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技术 | 新一轮工业革命的共同基础就是赛博物理系统

德国要保持和捍卫制造业的领先地位,在德国工程院、弗劳恩霍夫研究院、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下,工业4.0项目在2013年汉诺威工业博览会上被正式推出。这是一个高技术战略项目,以建立智能工厂为目标,其技术基础是赛博物理系统(CPS),其特征是自适应性、资源有效性、人机工效及其与客户和业务组件在业务和价值流中的整合,可以从四个维度透视其增值过程,即订单、产品、工厂和技术,通过水平和垂直集成,贯穿整个生命周期的工程连续性,所有的工具实现无缝集成。通过自优化、自重构、自诊断及对人的认知和智能支持,形成高度的客户定制化,这也是未来社会对工业的需求。


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工业制造中的四个生命周期


还有一个重要的变化是用信息技术来设计和仿真生产过程,也就是说,不仅仅用信息技术把产品设计和仿真出来,同时还要把生产这个产品的过程也设计和仿真出来,全面整合、优化产品生命周期和生产生命周期。

欧盟随即发起了IMC-AESOP计划,即智能监测与控制(Intelligent Monitoring & Control)——面向服务的过程监测与控制架构(Architecture for Service Oriented Process Monitoring& Control)计划。IMC-AESOP计划的合作伙伴包括施耐德电气、SAP、霍尼韦尔、微软等。研究内容主要是基于云的分布式异构系统的过程自动化,同时在这个层面研究、解决逻辑架构和功能架构,这和复杂系统工程是一样的。首先根据需求来设计逻辑架构和功能架构,最后再落实到物理网络架构来进行优化。所以未来工业设施的基本特点就是基于云的赛博物理系统(CPS),把在传统工业中自动化和信息化的各种方式联合起来,实现整个企业范围内的监测与控制。同时这个网络将要形成大规模的生态系统和大规模的协同,目的是使今天难以实现或者高昂代价实现的事在未来很容易实现。是否具备这种能力,直接决定着未来的战略竞争成败和生存能力。


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产品的数字双胞胎模型


结合德国工业4.0以及欧盟提出的IMC-AESOP计划来看,未来工厂设计运行面临诸多挑战,所以面向未来制造的赛博物理模型应采用的是“偶模型”法。从早期设计阶段构建数字图像,在产品设计阶段将系统信息和物理知识导入,在此基础上建立仿真模型以作为未来分析的参考,也就是建立“数字双胞胎”(digital twins)。所谓“数字双胞胎”,就是所有设备要有一个数字模型,先建立一个健康模型,同时经过实测不断地完善这个模型。在后续使用阶段,它能持续记录和跟踪设备的状况。仿真的模型被认为是真实环境的镜像。最终由于云计算技术的普适连接,这个“偶模型”为工厂管理者提供机器状况更好的可达性。今后的产品从设计之初,就要诞生一个“数字双胞胎”,在全生命周期内都跟着这个产品,任何时候对产品的分析判断都基于这个数字模型,产品在任何时候进行了维修,都会在这个模型中体现。

为了应对一系列变化带来的深刻影响,推动制造业实现由大变强,中国正式发布了“中国制造2025”,这是第一次从国家战略层面描绘建设制造强国的宏伟蓝图。从其中规划的目标和内容来看,高端装备制造业是重中之重。实施好“中国制造2025”,要以创新驱动发展为主题,以信息化与工业化深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向。

综上所述,美国的再工业化战略主要包括国家制造创新网络(NNMI)计划、先进运载器制造(AVM)计划、工业互联网,德国工业4.0主要是智能制造、赛博物理系统(CPS),中国制造2025是两化融合、工业转型升级。所以,制造强国与制造大国方向一致,殊途同归,新一轮工业革命的共同基础就是赛博物理系统(CPS)。

新一轮工业革命的新特征

聚焦新一轮工业革命的核心技术领域,分别涉及数字制造(数字化和自动化)、智能制造(智能化)和工业互联网(网络化),在复杂系统工程和复杂组织体架构的支撑下,提取制造智能传递给赛博物理系统(CPS)。

几点启示

——新一轮工业革命来势凶猛,不进则退

新一轮工业革命将对人类生产生活方式和竞争格局产生深刻的影响。面对这一历史性、趋势性变化,欧洲国家已经采取了许多积极的措施。对我国而言,过去两次工业革命,由于我国处于积贫积弱时期,国家没有能力和条件抓住,丧失了发展机遇。但在新一轮工业革命的重大机遇面前,各国起点差不多,我国综合国力也已跻身世界前列,完全有能力和条件抓住。应增强机遇意识、忧患意识和时代紧迫感,不要停留在争议上或行动迟缓,而应着眼长远,增强预见性,抓紧战略部署,推动转型发展。

