CPS技術(shù)及在航空工業(yè)中的應(yīng)用

張倫彥

（中航工業(yè)信息技術(shù)中心,北京 100028）

張倫彥 中航工業(yè)信息技術(shù)中心副總工程師，中航工業(yè)智能制造專家組成員，主要從事智能制造、企業(yè)信息化、數(shù)字化制造等方面的研究工作。

航空制造業(yè)具有技術(shù)密集度高、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)范圍廣、兩化融合程度深的特點，處于裝備制造業(yè)的高端位置。在新一輪工業(yè)革命浪潮下，各國普遍將航空制造行業(yè)列入重點應(yīng)用領(lǐng)域[1]。賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）技術(shù)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，正在有力地推動在協(xié)同開發(fā)、智能生產(chǎn)、敏捷服務(wù)等領(lǐng)域形成新型集成化應(yīng)用范式，引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。在這種大背景下，加強(qiáng)CPS技術(shù)在航空工業(yè)應(yīng)用的分析和研究顯得尤為重要。

CPS是工業(yè)4.0的核心技術(shù)

從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0，每次工業(yè)革命的背后都有一項核心使能技術(shù)：

第1次是蒸汽機(jī)；

第2次是電氣化；

第3次是電子和信息技術(shù)；

第4次則是CPS技術(shù)[2]。CPS技術(shù)本質(zhì)上是一種集成創(chuàng)新技術(shù)：多項新興技術(shù)融入到1個復(fù)雜系統(tǒng)后，系統(tǒng)產(chǎn)生了新的技術(shù)特征，具備了更強(qiáng)大的創(chuàng)新驅(qū)動力?；ヂ?lián)網(wǎng)+的應(yīng)用、智能產(chǎn)品和服務(wù)等都是這種集成創(chuàng)新模式最先取得的應(yīng)用成果。這種由從要素創(chuàng)新過渡到集成創(chuàng)新的發(fā)展方式，正是第4次工業(yè)革命和前3次工業(yè)革命的最大區(qū)別。

CPS的演進(jìn)和發(fā)展

CPS的概念最早源自于幾十年前的嵌入式系統(tǒng)[3]。在工業(yè)4.0的背景下，用系統(tǒng)之系統(tǒng)的視角重新審視CPS的演進(jìn)和發(fā)展，將會得到更加深刻的認(rèn)識。

圖1描述了CPS的演進(jìn)過程：從嵌入式系統(tǒng)到機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)電一體化，再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化CPS。在CPS的每次演進(jìn)中，系統(tǒng)都增加了新的元素，這使得系統(tǒng)產(chǎn)生了新的特征，帶來了生產(chǎn)力的巨大提升。如今的CPS呈現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)化的新趨勢，這些CPS可能是異域、異類和異構(gòu)的，多個CPS通過網(wǎng)絡(luò)連接為1個新的CPS，形成了系統(tǒng)之系統(tǒng)（Systems of Systems,SoS）的全新架構(gòu)，使得系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)通信、全部或部分的自治能力。

CPS的5C架構(gòu)和特征分析

CPS是使技術(shù)系統(tǒng)具有智能特征的核心所在。智能本來是人的固有特征，技術(shù)系統(tǒng)如果要具備智能特征，就必須具有辨識、適應(yīng)和執(zhí)行的能力。圍繞技術(shù)系統(tǒng)的智能化特征，結(jié)合如圖2所示的CPS的5C架構(gòu)[4]，對CPS的內(nèi)涵進(jìn)行如下分析。

連接層（Connection）：著重突出靈巧的特點，能夠按照SOA的思想，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用；被連接的對象包括設(shè)備、人、物料和軟件服務(wù)等，能夠借助無線和傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對它們的自動連接和自動感知。

轉(zhuǎn)化層（Conversion）：能夠從大量的制造數(shù)據(jù)中，分析和提取出有價值的信息，其背后的支撐技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析技術(shù)；可以建立起萬物的信息關(guān)聯(lián)模型，用于分析和預(yù)測設(shè)備健康、產(chǎn)品性能等。

賽博層（Cyber）：最重要的是建立系統(tǒng)中每個組件的數(shù)字雙胞胎，其核心技術(shù)是基于模型的技術(shù)；當(dāng)物理世界發(fā)生變化時，數(shù)字模型也能夠跟隨變化，這需要連接層和轉(zhuǎn)化層提供支撐。

認(rèn)知層（Cognition）：能夠基于仿真和綜合推理，診斷出系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險環(huán)節(jié)，并提供決策支持和參考；能夠通過遠(yuǎn)程可視化，提供協(xié)同工作環(huán)境，快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題。

