0 引言

　　進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái),世界經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了新的局面,增長(zhǎng)緩慢、波瀾起伏。各國(guó)為了爭(zhēng)奪市場(chǎng),競(jìng)爭(zhēng)激烈。為了擺脫危機(jī)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,各國(guó)都在加快研究新的技術(shù),新工業(yè)革命正在到來(lái)。德國(guó)是高度工業(yè)化的、以制造業(yè)為導(dǎo)向的出口型經(jīng)濟(jì)技術(shù)強(qiáng)國(guó)。為了保持在重要關(guān)鍵技術(shù)上的國(guó)際頂尖地位,從實(shí)際國(guó)情出發(fā),德國(guó)提出了繼蒸汽機(jī)的發(fā)明、大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化之后的第四次工業(yè)革命———Industry 4. 0 戰(zhàn)略計(jì)劃。

　　作為Industry 4. 0 核心的智能工廠,其基本設(shè)想是制造的產(chǎn)品集成有動(dòng)態(tài)數(shù)字存儲(chǔ)器、感知和通信能力,承載著整個(gè)供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種信息;整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈中所集成的生產(chǎn)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)自組織,以及能夠根據(jù)當(dāng)前的狀況靈活地決定生產(chǎn)過(guò)程。智能工廠的目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中,傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失,并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。

1 信息與通信技術(shù)發(fā)展遵循“15 年周期定律”

　IBM 前首席執(zhí)行官郭士納曾提出計(jì)算技術(shù)每隔15 年發(fā)生一次變革的觀點(diǎn),這一判斷像摩爾定律一樣準(zhǔn)確,人們把它稱為“15 年周期定律”。1965 年前后發(fā)生的變革以大型機(jī)為標(biāo)志。1980 年前后以PC 個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及為標(biāo)志,其間美國(guó)施樂(lè)公司首席科學(xué)家Mark Weiser 提出“ 無(wú)處不在的計(jì)算( ubiquitouscomputiug)”將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?995 年前后互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始普及,計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)發(fā)生了巨大改變。在互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上,2010年前后出現(xiàn)了新一代信息技術(shù)。按照美國(guó)ARC 顧問(wèn)集團(tuán)的觀點(diǎn),推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的新興技術(shù)主要是社交媒體技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)與先進(jìn)分析技術(shù)。

　　① 社交媒體技術(shù):在美國(guó),社交網(wǎng)站的發(fā)展驅(qū)動(dòng)了人們對(duì)于社交媒體技術(shù)在制造領(lǐng)域應(yīng)用的探索。借助于社交技術(shù),人們可實(shí)現(xiàn)快速查找工作所急需的專業(yè)知識(shí),能快捷地找到正確的能提供幫助的人,在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全球協(xié)同等。同時(shí)社交媒體可以滿足工廠企業(yè)市場(chǎng)營(yíng)銷的品牌建立與提升,獲得潛在客戶信息等需求。

　　② 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù):互聯(lián)網(wǎng)將計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)互通,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人的聯(lián)網(wǎng),徹底改變了人與人的互動(dòng)方式。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,人們進(jìn)一步希望物理世界也聯(lián)網(wǎng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息世界與物理世界的交融,于是產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)。

　　物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,將任意物品與互聯(lián)網(wǎng)相連,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

　　③ 云計(jì)算技術(shù):云計(jì)算是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ),以按需付費(fèi)為商業(yè)模式,具備彈性擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)分配和資源共享等特點(diǎn)的新型網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算模式。在云計(jì)算模式下,軟件、硬件、平臺(tái)等IT資源將作為基礎(chǔ)設(shè)施,以服務(wù)的方式提供給使用者。目前,云計(jì)算已成為提供各種互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的重要平臺(tái)。

　　④ 大數(shù)據(jù)與先進(jìn)分析技術(shù):大數(shù)據(jù)技術(shù)是從各種類型的數(shù)據(jù)中,采用新處理模式快速獲得有價(jià)值信息的能力,從而實(shí)現(xiàn)深度理解、洞察發(fā)現(xiàn)與精準(zhǔn)決策。它給制造業(yè)帶來(lái)的益處包括優(yōu)化流程、降低成本與提升營(yíng)運(yùn)效率。

