成过程,建 立有效的纵向的生产体系。

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原图出处:《德国 工业4.0最终报告》(作者改译)

端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化信息系统集成,以保障大规模个性化定制的实施。端对端集成以价值链为导向,实现端到端的生产流程,实现信息世界和物理理世界的有效整合。端对端集成会将由单元技术产品通过集成平台,形成企业的集成平台系统,并朝着工厂综合能 力力平台发展。

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原图出处:《德国 工业4.0最终报告》(作者改译)

智能工厂的三项集成,从多年来以信息共享为集成的重点, 走到了过程集成的阶段,并不断向智能发展的集成阶段迈进。“ 工业4.0”推动在现有高端 水平上的纵向、横向以及端到端的,包括企业内部、企业与网络协同合作企业之间以及企业和顾客之间的全方位的整合。

从过去集成化思想在制造业中发展历程以及给制造业带来的效果评价来看,制造业已然越来越离不不开以先进技术为支持的全方位整合。可以说,基于全方位整合的集成化思维是制造业新思维之一。而且,制造业今后的发展也必将以“借势借 力力、整合资源”的全方位整合为基本思路路。

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