配置層（Configration）：系統(tǒng)和系統(tǒng)中的組件能夠針對外界的變化做出快速和自主的調(diào)整，具體體現(xiàn)為面向彈性的自配置、面向變化的自調(diào)整、面向干擾的自優(yōu)化。

航空工業(yè)CPS的架構(gòu)分析

CPS由物理空間和賽博空間組成。從系統(tǒng)的組成來看，CPS必須依托1個物理實體（或業(yè)務(wù)層次）存在，即在物理實體（或業(yè)務(wù)層次）上增加了一些新的要素。物理實體（或業(yè)務(wù)層次）是1個分層的結(jié)構(gòu)，每個層次都對應(yīng)1個CPS，上層的CPS由下層的CPS構(gòu)成，這些CPS可以是異域、異類、異構(gòu)的。從系統(tǒng)的組成元素來看，CPS包含4個基本要素：計算單元、總線單元、傳感器、驅(qū)動器，其中計算單元和總線單元構(gòu)成了賽博空間，傳感器和驅(qū)動器構(gòu)成了物理空間。

圖1 CPS的演進(jìn)路線Fig.1 Evolution route of CPS

圖2 CPS的5C架構(gòu)Fig.2 5C architecture of CPS

圖3給出了航空工業(yè)CPS的詳細(xì)解讀。在中航工業(yè)智能制造的架構(gòu)中，定義了企業(yè)聯(lián)盟層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層、控制執(zhí)行層共4個層次，每個層次都可以看作1個CPS，前兩層重點是要提取業(yè)務(wù)智能，后兩層重點是要提取制造智能。

在企業(yè)聯(lián)盟層，計算單元包括供應(yīng)鏈管理軟件、服務(wù)支持管理軟件等，總線單元是基于互聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng)的云平臺，傳感器是企業(yè)消息通信服務(wù)，驅(qū)動器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在企業(yè)管理層，計算單元包括產(chǎn)品生命周期管理軟件、企業(yè)資源計劃管理軟件等，總線單元是基于內(nèi)部網(wǎng)的企業(yè)服務(wù)總線，傳感器是生產(chǎn)消息通信服務(wù)，驅(qū)動器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在生產(chǎn)管理層，計算單元包括生產(chǎn)運行管理軟件等，總線單元是基于內(nèi)部網(wǎng)的制造服務(wù)總線，傳感器是設(shè)備消息通信服務(wù)，驅(qū)動器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在控制執(zhí)行層，計算單元主要是嵌入式軟件，總線單元是基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線，傳感器是物理存在的傳感器和標(biāo)識器，驅(qū)動器是數(shù)字控制驅(qū)動器及其配套的機(jī)械動力裝置。

應(yīng)用CPS技術(shù)的工作方法

（1）基于模型的系統(tǒng)工程。

系統(tǒng)工程是應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)或產(chǎn)品開發(fā)的最佳方法，能夠理想地應(yīng)對進(jìn)化式開發(fā)和系統(tǒng)復(fù)雜性。近年來，中航工業(yè)在系統(tǒng)工程應(yīng)用方面，基于邏輯開放式的標(biāo)準(zhǔn)體系和建模語言體系，以模型為中心，構(gòu)建多專業(yè)多學(xué)科的共同語言，實現(xiàn)連續(xù)的驗證能力，從需求出發(fā)，走向正向工程創(chuàng)新驅(qū)動。

智能制造系統(tǒng)是更復(fù)雜的系統(tǒng)，基于模型的系統(tǒng)工程方法同樣也適用于智能制造系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)。需要按照系統(tǒng)生命周期4個階段（需求、功能、邏輯和物理）開展工作，針對CPS在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，按照流程重點思考：需求是什么？必須怎么做？應(yīng)該怎么做？如何能實現(xiàn)？按照系統(tǒng)工程的方法，建立航空制造智能的成熟度評價體系，已經(jīng)成為當(dāng)前實施航空工業(yè)CPS的首要任務(wù)之一。

（2）復(fù)雜組織體架構(gòu)。

復(fù)雜組織體架構(gòu)方法也是應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計的一種科學(xué)方法，與基于模型的系統(tǒng)工程方法有很多相似和可結(jié)合之處。復(fù)雜組織體架構(gòu)從業(yè)務(wù)架構(gòu)入手，深入到應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)，在充分分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)計未來藍(lán)圖和演進(jìn)路線圖。