　　如上所述,物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),把世界上萬(wàn)事萬(wàn)物連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,物品通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。但在很多應(yīng)用中,接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備對(duì)其計(jì)算能力的要求遠(yuǎn)非RFID 能比。由于物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力,通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間,因此物品之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。

2 信息物理融合系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推向一個(gè)新高度

　　為了將控制技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng),2006 年美國(guó)國(guó)家基金會(huì)(NSF)科學(xué)家Helen Gill 提出了信息物理融合系統(tǒng)(cyber physical system,CPS)概念,將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推向了一個(gè)新的高度。隨后,美國(guó)發(fā)布《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》,將CPS 列為重要研究項(xiàng)目;2007 年,美國(guó)總統(tǒng)指導(dǎo)科技顧問(wèn)委員會(huì)將CPS 列為優(yōu)先發(fā)展的八大關(guān)鍵信息技術(shù)之首;2008 年,美國(guó)CPS 指導(dǎo)小組將CPS 應(yīng)用于能源、交通、國(guó)防、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等方面。在歐洲,歐盟計(jì)劃從2007 年到2013 年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)上投入54 億歐元,以期在2016 年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)導(dǎo)者。

　　近年來(lái),通過(guò)智能手機(jī)、電子閱讀器、平板電腦等設(shè)備連接信息世界與物理世界已經(jīng)對(duì)我們生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了變革性的影響。利用這些設(shè)備和各種技術(shù),物理世界的信息可以無(wú)縫地傳遞到信息世界,在信息世界它被精心加工成對(duì)應(yīng)物理內(nèi)容的能夠適應(yīng)各種信息的應(yīng)用和服務(wù),同時(shí)還能通過(guò)執(zhí)行器修正,以適應(yīng)物理世界自身。信息世界與物理世界的互動(dòng)示意圖如圖1 所示。這就打開(kāi)了構(gòu)建創(chuàng)新服務(wù)的空間,使周圍的物理世界以及其中的社交活動(dòng)進(jìn)行更好的理解與互動(dòng),通常更能促進(jìn)物理和社交世界中“擴(kuò)增感知和互動(dòng)”的能力。虛擬世界覆蓋在物理世界之上,其目標(biāo)是連續(xù)監(jiān)視物理世界,同時(shí)能夠產(chǎn)生智能動(dòng)作使虛擬世界(應(yīng)用和服務(wù))適應(yīng)我們的需求。在一個(gè)融合的世界中,物理世界產(chǎn)生的動(dòng)作和信息能夠影響個(gè)人和社會(huì)的行為,它也能影響在虛擬世界中如何處理信息和服務(wù)。由此產(chǎn)生了信息物理融合系統(tǒng),亦稱工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

　　從本質(zhì)上講,信息物理融合系統(tǒng)(CPS)在物理世界的實(shí)體中部署一定的感知和自治能力,使之成為“智能物體”,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理,實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的互聯(lián),從而也實(shí)現(xiàn)了虛擬的信息世界與真實(shí)的物理世界的融合。從應(yīng)用角度講,CPS 將打破現(xiàn)有的傳感網(wǎng)系統(tǒng)、通信網(wǎng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng),建立一個(gè)多系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)操作的動(dòng)態(tài)可控復(fù)雜系統(tǒng)。通過(guò)物理過(guò)程、通信過(guò)程、計(jì)算過(guò)程和控制過(guò)程等緊密合作,可以滿足多種應(yīng)用需求。CPS 將使整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái),如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人互動(dòng)一樣,CPS將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)。

3 信息物理融合系統(tǒng)開(kāi)啟了Industry 4. 0 工業(yè)革命

　　德國(guó)是高度工業(yè)化的、以制造業(yè)為導(dǎo)向的出口型經(jīng)濟(jì)技術(shù)強(qiáng)國(guó)。為了確保制造業(yè)世界領(lǐng)先地位,從實(shí)際國(guó)情出發(fā),德國(guó)于2012 年首先將CPS 技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于制造工業(yè),提出了基于信息物理融合系統(tǒng)的Industry 4. 0 第四次工業(yè)革命戰(zhàn)略計(jì)劃。