——加快体制机制改革,形成良好产业生态

新一轮工业革命对政府管理体制提出了新的挑战,对企业的快速反应能力提出了新的要求。应加快理顺政府与市场关系,进一步发挥市场对资源配置的决定性作用,充分发挥企业在产业转型升级中的主体作用,增强企业创新发展的活力和动力,政府加快转变职能,大幅度减少行政审批事项,深化垄断行业改革,强化法制建设,支持行业协会等社会中介组织积极发挥作用,着力营造公平、开放、有序、法治、稳定的良好产业生态系统。

——强化应用导向,鼓励合作创新

促进技术的深度应用是新一轮工业革命的重要特征。应鼓励企业在加大技术研发的同时,以客户为中心,以需求为导向,大胆创新商业模式,促进信息网络、新能源、新材料等技术的深度应用。面对日益细分的市场需求和系统性需求,鼓励企业间、产学研用之间加强合作,搭建合作平台,形成专业化分工合作关系,提供专业和系统解决方案。

——重视新型基础设施建设,加强无形资产培育

加强信息网络、新能源、电动汽车等基础设施投资,构建智能基础设施体系,促进智能楼宇、智慧工厂、智能物流、智能电网、智慧城市等建设。大力实施知识产权和标准战略。加大对设计、研发、品牌、软件、数据库、专利、文化等无形资产的投入。强化无形资产保护和利用的体制和制度支撑。

智能制造的内涵

无论是德国的“工业4.0”,还是美国的“工业互联网”,其实质与我国工业和信息化部推广的“两化融合”战略大同小异。某种程度上说,以智能制造为代表的新一轮工业革命或许对于我国制造业是一个很好的机会,也可能是我国制造业转型升级的一个重要机遇。

工厂内实现“信息物理系统”。德国“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。CPS概念最早是由美国国家基金委员会在2006年提出,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。

CSP是融合技术,包括计算、通信以及控制(传感器、执行器等)。中国科学院何积丰院士指出:“CPS,从广义上理解,就是一个在环境感知的基础上,深度融合了计算、通信和控制能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。”

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)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。

而信息物理系统(CPS)则通过物体、数据以及服务等的无缝连接,实现了生产工艺与信息系统融合,形成了智能工厂。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物理信息系统实现生产设备和生产线控制、调度等相关功能,从智能物料供应,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(图5)。


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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。

工厂间实现“互联制造”。随着信息技术和互联网、电子商务的普及,制造业市场竞争的新要求出现了变化。一方面,要求制造业企业能够不断地基于网络获取信息,及时对市场需求做出快速反应;另一方面,要求制造业企业能够将各种资源集成与共享,合理利用各种资源。

互联制造能够快速响应市场变化,通过制造企业快速重组、动态协同来快速配置制造资源,在提高产品质量的同时,减少产品投放市场所需的时间,增加市场份额;能够分担基础设施建设费用、设备投资费用等,减少经营风险。通过互联网实现企业内部、外部的协同设计、协同制造和协同管理,实现商业的颠覆和重构。通过网络协同制造,消费者、经销商、工厂、供应链等各个环节可利用互联网技术全流程参与。传统制造业的模式是以产品为中心,而未来制造业通过与用户互动,根据用户的个性化需求,然后开始部署产品的设计与生产制造。

另外,作为一个未来的潮流,工厂将通过互联网,实现内、外服务的网络化,向着互联工厂的趋势发展。随之而来,采集并分析生产车间的各种信息向消费者反馈,从工厂采集的信息作为大数据经过解析,能够开拓更多的、新的商业机会。经由硬件从车间采集的海量数据如何处理,也将在很大程度上决定服务、解决方案的价值。

过去的制造业只是一个环节,但随着互联网进一步向制造业环节渗透,网络协同制造已经开始出现。制造业的模式将随之发生巨大变化,它会打破传统工业生产的生命周期,从原材料的采购开始,到产品的设计、研发、生产制造、市场营销、售后服务等各个环节构成了闭环,彻底改变制造业以往仅是一个环节的生产模式。在网络协同制造的闭环中,用户、设计师、供应商、分销商等角色都会发生改变。与之相伴而生,传统价值链也将不可避免的出现破碎与重构。

工厂外实现“数据制造”。满足消费者个性化需求,一方面需要制造业企业能够生产或提供符合消费者个性偏好的产品或服务,一方面需要互联网提供消费者的个性化定制需求。由于消费者人数众多,每个人的需求不同,导致需求的具体信息也不同,加上需求的不断变化,就构成了产品需求的大数据。消费者与制造业企业之间的交互和交易行为也将产生大量数据,挖掘和分析这些消费者动态数据,能够帮助消费者参与到产品的需求分析和产品设计等创新活动中,为产品创新作出贡献。

