基于CPS的工業(yè)4.0智能制造研究

呂　志

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

?

基于CPS的工業(yè)4.0智能制造研究

呂志

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

摘要：通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化為特征的工業(yè)4.0，指出信息物理系統(tǒng)在引領(lǐng)智能制造的過程中發(fā)揮的重要作用，工業(yè)4.0必定改變現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)，智能制造業(yè)將又一次煥發(fā)出新的生命力.

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng);工業(yè)4.0;智能制造

1工業(yè)革命與制造業(yè)

制造業(yè)是一門歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，然而每次工業(yè)革命都給制造業(yè)注入了新的生命力.以通過水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)工廠機(jī)械化為特征的工業(yè)1.0革命，使得機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動(dòng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)也從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)的模式轉(zhuǎn)型到了以機(jī)械制造為中心的工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式.以電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)為特征的工業(yè)2.0革命，使得零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配得以成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式.以電子與信息技術(shù)在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用為特征的工業(yè)3.0革命，得以實(shí)現(xiàn)初步的智能制造.至此，機(jī)器不僅接管了相當(dāng)比例的體力勞動(dòng)，還接管了一些腦力勞動(dòng).德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來10年中基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)的智能化，將使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的工業(yè)4.0革命時(shí)代，德國技術(shù)科學(xué)院劃分的四次工業(yè)革命的特征如圖1所示，德國西門子工業(yè)集團(tuán)總裁魯斯沃博士認(rèn)為：“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法[1].

圖1　四次工業(yè)革命的不同特征[1]Fig.1　The different characteristics of four industrial revolutions

與起源于機(jī)械化、電力化和信息技術(shù)化的前三次革命不同，工業(yè)4.0則是虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體物理系統(tǒng)相整合的革命.在制造業(yè)中，它促使企業(yè)建立全球網(wǎng)絡(luò)，把產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、倉儲(chǔ)、生產(chǎn)設(shè)備融入CPS中，通過這些制造要素信息間相互獨(dú)立地自動(dòng)交換，接收動(dòng)作指令、進(jìn)行無人控制.本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化為特征的工業(yè)4.0，指出信息物理系統(tǒng)在引領(lǐng)智能制造的過程中發(fā)揮的重要作用.由此可以看出，工業(yè)4.0的核心是通過CPS系統(tǒng)將制造業(yè)智能化，通過智能制造生產(chǎn)智能產(chǎn)品.

2信息物理系統(tǒng)(CPS)

CPS系統(tǒng)由美國科學(xué)家Helen Gill 在2006年首次提出，可看作基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)化智能信息系統(tǒng).該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過計(jì)算單元和物理對(duì)象的集成與相互交換，提高系統(tǒng)的在線信息處理能力，如在線通信、遠(yuǎn)程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等，因此 CPS系統(tǒng)有如下特征[2-4]：

(1) 網(wǎng)絡(luò)與物理高度有機(jī)集成，局部具有物理性，全局具有虛擬性.

(2) 系統(tǒng)的每個(gè)物理組件中都嵌有傳感器與執(zhí)行器，具有在線通信、遠(yuǎn)程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等功能.

(3) 閉環(huán)控制與事件驅(qū)動(dòng)過程.組件嵌入的傳感器通過對(duì)對(duì)象姿態(tài)的感知與反饋，將控制決策作用于執(zhí)行對(duì)象，從而形成基于事件驅(qū)動(dòng)控制的閉環(huán)過程.

(4) 大規(guī)模、高效協(xié)調(diào)分配的網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜系統(tǒng).CPS系統(tǒng)通過末端傳感器對(duì)對(duì)象的信息采集，最終形成自下而上的信息數(shù)據(jù)傳輸模式，該模式融合各類信息并提供精確而又全面的信息.

(5) 在時(shí)間和空間等維度上具有多重復(fù)雜性.

(6) 系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自主協(xié)同功能，高度自治，滿足實(shí)時(shí)魯棒控制.

(7) 系統(tǒng)安全、可靠、抗毀、可驗(yàn)證.CPS系統(tǒng)必須在保證自身的安全性、隱秘性的基礎(chǔ)上，抵御各類外部攻擊并實(shí)現(xiàn)各種功能、結(jié)構(gòu)各異的子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運(yùn)行.

基本的CPS 系統(tǒng)由決策控制部分、檢測(cè)感知部分與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分構(gòu)成(圖2)，決策控制部分根據(jù)控制要求下達(dá)控制指令；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)物理對(duì)象；檢測(cè)感知部分與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分是物理世界和計(jì)算世界的接口，檢測(cè)感知部分根據(jù)感知信息，經(jīng)過計(jì)算得到控制指令并反饋給決策控制部分[5].