　　在Industry 4. 0 時(shí)代,每個(gè)工廠企業(yè)都將建立“數(shù)字企業(yè)平臺(tái)”,通過(guò)開(kāi)放接口將虛擬環(huán)境與基礎(chǔ)架構(gòu)融為一體,從而構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)(CPS),生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)將升級(jí)為信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)(cyber physical production system,CPPS)。Industry 4. 0將由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制基本模式轉(zhuǎn)變。在這種模式中,傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失,并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過(guò)程正在發(fā)生改變,產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組,將使人類從“自動(dòng)化生產(chǎn)”進(jìn)入“智能化生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)、都市化生產(chǎn)”。

　　Industry 4. 0 將成為智能的網(wǎng)絡(luò)世界的一部分。在一個(gè)智能的網(wǎng)絡(luò)世界,所有主要工業(yè)領(lǐng)域都將感受到它的存在。物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)推動(dòng)這些領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革,從而產(chǎn)生了能源領(lǐng)域的智能電網(wǎng),可持續(xù)的移動(dòng)策略(智能汽車、智能倉(cāng)儲(chǔ)) 以及健康領(lǐng)域的智能健康。在制造環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)橫跨整個(gè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的垂直網(wǎng)絡(luò)化、端到端工程和水平集成,價(jià)值網(wǎng)絡(luò)上的產(chǎn)品和系統(tǒng)日益智能化。

　　Industry 4. 0 集中于創(chuàng)建智能產(chǎn)品、規(guī)范和方法。智能工廠制定Industry 4. 0 的主要細(xì)節(jié)內(nèi)容。智能工廠能夠管控各種復(fù)雜情況,很少發(fā)生停車,并能更有效地制造產(chǎn)品。在智能工廠中,人員、機(jī)器和資源相互之間進(jìn)行通信,就像在社交網(wǎng)絡(luò)一樣。智能產(chǎn)品能夠知道它們被制造和打算被使用的詳細(xì)情況。它們主動(dòng)支持制造過(guò)程,回答諸如“什么時(shí)候我被加工?”“處理產(chǎn)品的哪一個(gè)參數(shù)?”“產(chǎn)品被傳遞到何處?”等問(wèn)題。智能產(chǎn)品與智能汽車、智能物流和智能電網(wǎng)相對(duì)接,將使得智能工廠成為將來(lái)智能基礎(chǔ)設(shè)施的主要部分。這將使常規(guī)價(jià)值鏈發(fā)生變革,并出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)模式。

　　在實(shí)現(xiàn)Industry 4. 0 過(guò)程中,目的是通過(guò)建立在德國(guó)勞動(dòng)力技能、特長(zhǎng)和知識(shí)專利基礎(chǔ)上的系統(tǒng)創(chuàng)新進(jìn)程,通過(guò)影響現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛能的手段,創(chuàng)建一個(gè)最佳的、全面的一攬子解決方案。Industry 4. 0 將能夠?yàn)楣こ獭⒁?guī)劃、制造、運(yùn)行和物流整個(gè)過(guò)程,提供整套具有更強(qiáng)的靈活性、可靠性以及高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn),從而能夠有效創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)最佳的、自組織的價(jià)值鏈。該價(jià)值鏈可以按照諸如成本、可用性和資源消耗等各種準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)最佳化。

　　戰(zhàn)略創(chuàng)新的Industry 4. 0 將創(chuàng)造一個(gè)CPS 平臺(tái)。該平臺(tái)支持工業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程的協(xié)調(diào),以及用于智能工廠和智能產(chǎn)品生命周期所有方面的相關(guān)業(yè)務(wù)。由這些平臺(tái)提供的服務(wù)和應(yīng)用,將人員、對(duì)象和系統(tǒng)相互連接起來(lái)。