中航工業(yè)在CPS應(yīng)用方面已經(jīng)設(shè)計了包括企業(yè)聯(lián)盟層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層的4層架構(gòu)，下一步應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入采用復(fù)雜組織體架構(gòu)方法，應(yīng)對各層次的管理復(fù)雜性，面對CPS的所有應(yīng)用場景，用“5W1H”的方式來描述完整概念，構(gòu)建不同視角，解決企業(yè)戰(zhàn)略、管理和執(zhí)行各層面的完整性、系統(tǒng)性問題。

圖3 航空工業(yè)CPS的分層結(jié)構(gòu)和組成元素Fig.3 Hierarchical structure and composition elements of CPS in aviation industry

航空工業(yè)CPS應(yīng)用狀況分析

中航工業(yè)經(jīng)過多年兩化融合工作的推進(jìn)，由IT工具的單項應(yīng)用、全企業(yè)的綜合集成應(yīng)用邁向了跨地域和跨企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。建設(shè)統(tǒng)一門戶系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的界面、整合的流程、集成的系統(tǒng)和共享的數(shù)據(jù)支撐包括集團(tuán)公司、直屬板塊和成員單元的3級管理，提升管理和決策的效率；建設(shè)統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計平臺，從知識的嵌入、快速模型、工具集成到流程驅(qū)動以及基于組件的設(shè)計都實現(xiàn)了全局的統(tǒng)計和知識的共享，在飛機(jī)級實現(xiàn)了基于組件的虛擬原型機(jī)協(xié)同設(shè)計；建設(shè)協(xié)同研制平臺，解決設(shè)計、制造在跨廠所、跨地域的協(xié)同，在多個項目型號中成功應(yīng)用；構(gòu)建集團(tuán)級多項目協(xié)同管理平臺，有效管控項目計劃、費用、質(zhì)量和風(fēng)險等，自頂向下牽引應(yīng)用，形成了多層次、多地域、多廠所復(fù)雜型號項目的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同管理；構(gòu)建集團(tuán)級人力資源、財務(wù)等管控平臺，布局支撐多業(yè)務(wù)類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用，并投資建設(shè)基于云技術(shù)的高性能計算中心、集團(tuán)共享的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和公共軟件資源。

中航工業(yè)深入推進(jìn)了打通數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)工作。數(shù)字化生產(chǎn)線是數(shù)字化裝備的形成過程所需要的環(huán)境、設(shè)備、各類資源、生產(chǎn)組織和人員的總稱。打通數(shù)字化生產(chǎn)線就是利用數(shù)字化技術(shù)手段，以數(shù)字的形式描述產(chǎn)品及產(chǎn)品形成過程，并將各階段形成的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理起來，使各階段形成的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確有效地在相關(guān)的生產(chǎn)下游或上游傳遞或反饋，通過數(shù)字化手段使相關(guān)階段活動緊密聯(lián)系起來。目前已經(jīng)在沈陽、西安、成都、景德鎮(zhèn)等地開展了相關(guān)建設(shè)工作。

“十三五”期間，中航工業(yè)將以兩化深度融合為塑造航空工業(yè)競爭新優(yōu)勢的抓手，以智能制造和智慧院所推進(jìn)為手段，建立以CPS為基礎(chǔ)，架構(gòu)、模型和流程為主線的兩化深度融合框架，實現(xiàn)由綜合集成向協(xié)同與創(chuàng)新的整體躍升，成為支撐國家創(chuàng)新體系建設(shè)的行業(yè)典范。中航工業(yè)也已經(jīng)成立了智能制造創(chuàng)新中心，該中心統(tǒng)籌開展智能制造發(fā)展規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計、技術(shù)體系建設(shè)、關(guān)鍵共性技術(shù)研究和驗證、試點示范項目的篩選和推薦、解決方案開發(fā)、技術(shù)交流、國家合作和培訓(xùn)、服務(wù)實施以及最佳模式的總結(jié)、提煉與推廣。

圖4 面向CPS的工業(yè)云架構(gòu)Fig.4 Industrial cloud architecture for CPS

航空工業(yè)CPS云的架構(gòu)和規(guī)劃

中航工業(yè)針對智能制造的4層架構(gòu)開展了很多基礎(chǔ)性的工作，明確了基于云平臺的協(xié)同技術(shù)是實施中航工業(yè)智能制造的3大關(guān)鍵技術(shù)之一，在中航工業(yè)智能制造的推進(jìn)計劃中也提出了建設(shè)面向CPS的工業(yè)云，其架構(gòu)如圖4所示?；谶@種云平臺的架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于云的分布式異構(gòu)系統(tǒng)的過程自動化，基于云的業(yè)務(wù)組件化、流程標(biāo)準(zhǔn)化和服務(wù)集成化，支撐協(xié)同研制、協(xié)同制造、協(xié)同服務(wù)和協(xié)同供應(yīng)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的工作，能夠大幅降低各層次業(yè)務(wù)活動的管理難度和技術(shù)實現(xiàn)成本。