該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)方式將傳統(tǒng)的集中式控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹皆鰪?qiáng)型控制模式.傳統(tǒng)的行業(yè)界限也將因這種模式的轉(zhuǎn)變而消失，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，各種新的活動(dòng)領(lǐng)域也會(huì)因此而產(chǎn)生.制造業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)從此進(jìn)入智能化、循環(huán)化與綠色化的過程.智能化生產(chǎn)的工廠業(yè)務(wù)模式示意圖如圖3所示[6].

圖2　基本CPS系統(tǒng)構(gòu)成[5]

圖3　工業(yè)4.0智能工廠示意圖

3智能制造的未來

圖4　智能產(chǎn)品生產(chǎn)過程Fig.4　Production Process of intelligent products

在工業(yè)4.0時(shí)代的推動(dòng)下，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，主要體現(xiàn)在智能工廠設(shè)備將實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化，生產(chǎn)系統(tǒng)具備靈活、能實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)各種事件的功能，保證生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化.同時(shí)，這種生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在特定的生產(chǎn)條件下，而且可在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)橫向的最優(yōu)化.在智能制造的過程中，借助CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際裝置與控制網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)連接，在時(shí)間與空間上拓展了技術(shù)人員的思維.一個(gè)智能產(chǎn)品的生產(chǎn)過程可從基礎(chǔ)技術(shù)、智能制造單元技術(shù)、智能制造系統(tǒng)、智慧工廠與智慧產(chǎn)品等方面開展.基礎(chǔ)技術(shù)部分包含智能傳感器、信息物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息采集與處理、建模仿真；智能制造單元技術(shù)部分包含智能核心器件、實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、智能化執(zhí)行單元等；智能制造系統(tǒng)部分包含測(cè)控一體化智能加工機(jī)床、機(jī)器人焊接、噴涂智能化系統(tǒng)、智能化整體壁板成形系統(tǒng)、智能化復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)與智能移動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)(圖4)[7].

4結(jié)束語

本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化為特征的工業(yè)4.0，指出工業(yè)4.0借助CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際裝置與控制網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)連接，將技術(shù)人員的工作思維在時(shí)間與空間方面都得到延伸.借助物聯(lián)網(wǎng)，智能工廠生產(chǎn)出智能產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的有機(jī)結(jié)合.總之，在工業(yè)4.0時(shí)代，CPS系統(tǒng)在引領(lǐng)智能制造的過程中發(fā)揮著重要作用，工業(yè)4.0的到來必然改變現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力.

參考文獻(xiàn)

[1]工業(yè)4.0工作組.德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議：上[J].機(jī)械工程導(dǎo)報(bào)，2013 (7/8/9): 23- 33．

[2]侯志霞,鄒方,呂瑞強(qiáng),等.信息物理融合系統(tǒng)及其在航空制造業(yè)應(yīng)用展望[J]. 航空制造技術(shù),2014(21):47-53.

[3]黎作鵬,張?zhí)祚Y,張菁.信息物理融合系統(tǒng)(CPS)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué), 2011,38(9):25-31.

[4]張彩霞. 基于信息物理融合系統(tǒng)的智能制造架構(gòu)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2013,40(6):36-40．

[5]陳智呈,鄭松.工業(yè)4.0與智能聯(lián)動(dòng)戰(zhàn)略[J].信息技術(shù)與信息化,2014 (6):76-89.

[6]張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2014(8):1-5.

[7]張曙.智能制造與未來制造[J].現(xiàn)代制造,2014(1):24-25．

Research on Industry 4.0 Intelligent Manufacturing

Based on Cyber-physical Systems

LYU Zhi

(SchoolofPhysicsandElectricalInformationEngineering,ShangqiuNormalUniversity，Shangqiu476000，China)

Abstract:The Industry 4.0 with characteristics of Internet and manufacturing services is researched. The importance of Cyber-physical systems in the process of leading intelligent manufacturing is pointed out. The Industry 4.0 will definitely change the existing industrial structure, and the intelligent manufacturing will be reborn with full of new vitality.

Key words:Cyber-physical systems； Industry 4.0; intelligent manufacturing

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-0834(2015)02-0036-03

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2015.02.010

作者簡介：呂志(1984—)，男，河南商丘人，商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院教師.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11173018)

收稿日期：2015-01-23