　　① 通過(guò)快速和簡(jiǎn)單的編排服務(wù)和應(yīng)用(包括基于CPS 的軟件)提供靈活性;

　　② 按照APP 商店模式分配和部署業(yè)務(wù)流程;

　　③ 整個(gè)業(yè)務(wù)過(guò)程具有綜合的、安全可靠的后備;

　　④ 由傳感器到用戶接口的每個(gè)環(huán)節(jié)都能做到功能安全、信息安全和高度可靠;

　　⑤ 支持移動(dòng)終端設(shè)備;

　　⑥ 支持業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)上的協(xié)同制造、服務(wù)以及分析和預(yù)測(cè)過(guò)程。

　　為了實(shí)現(xiàn)Industry 4. 0,德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手,投入高達(dá)5 億歐元支持該計(jì)劃,由德國(guó)人工智能研究中心(DFKI)牽頭,西門(mén)子公司、菲尼克斯電氣公司以及SAP 公司等23 家工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)參加,組成了“智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟”。該聯(lián)盟的目標(biāo)是研發(fā)、演示、應(yīng)用和分享創(chuàng)新的智能工廠技術(shù),提出融合規(guī)劃、工程和生產(chǎn)工藝以及相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)的全面解決方案,為智能工廠技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

4 領(lǐng)導(dǎo)制造業(yè)市場(chǎng)和領(lǐng)導(dǎo)裝備制造業(yè)供應(yīng)商的雙戰(zhàn)略

　　為了確保德國(guó)在制造業(yè)市場(chǎng)和裝備制造業(yè)供應(yīng)商兩個(gè)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位,Industry 4. 0 采用在制造業(yè)布局CPS 以及加速CPS 技術(shù)和產(chǎn)品市場(chǎng)化雙戰(zhàn)略。

　　Industry 4. 0 在戰(zhàn)略層面能夠創(chuàng)建水平價(jià)值網(wǎng)絡(luò),在業(yè)務(wù)流程層面(包括工程)提供跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端集成,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng),具體化為以下三方面特征。

　　(1) 水平集成:為了構(gòu)建和成功地?cái)U(kuò)展兩個(gè)主導(dǎo)的市場(chǎng),位于不同地方的業(yè)務(wù)部門(mén)構(gòu)成閉合的全局網(wǎng)絡(luò)是十分必要的,同時(shí)不同的企業(yè)之間必須開(kāi)展緊密合作,這就需要不同的價(jià)值創(chuàng)建階段和產(chǎn)品生命周期及其相應(yīng)的制造系統(tǒng)的邏輯的、端到端的數(shù)字集成。在生產(chǎn)、自動(dòng)化工程和工廠領(lǐng)域,水平集成是指用于制造和業(yè)務(wù)規(guī)劃流程不同階段的各種工廠系統(tǒng)的集成,其中包括在公司內(nèi)部和幾個(gè)不同公司之間的集成。該集成的目標(biāo)是提供端到端的解決方案。

　　(2) 端到端系統(tǒng)工程:跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端系統(tǒng)工程包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施以及服務(wù)五個(gè)階段。

　　五個(gè)階段的具體任務(wù)如下。

　　① 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā):使用PLM 軟件虛擬開(kāi)發(fā)、規(guī)劃和最佳化,用虛擬原型有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,對(duì)原型進(jìn)行虛擬分析。

　　② 生產(chǎn)規(guī)劃:工業(yè)軟件和自動(dòng)化技術(shù)集成,用工業(yè)軟件仿真生產(chǎn)規(guī)劃并進(jìn)行最佳化,縮短上市時(shí)間。

　　③ 生產(chǎn)工程:在獨(dú)立系統(tǒng)之間無(wú)縫通信,對(duì)所有的自動(dòng)化任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的訪問(wèn),建立統(tǒng)一的信息平臺(tái)。

　　④ 生產(chǎn)實(shí)施:采用節(jié)能和節(jié)約資源的部件及其解決方案提高生產(chǎn)效率,通過(guò)MES 系統(tǒng)獲得最佳生產(chǎn)性能,采用自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)集成解決方案。

