CPPS及在航空領(lǐng)域的應(yīng)用*

王 勃， 杜寶瑞， 王金海

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司， 沈陽(yáng) 110034）

王 勃 工學(xué)博士，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)航空宇航制造工程專業(yè)，中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司特殊引進(jìn)高技術(shù)人才，長(zhǎng)期以來(lái)專注于飛機(jī)數(shù)字化制造及智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用。

新世紀(jì)以來(lái)，尤其是2008年金融危機(jī)之后，歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)情況受到不同程度的沖擊，各國(guó)政府意識(shí)到將經(jīng)濟(jì)核心置于金融以及房地產(chǎn)等領(lǐng)域的不確定性。為了振興經(jīng)濟(jì)，各工業(yè)強(qiáng)國(guó)推出了一系列先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，如美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃、德國(guó)工業(yè)4.0、英國(guó)“制造的未來(lái)”等。與此同時(shí)，新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)亮點(diǎn)，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮，制造業(yè)正在經(jīng)歷第4次具有顛覆性意義的變革。促成前3次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)要素分別為動(dòng)力技術(shù)、電氣技術(shù)以及信息技術(shù)，而本次變革的關(guān)鍵推動(dòng)要素之一就是賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）。

CPS最早由美國(guó)提出[1-3]。近年來(lái)，其理論與技術(shù)的研究不斷深入和進(jìn)步，目前已成為先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。2006年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)宣布將該系統(tǒng)作為國(guó)家科研核心課題。自2012年起，歐盟開始啟動(dòng)與嵌入式系統(tǒng)以及CPS技術(shù)相關(guān)的戰(zhàn)略研究與開發(fā)計(jì)劃，并計(jì)劃在10年內(nèi)投入70億美元，以期在此領(lǐng)域占據(jù)世界領(lǐng)導(dǎo)地位。2013年，德國(guó)正式發(fā)布“工業(yè)4.0”實(shí)施建議，將CPS作為其3大核心技術(shù)要素之一，并明確提出要為CPS技術(shù)和產(chǎn)品建立和培育新的主導(dǎo)市場(chǎng)。如今，我國(guó)制造業(yè)也將受益于CPS技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)機(jī)器人、智能生產(chǎn)線、智能工廠等技術(shù)的推廣與應(yīng)用正在帶動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[4-8]。

CPS與CPPS

1 CPS

CPS是指由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等信息介質(zhì)以及具備物理輸入輸出且可相互作用的物質(zhì)實(shí)體組成的網(wǎng)絡(luò)。CPS不同于未聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立設(shè)備，也不同于沒(méi)有物理輸入輸出的單純網(wǎng)絡(luò)。從嵌入式系統(tǒng)到CPS的演化過(guò)程如圖1所示。

由圖1可知，CPS的提出是在最初嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融入了感知、網(wǎng)絡(luò)、智能計(jì)算等技術(shù)逐步演進(jìn)而來(lái)的。在CPS集成化的網(wǎng)絡(luò)、信息處理、傳感以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得賽博空間與物理設(shè)備深度融合，進(jìn)而使系統(tǒng)達(dá)到足夠的智能并能在多變的環(huán)境中應(yīng)對(duì)多變的需求。未來(lái)，CPS將越來(lái)越依賴于計(jì)算單元。因此，計(jì)算單元必須具有足夠高的可依賴性、物理安全性以及信息安全性[9-11]。

從這個(gè)角度上來(lái)看，智能機(jī)器人、智能物流系統(tǒng)、智能數(shù)控機(jī)床等都可稱作CPS。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種智能化系統(tǒng)在工業(yè)界所發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。與此同時(shí)，這些系統(tǒng)的應(yīng)用并不意味著削弱了人在系統(tǒng)中的重要性，而是改變了人的角色，同時(shí)也改變了系統(tǒng)對(duì)人類技能的需求。

圖1 從嵌入式系統(tǒng)到賽博物理系統(tǒng)的演進(jìn)Fig.1 Development from the embeded system to the CPS

圖2 CPPS的基本結(jié)構(gòu)與原理Fig.2 Basic structure and principle of the CPPS

2 CPPS

賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-Physical Production Systems， CPPS）是CPS在制造領(lǐng)域的一種具體形式，它的出現(xiàn)一方面依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)等的發(fā)展；另一方面也依賴于制造領(lǐng)域中制造裝備、先進(jìn)工藝等技術(shù)的突破。對(duì)企業(yè)而言，CPPS能夠使其中的設(shè)備、設(shè)施、人等各種生產(chǎn)要素實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并能夠進(jìn)行信息交換和實(shí)時(shí)控制，這有利于從根本上改善包括制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和全生命周期管理的工業(yè)過(guò)程。對(duì)于整個(gè)制造業(yè)而言，CPS能夠使不同地域、不同行業(yè)的企業(yè)、研究院所、政府等組織實(shí)現(xiàn)高效合作，并在全球領(lǐng)域內(nèi)形成良性的、優(yōu)化的制造業(yè)生態(tài)環(huán)境。