由于新的云平臺已經(jīng)跨越出了純軟件領(lǐng)域，與物理實體（或業(yè)務(wù)層次）進(jìn)行了融合，形成了具有新型協(xié)同系統(tǒng)范式特征的新工業(yè)形態(tài)和業(yè)務(wù)模式，因此被稱為面向CPS的工業(yè)云。考慮到安全性的問題，將規(guī)劃建設(shè)面向互聯(lián)網(wǎng)的外部云和面向內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)部云，保證內(nèi)外部云的平臺同構(gòu)和數(shù)據(jù)同步。

基于工業(yè)云的架構(gòu)，可以實現(xiàn)航空工業(yè)資源的虛擬化，提高資源的綜合使用效率。近期將實現(xiàn)計算資源、存儲資源的虛擬化，服務(wù)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通，使得IT基礎(chǔ)資源能夠發(fā)揮集約化的效益；遠(yuǎn)期將實現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)品、人員等廣義資源的共享和協(xié)同服務(wù)，使得整個產(chǎn)業(yè)資源能夠得到共享和優(yōu)化。

基于工業(yè)云的架構(gòu)，實現(xiàn)所有應(yīng)用的技術(shù)框架統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，降低應(yīng)用開發(fā)難度，使得應(yīng)用快速接入成為可能，其核心是統(tǒng)一流程管理、唯一數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用集成標(biāo)準(zhǔn)框架、標(biāo)準(zhǔn)安全控制機(jī)制等。

基于工業(yè)云的架構(gòu)，實現(xiàn)在企業(yè)聯(lián)盟層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層、控制執(zhí)行層的大型工業(yè)應(yīng)用的統(tǒng)一規(guī)劃和實施。

在企業(yè)聯(lián)盟層，建設(shè)多項目協(xié)同管理平臺、基于模型的協(xié)同設(shè)計與制造平臺、供應(yīng)鏈管理平臺、供應(yīng)鏈物流服務(wù)平臺、綜合保障和客戶服務(wù)平臺。

在企業(yè)管理層，構(gòu)建產(chǎn)品生命周期管理平臺、工廠和生產(chǎn)線仿真設(shè)計平臺、面向價值鏈的企業(yè)資源計劃管理和綜合運營管控平臺。

在生產(chǎn)管理層，以智能生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)建設(shè)為核心，實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的實時獲取、生產(chǎn)調(diào)度的動態(tài)決策和執(zhí)行。

在控制執(zhí)行層，使用大量的嵌入式軟件，基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線，通過傳感器聯(lián)通數(shù)字控制設(shè)備（如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工和裝配設(shè)備）和自動化設(shè)備，實現(xiàn)面向生產(chǎn)線或生產(chǎn)單元的賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-Physical Production Systems,CPPS）[5]。

結(jié)束語

航空工業(yè)是一個復(fù)雜的組織體，航空制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在航空工業(yè)應(yīng)用CPS技術(shù)的工作需要使用架構(gòu)方法進(jìn)行指導(dǎo)，從系統(tǒng)之系統(tǒng)的視角剖析CPS的技術(shù)架構(gòu)；務(wù)必堅持問題牽引、需求導(dǎo)向的方針，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法開展各層次CPS的需求分析、規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)工作，著重在生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層提取制造智能，在企業(yè)聯(lián)盟層和企業(yè)管理層提取業(yè)務(wù)智能。

[1]金卯.聚集優(yōu)勢力量，推動航空工業(yè)智能制造發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2015(13):68-69.

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[2]張新國.新一輪工業(yè)革命與中國航空工業(yè)的發(fā)展[J].國際航空,2014(1):16-19.

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[3]李實英,譯.嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論：CPS方法（從CPS視角看嵌入式系統(tǒng)） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

LI Shiying,tran.Introduction to embedded system: a cyber physical systems approach[M].Beijing: China Machine Press,2011.

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[5]張新國.對準(zhǔn)工業(yè)革命制高點，構(gòu)建戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型新架構(gòu)[J].國際航空，2015(9):16-21.

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