　　⑤ 服務(wù):在垂直市場(chǎng)和生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)專利基礎(chǔ)上,建立與產(chǎn)品、系統(tǒng)以及應(yīng)用有關(guān)的全生命周期服務(wù),遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)能源管理服務(wù),自動(dòng)化系統(tǒng)功能安全和信息安全評(píng)估與測(cè)試等。

　　端到端系統(tǒng)工程需要采用跨越不同技術(shù)學(xué)科的性能整體性系統(tǒng)工程方法。貫穿工程流程的端到端數(shù)字集成,橫跨不同的公司和整個(gè)產(chǎn)品價(jià)值鏈,同時(shí)考慮用戶需求,將數(shù)字世界和真實(shí)世界進(jìn)行集成。端到端數(shù)字系統(tǒng)工程和由此產(chǎn)生的價(jià)值鏈最優(yōu)化,將意味著用戶不再選擇由制造商指定的預(yù)先定義了性能范圍的產(chǎn)品,取而代之的是將單個(gè)功能和部件配合,以滿足指定的要求。

　　通過(guò)CPS 實(shí)現(xiàn)的基于模型的開(kāi)發(fā),允許采用一種端到端、模型化的數(shù)字方法,它包括從用戶需求到產(chǎn)品結(jié)構(gòu),直至最終產(chǎn)品生產(chǎn)。這就使得在一個(gè)端到端系統(tǒng)工程工具鏈中就能識(shí)別和描述所有的依賴關(guān)系。基于同一模型能夠平行地開(kāi)發(fā)制造系統(tǒng),這就意味著它與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)始終保持并駕齊驅(qū),其結(jié)果是使得制造單批量產(chǎn)品亦能獲利成為可能。

　　(3) 垂直集成和網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng):垂直集成是指為了能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的解決方案,在不同層級(jí)(例如執(zhí)行器和傳感器、控制、生產(chǎn)、管理、制造和執(zhí)行以及公司規(guī)劃級(jí))的各種工廠系統(tǒng)的集成。垂直集成的基礎(chǔ)架構(gòu)就在一個(gè)具體的工廠內(nèi)。在將來(lái)的智能工廠中,制造流程的結(jié)構(gòu)將不再是固定的和預(yù)先定義的。取而代之,將定義一套IT 配置規(guī)則。該規(guī)則依據(jù)模型、數(shù)據(jù)、通信和算法,能夠依據(jù)各種情況,針對(duì)每個(gè)處境構(gòu)建一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)(拓?fù)?,從而實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的自組織和重新配置性。為了實(shí)現(xiàn)垂直集成,需要確保執(zhí)行器和傳感器信號(hào)能夠跨越不同層級(jí),一直傳送到ERP 級(jí)。

5 智能工廠的體系架構(gòu)

　　由于CPS 信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)入制造和物流的技術(shù)集成,以及在工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù),從而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng)———智能工廠。完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動(dòng)化系統(tǒng),智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)。

　   對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí),使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);對(duì)應(yīng)于控制級(jí),采用CPPS 信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng);對(duì)應(yīng)的監(jiān)控管理級(jí)連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng),采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)。

　　各部分的功能簡(jiǎn)述如下。

　　① 基于嵌入式Internet 技術(shù)、無(wú)線自組織的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信(machine-to-machine,M2M):M2M 通信是基于特定終端行業(yè),以公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為接入手段,為客戶提供機(jī)器到機(jī)器的通信解決方案,滿足客戶對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測(cè)量以及遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。M2M 不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)在機(jī)器和機(jī)器之間的傳輸,它是機(jī)器之間的一種智能化、交互式通信,即使人們沒(méi)有實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào),機(jī)器也會(huì)根據(jù)既定程序主動(dòng)進(jìn)行通信,并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇,對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。工業(yè)控制需要實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)化。隨著無(wú)線寬帶的突破,具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低占空比、IP 網(wǎng)絡(luò)支持以及泛在移動(dòng)性的M2M 通信能夠提供更佳的承載基礎(chǔ)。