CPPS的基本結(jié)構(gòu)與原理如圖2所示。在賽博空間中，包含了產(chǎn)品全生命周期中所有對(duì)象及其活動(dòng)的模型與知識(shí)，通過(guò)這些模型與知識(shí)，制造過(guò)程中的所有環(huán)節(jié)將能夠在賽博空間中得到基于全資源的仿真與優(yōu)化，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)并避免生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)。這有賴于對(duì)物理系統(tǒng)及其行為的建模與仿真技術(shù)，以及基于這些模型對(duì)物理系統(tǒng)可能發(fā)生的緊急情況的預(yù)測(cè)與處理等技術(shù)。物理系統(tǒng)中包含了大量能夠自主運(yùn)行并相互合作的元器件或子系統(tǒng)，如智能制造設(shè)備、智能物流系統(tǒng)、智能產(chǎn)品等。賽博空間與物理系統(tǒng)之間的組織模式、過(guò)程控制、信息傳遞等方式將更加多樣化，并可能根據(jù)需求實(shí)時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，這與傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)中的“金字塔模型”之間存在顯著不同，如圖3所示。

此外，作為系統(tǒng)中最重要的決策者，人與具有部分智能的機(jī)器共同構(gòu)成決策主體，并在CPPS中也將發(fā)揮重要的作用。在CPPS中，人工智能將廣泛應(yīng)用于制造過(guò)程的各階段、各環(huán)節(jié)，并構(gòu)成具有不同程度智能行為的智能執(zhí)行單元。每一智能執(zhí)行單元均包含人與“機(jī)器”，兩者之間實(shí)現(xiàn)交互，共同構(gòu)成決策主體。人進(jìn)行基于知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的思維，形成正向和主導(dǎo)的決策與指令；具有智能行為的機(jī)器通過(guò)自檢測(cè)、自分析，形成自適應(yīng)的決策調(diào)整，反饋到系統(tǒng)的前端，構(gòu)成新一輪的決策指令，并豐富知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)積累。多個(gè)智能執(zhí)行單元共同組成特定的智能制造系統(tǒng)，其中，賽博系統(tǒng)與物理系統(tǒng)互為支撐、深度融合。

CPPS的特征

CPPS具有如下特征：高度自主化、賽博物理深度融合、人機(jī)交叉融合、生產(chǎn)靈活高效、定制化生產(chǎn)。

（1）高度自主化。

賽博空間中具有整個(gè)制造系統(tǒng)與制造過(guò)程的完整模型，能夠?qū)ξ锢硐到y(tǒng)中的實(shí)際制造過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程的仿真。同時(shí)，賽博空間中具有支持生產(chǎn)過(guò)程決策的設(shè)計(jì)、工藝、制造等相關(guān)知識(shí)，這些知識(shí)能夠用于支持系統(tǒng)對(duì)制造過(guò)程的決策。在生產(chǎn)過(guò)程中，物理系統(tǒng)中的元器件能夠采集相關(guān)制造數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳遞到賽博空間，賽博空間將基于歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。通過(guò)這一閉環(huán)過(guò)程的不斷迭代，CPPS擁有了自學(xué)習(xí)、自決策、自主控制等能力，并且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)中的知識(shí)不斷積累，系統(tǒng)的智能化程度不斷提升，自主性也隨之逐步完善。

（2）賽博物理深度融合。

在傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。而在CPPS中，賽博空間與物理系統(tǒng)進(jìn)行深入交互與融合，并實(shí)現(xiàn)對(duì)制造活動(dòng)的先驗(yàn)預(yù)判、實(shí)時(shí)控制以及后置優(yōu)化，如圖4所示。在制造過(guò)程開始之前，賽博空間首先對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行全資源的仿真，驗(yàn)證制造方案的正確性；在制造過(guò)程中，賽博空間與物理系統(tǒng)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)傳遞，并實(shí)時(shí)優(yōu)化制造過(guò)程；在制造過(guò)程完畢之后，賽博空間將通過(guò)對(duì)本次制造過(guò)程的分析，進(jìn)一步抽取其中的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析形成制造知識(shí)，并服務(wù)于后續(xù)的制造過(guò)程。