因此,大数据将构成制造业智能化的一个基础。大数据在制造业大规模定制中的应用除了围绕定制平台这一核心之外,还包括数据采集、数据管理、订单管理、智能化制造等。定制数据达到一定的数量级,就可以实现大数据应用,通过对大数据的挖掘,实现流行预测、精准匹配、时尚管理、社交应用、营销推送等更多的应用(图6)。同时,大数据能够帮助制造业企业提升营销的针对性,降低物流和库存的成本,减少生产资源投入的风险。


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“数据制造”时代,互联网技术将全面嵌入到工业体系之中,将打破传统的生产流程、生产模式和管理方式。生产制造过程与业务管理系统的深度集成,将实现对生产要素的高度灵活配置,实现大规模定制生产。从而,将有力推动传统制造业加快转型升级的步伐。毫无疑问,“数据制造”将会改变制造业思维,给制造业带来更多的灵活性和想象空间,也或将颠覆制造业的游戏规则。

重新定义“智能制造”

没有强大的制造业,一个国家将无法实现经济快速、健康、稳定的发展,劳动就业问题将日趋突显,人民生活难以普遍提高,国家稳定和安全将受到威胁,信息化、现代化将失去坚实基础。改革开放以来的30多年中,中国经济经历了接近10%的高速增长阶段,而制造业是我国经济高速增长的引擎。目前,我国尚处于工业化进程的中后期,制造业创造了GDP总量的三分之一,贡献了出口总额的90%,未来几十年制造业仍将是我国经济的支柱产业。

重新定义“智能制造”的关键词。进入21世纪以来,制造业面临着全球产业结构调整带来的机遇和挑战。特别是2008年金融危机之后,世界各国为了寻找促进经济增长的新出路,开始重新重视制造业,欧盟整体上开始加大制造业科技创新扶持力度;美国于2011年提出“先进制造业伙伴计划”,旨在增加就业机会,实现美国经济的持续强劲增长。美国国家科学技术委员会于2012年2月正式发布了《先进制造业国家战略计划》,德国于2013年4月推出《工业4.0战略》。我们应该通过比较研究《美国先进制造业国家战略计划》《德国工业4.0战略》等资料中的先进制造业关键词,进而来定义未来制造业的发展方向(图7)。

一是软性制造。大规模制造时代,传统的制造环节利润空间越来越受到挤压。所以,从发达国家发展先进制造业的战略规划中均可以看到,制造业的概念和附加值正在不断从硬件向软件、服务、解决方案等无形资产转移。相对于传统制造业,如今的制造业是软件带给硬件功能、控制硬件、对硬件造成极大影响。同时,与以往的硬件商品所不同,目前的制造业中,对商品附属的服务或者基于商品上面的解决方案的需求正在快速增加。

所谓软性制造,就是增加产品附加价值、拓展更多、更丰富的服务与解决方案。因为相对于硬件,产品内置的软件、附带的服务或者解决方案通常是软性和无形的,都是“看不见”的事物,所以称之为软性制造。

软性制造不再将“硬件”生产视为制造业,而认为“软件”在制造业中不断发挥主导作用,商品产生的服务或解决方案将对制造业的价值产生巨大影响。所以,未来的制造业需要放弃传统的“硬件式”的思维模式,而要从软件、服务产生附加值的角度去发展制造业。软件、服务在整个制造业价值链中所占的比重将越来越大,呈现显著的增长趋势。未来制造业企业向顾客提供的不再是单纯的产品,而是各种应用软件与服务形态集成于一体的整体解决方案。

二是从“物理”到“信息”的趋势。以往,每当提及制造业,恐怕都认为是各种零部件构成硬件产品的核心。随着封装化、数字化的发展,零部件生产加工技术加速向新兴市场国家转移,这样,零部件本身的利润就难以维系。因此,发达国家制造业开始更加注重通过组装零部件进行封装化,将部分功能模块化,将系列功能系统化,来提升附加价值。

模块化是将标准化的零部件进行组装,以此来设计产品。从而能够快速响应市场的多样化需求,满足消费者的各项差异化需求。以往,在产品生产过程中,需要付出很多时间和成本,如果将复杂化的产品通过几个模块进行组装,就能够同时解决多样化和效率化的问题。

但是,模块化本身不过是产品的一项功能,未来制造业将更加重视在通过模块化和封装化的基础上进行系统化,拓展新的应用与服务。如果以系统化为主导,就能相对于“物理”意义上的零部件,获取更多的带有“信息”功能的附加价值。相反,如果不掌控系统的主导权,无论研发出的零部件的质量和功能多么好,也难以成为市场价格的主导者。