　　② CPPS 信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng):由于工業(yè)控制的可靠性要求非常高,所以生產(chǎn)流程控制采用靠近工廠機(jī)器設(shè)備的CPPS 系統(tǒng)。按照Edward A. Lee 教授的定義:“CPS 是計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的集成系統(tǒng),利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,并通過(guò)反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的相互影響”。CPPS 系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡(luò)型嵌入式系統(tǒng),它將打破在PC 機(jī)時(shí)代建立的傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系架構(gòu),從而全面實(shí)現(xiàn)分布式智能。

　　③ 安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò):智能工廠的IT 設(shè)施建立在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,云計(jì)算的本質(zhì)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式,它類似于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。控制室可以理解為私有云,考慮到控制的可靠性要求非常高,為CPPS 信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)的APPs平臺(tái)建立在工廠企業(yè)的私有云上。但是一些營(yíng)運(yùn)和生產(chǎn)管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP 以及MES 的一些功能可以通過(guò)云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù),從而可以降低創(chuàng)建和優(yōu)化基礎(chǔ)架構(gòu)的成本;提升生產(chǎn)管理的智能化水平、高效的跨地域協(xié)同以及提高快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力等。

　　④ 基于CPS 的高級(jí)工廠輔助系統(tǒng):智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟十分重視將各種無(wú)線技術(shù)、平板電腦、智能手機(jī)以及室內(nèi)精確定位等很多IT 領(lǐng)域成熟的最新技術(shù)創(chuàng)新地引入新一代工廠系統(tǒng),形成高級(jí)工廠輔助系統(tǒng)。2012 年4 月,谷歌公司發(fā)布了“谷歌眼鏡” 新產(chǎn)品。這是一款可穿戴移動(dòng)終端產(chǎn)品。“谷歌眼鏡”采用了“擴(kuò)增實(shí)境”技術(shù)又稱增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),在“實(shí)境”現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上,將圖像、聲音和其他感官增強(qiáng)功能實(shí)時(shí)添加到真實(shí)世界的環(huán)境中,以虛擬現(xiàn)實(shí)將它擴(kuò)增,把真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫(huà)面或空間,可以使用戶充分感知和操控虛擬的立體圖像。為此,智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟專門(mén)成立了項(xiàng)目組,經(jīng)過(guò)研究試驗(yàn),打算將該技術(shù)用于工業(yè)維護(hù)系統(tǒng),通過(guò)頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶,包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及被維修設(shè)備零件圖等,從而大大提高維護(hù)效率。利用這些高級(jí)工廠輔助系統(tǒng),還可以支持、幫助和培訓(xùn)新一代工作人員。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)前,我國(guó)裝備制造業(yè)與世界先進(jìn)水平相比存在較大差距,產(chǎn)業(yè)的效率和效益較低,單位產(chǎn)值的能耗居高不下,人均水平差距巨大,創(chuàng)新能力薄弱。長(zhǎng)期以來(lái),高投入、高消耗、高污染的生產(chǎn)模式已無(wú)法延續(xù)。為了提升競(jìng)爭(zhēng)力,保持可持續(xù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型升級(jí),就必須采用CPS 信息物理融合系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)技術(shù),向智能、綠色和高效的智能工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)。新一代智能工廠系統(tǒng)要求傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)必須向新一代信息與通信技術(shù)開(kāi)放。自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)該轉(zhuǎn)換它的研究聚焦點(diǎn),從在各個(gè)獨(dú)立的學(xué)科(如分散系統(tǒng)或通信)開(kāi)展?jié)u近的局部改善性研究,走向整體系統(tǒng)功能的再工程化研究。我們應(yīng)該借鑒德國(guó)提出的新工業(yè)革命理念、目標(biāo)和制定的路線圖,打破傳統(tǒng)理念,堅(jiān)持進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)轉(zhuǎn)型,重視將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成熟的最新技術(shù)引入裝備制造業(yè)領(lǐng)域,勇于創(chuàng)新,加快我國(guó)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。