- 工业互联网产业联盟
- 2020年4月12日 15:34
CPS的基本要素和作用机制CPS与数字孪生既有相似之处，也有明显不同。相似之处在于，CPS也会像数字孪生一样，建立颗粒度不同的虚实对应的映射关系；明显不同在于，在数字孪生中数据是单向从物理实体到数字孪生体的，没有以数据“控制物理设备”的行为发生，而在CPS中，控制指令从数字孪生体下行到物理实体设备，与上行数据形成闭环。另一个明显不同在于，在经过“感知、分析”之后，数字孪生体在软件定义下实现了自主决策，直接操控了物理设备的运行结果。状态感知、实时分析、自主决策、精准执行所形成的智能闭环，是智能系统的基本特征[1]，是第四次工业革命重要标志，也是一个融合了赛博装置的物理设备的智能表现。作为使能技术，CPS在智能制造、工业互联网中都起着关键作用。CPS是智能制造和工业互联网的基本运行机理的抽象与提炼。在智能制造和工业互联网中，一定会发现CPS的身影，它变化形式多样，尺度大小不一，可能以单元级、系统级、系统之系统（SoS）等不同的系统级别来出现[4]。内涵：实现数物融合控制；实质：以“感知-分析-决策-执行”智能闭环，精准控制物理系统的形与态。四.智能制造的基本内涵智能制造术语源于日本在1990年所倡导的“智能制造系统（IMS）”国际合作研究计划。在国务院2015年发布的《中国制造2025》中，阐明了智能制造是主攻方向，让该术语再次在国内流行。今天的智能制造与30多年前的“智能制造系统”在内涵上是有区别的。德国工业4.0小组在《德国工业 4.0 战略计划实施建议》中推出通过“三项集成”实现智能化生产与服务模式。即以智能工厂为单元，“将各种不同层面的IT系统集成在一起（例如执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面）”，实现纵向集成和网络化制造系统（企内链）；“通过产品全生命周期和为客户需求而协作的不同公司，使现实物理世界与赛博世界完成整合”，实现产业链以及生产者与消费者的端到端集成（价值链）；“将各种使用不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起，这其中既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置，也包括不同公司间的配置”，实现企业生态圈的横向集成与社会化协作（价值网）[6]。2017年中国工程院提出了中国模式的智能制造“三范式”[9]，认为数字化制造是智能制造第一种基本范式，也称作第一代智能制造，是智能制造的基础；数字化网络化制造是智能制造第二种基本范式，或称作“互联网+制造”或第二代智能制造；第三种基本范式是数字化网络化智能化制造，或叫新一代智能制造。智能制造“三范式”的英文是：Digital Manufacturing, Smart Manufacturing和Intelligent Manufacturing。“三范式”既具有很强的前瞻性、体系性，又具有很强的务实性，对学术界、企业界研究、推进智能制造具有较好的实操性指导。智能制造聚焦在制造领域，基本上与德国工业4.0实现对标，强调CPS是使能技术。德国工业4.0组件参考架构模型（RAMI4.0）[6]，对CPS进行了较为准确的定义和技术阐述。2013年的RAMI4.0版本主要论述CPS，而2019年的版本增加了对数字孪生的论述。可见工业4.0本身就包含了CPS和数字孪生。智能制造亦是如此。笔者定义：“智能制造，基于CPS技术构建‘状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升’的数据闭环，以软件形成的数据自动流动来消除复杂系统的不确定性，在给定的时间、目标场景下，优化配置资源的一种制造范式。”该定义所涉及的各项基本要素是：智能机理：状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升，系统按照场景而不是按照固定程序来自主工作；操作对象：数据（信息与知识的载体）；使能：软件中的算法与规则（数字化知识）；本质：数据自动流动，并因自动流动而形成信息/知识泛在；目的：消除工业复杂系统的不确定性；约束：给定时空场景；价值：优化配置制造资源。智能制造的基本要素和作用机制如图3所示。
智能制造的基本要素和作用机制在图3中，物理实体设备（“△○□”实线）及其数字孪生体（虚线）一直以虚实精确映射的方式存在，但是，物理实体设备（“△○□”）从企业资产的角度来说，可能分属于不同的企业/工厂/车间，具有不同的工作场景，组成上相对封闭与固化，因此用长方框来组合表达。从物理实体设备感知和采集的数据上行到数字孪生体，数字孪生体设备发出的控制指令下行到物理实体设备（其运行机理参见前文CPS内容，四个顺时针小箭头形成单元级智能闭环）。四个大箭头所表示的“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”的系统级智能闭环一直顺时针按序运转，反复迭代。经过长时间、大数据量的深度机器学习，智能设备实现了“学习提升”，动作过程执行得越来越好。在笔者出版的《机·智：从数字化车间走向智能制造》中，把智能制造简要表述为：智能制造是“人智”转“机智”的所有活动[3] [5]。因为从另一个角度来看，把人类的智能（人智），从隐性知识变为显性知识，再把知识写入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入盒子（PLC、DCS等），盒子嵌入物理设备，就形成了CPS，越来越多的“人智”进入物理设备，促进了“机智”的爆发，于是有了智能的机器和智能的制造过程。在软件定义与赋能下，形成了智能制造新范式。没有CPS使能，就没有智能制造落地。内涵：优化配置制造资源；实质：实现企内链、价值链和价值网，构建新制造生态。五.工业互联网的基本内涵工业互联网从技术上说起源于工业以太网和设备物联网，从术语上说由中国上海可鲁软件公司在2007年提出[8]，从普及上说得力于美国GE公司的大力提倡与推动。工业互联网的“第一性原理”，就是要广泛地联接各种机器设备和工业系统，由此而实现“联接-管控-优化-效益”的基本逻辑：由联接而实现数据采集，由数据采集而实现数据实时传输、设备实时监测和设备行为的实时洞察，由此而有凭有据、精细化地进行制造资源的优化配置。工业互联网因为大范围联接了更多的工业要素，情况会比智能制造稍微复杂一些。海量数据，泛在联接，优化配置工业资源，是工业互联网的基本内涵，全国大范围、社会大尺度、跨行业大协作（“三大”）是业界对它的基本期待。其组成要素和作用机制如图4所示。