三是从“群体”到“个体”的趋势。在发达国家,以规模化为对象的量产制造业将生产基地转移至新兴市场国家,以定制化为重点的多种类小批量制造业渐渐成为主流。同时,消费者本身也将有能力将自己的需求付诸生产制造。也就是说,“大规模定制”随着以3D打印为代表的数字化和信息技术的普及带来的技术革新,将制造业的进入门槛降至最低,不具备工厂与生产设备的个人也能很容易地参与到制造业之中。制造业进入门槛的降低,也意味着一些意想不到的企业或个人将参与到制造业,从而有可能带来商业模式的巨大变化。


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“个性化”首先是美国大力推进的。在美国的文化背景下,个性要比组织色彩强烈。制造业的“个性化”趋势不仅仅是美国制造业回归,还将带动旧金山等大城市制造业的兴盛,一些专注于通过信息技术使得生产工程高效化、专业性的小规模手工制作的制造业将在市区内盛行,它们根据消费者的需求进行柔性的定制化服务,凭借独特的设计,与大量生产形成差异化竞争。

四是互联制造。随着信息技术和互联网、电子商务的普及,制造业市场竞争的新要求出现了变化。一方面,要求制造业企业能够不断地基于网络获取信息,及时对市场需求做出快速反应;另一方面,要求制造业企业能够将各种资源集成与共享,合理利用各种资源。

互联制造能够快速响应市场变化,通过制造企业快速重组、动态协同来快速配置制造资源,提高产品质量,减少产品投放市场所需的时间,增加市场份额。另外,作为一个未来的潮流,工厂将通过互联网,实现内、外服务的网络化,向着互联工厂的趋势发展。

美国因为有Google、Apple、IBM等IT巨头和无数的IT企业,所以在大数据应用上较为积极,非常重视对社会带来新的价值。Google不断将制造业企业收购至麾下,就是希望掌握主导权。同时,作为美国大型制造业企业的一个代表,GE公司也开始加强数据分析和软件开发,从车间采集数据,进行解析,提供解决方案,开拓新的商业机会。德国将“工业4.0”视为国家战略,将工厂智能化视为国家方针。通过信息技术,最大限度的发挥工厂本身的能力(表1)。


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把“两化”深度融合作为主要着力点。工业和信息化部成立以来,一直致力于推进“两化融合”工作,通过信息化的融合与渗透,对传统制造业产生革命性影响。“工业4.0”本质上是由信息技术引发的,与我国的“两化融合”有异曲同工之处。在未来制造业中,我们应该将“两化深度融合”作为主要着力点,进一步继续加快推进信息化、自动化和智能化。

首先,研究部署信息物理系统(CPS)平台,实现“智能工厂”的“智能制造”。智能制造已成为全球制造业发展的新趋势,智能设备和生产手段在未来必将广泛替代传统的生产方式。而信息物理系统(CPS)将改变人类与物理世界的交互方式,使得未来制造业中的物质生产力与能源、材料和信息三种资源高度融合,为实现“智能工厂”和“智能制造”提供有效的保障。美国、德国等世界工业强国都高度重视信息物理系统的构建,加强战略性、前瞻性的部署,并已然取得了积极的研究进展。而我国目前的制造业发展仍然以简单地扩大再生产为主要途径,迫切需要通过智能生产、智能设备和“工业4.0”理念来改造和提升传统制造业。

其次,推动制造业向智能化发展转型的同时,同步推动制造业的模式和业态的革新。主要体现在,从大规模批量生产向大规模定制生产的革新、从生产型制造向服务型制造的革新、从集团式全能型生产向网络式协同制造的革新、从两化融合向工业互联网的革新。

提升制度创新和管理变革能力。“智能制造”时代,平台型企业、网络化组织、开放式创新、大规模定制、社会化生产等行为将更加普遍。所以,生产者与消费者的互动将更加紧密,中小企业的作用将更加突出,对市场需求的快速反应将更加重要……这些变化都要求适时、适度的制度创新和管理变革能力,对我国相对薄弱的制度创新和管理变革能力构成现实性的挑战。

危机是威胁,也是机会。新一轮工业革命将彻底改变现有的生产方式和产业组织形式,改变国家间的比较优势,进而重塑全球产业竞争力和国际产业分工格局。作为新一轮工业革命的主攻方向,“智能制造”的发展将直接影响我国产业结构调整的路径和进程,将给我国制造业转型升级带来重大机遇。


文章来源:中航工业


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点击次数:  更新时间:2015-11-13 15:00:30  【打印此页】  【关闭