（3）人機(jī)交叉融合。

如前所述，與自動(dòng)化制造中所強(qiáng)調(diào)的“無(wú)人制造”不同，人在CPS中占有非常重要的地位，人與“機(jī)器”共同組成決策主體且人機(jī)分工的方式發(fā)生了顯著變化。如圖5所示，從勞動(dòng)量的角度來(lái)看，基于CPPS人類大量的體力勞動(dòng)將被機(jī)器取代，且人類的少部分腦力勞動(dòng)也將被機(jī)器取代。從勞動(dòng)的復(fù)雜度來(lái)看，繁瑣復(fù)雜的人類體力勞動(dòng)將逐漸減少，人類將更加專注于復(fù)雜度較高的腦力勞動(dòng)，而機(jī)器能夠從事的輔助性智能勞動(dòng)將明顯增多。

隨著CPS的靈活性與可依賴性程度不斷提升，人類與機(jī)器之間的信息交互內(nèi)容與交互方式也正在逐漸豐富，協(xié)作過(guò)程更加安全順暢。目前，大量的先進(jìn)技術(shù)手段也將改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)方式，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已在制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。如圖6所示，工人在安裝飛機(jī)上的電纜管路時(shí)，通過(guò)佩戴專業(yè)化的眼鏡，能夠直接觀測(cè)管路的接頭位置，進(jìn)而避免了錯(cuò)裝、漏裝等錯(cuò)誤?；谌藱C(jī)工程學(xué)研發(fā)的可穿戴設(shè)備正在制造業(yè)中推廣應(yīng)用，這些設(shè)備的應(yīng)用顯著降低了人類勞動(dòng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 生產(chǎn)控制模型的轉(zhuǎn)變Fig.3 Change of the production control model

圖4 賽博空間與物理系統(tǒng)的深度融合Fig.4 Combination of the cyber space and the physical system

圖5 賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)中人類與機(jī)器勞動(dòng)的變化Fig.5 Changes of the human and machine labor in the CPPS

（4）制造系統(tǒng)靈活可控。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近年來(lái)正在逐漸與制造業(yè)發(fā)生融合，并推動(dòng)著制造業(yè)的不斷進(jìn)步。在CPS中，具有自主性、可自我調(diào)節(jié)的生產(chǎn)資源形成一個(gè)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量智能技術(shù)的運(yùn)用，制造系統(tǒng)的自動(dòng)化、柔性化水平逐步提高，系統(tǒng)單元之間能夠根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)靈活的組織重構(gòu)，與傳統(tǒng)自動(dòng)化制造相比，企業(yè)可以根據(jù)形勢(shì)與環(huán)境來(lái)控制、調(diào)節(jié)智能制造資源網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)過(guò)程，制造系統(tǒng)的靈活性更為顯著。

（5）定制化、眾包眾創(chuàng)生產(chǎn)。

由于制造系統(tǒng)具有非常高的靈活性，企業(yè)面對(duì)客戶定制化需求，可以高效、快速且成本低廉地實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的重組，即便是生產(chǎn)很小批量的產(chǎn)品也能夠獲利。同時(shí)，通過(guò)全價(jià)值鏈的集成，具有特殊需求的用戶可以直接或間接地參與生產(chǎn)過(guò)程，可以更好地支持產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。隨著CPPS的不斷延拓，制造企業(yè)將在全社會(huì)領(lǐng)域內(nèi)形成全新的制造生態(tài)環(huán)境，制造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)將會(huì)交由更加專業(yè)化的人員或單位專門負(fù)責(zé)，專業(yè)分工將更加細(xì)致和靈活。這些制造技術(shù)與模式的變革將使制造業(yè)形成定制化、眾創(chuàng)化的生態(tài)環(huán)境，極大滿足了未來(lái)社會(huì)對(duì)制造的復(fù)雜需求。

圖6 可穿戴設(shè)備在制造中的應(yīng)用Fig.6 Application of the wearable devices in manufacturing

CPPS所涉及關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域

CPPS涉及到信息技術(shù)、制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能分析技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外針對(duì)CPPS的研究也較為廣泛。但從總體來(lái)看，CPPS的研究與實(shí)施重點(diǎn)關(guān)注于如下幾個(gè)領(lǐng)域。

1 CPPS的建模

對(duì)于CPPS而言，如何在賽博空間中建立生產(chǎn)系統(tǒng)的模型，進(jìn)而支持對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真、控制和優(yōu)化是一項(xiàng)首要工作。在過(guò)去數(shù)十年中，已有大量針對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模的研究，且已經(jīng)形成了若干建模標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)能夠根據(jù)需求從不同的維度描述不同的制造系統(tǒng)[12-14]。為了使這些標(biāo)準(zhǔn)能夠適用于CPPS各環(huán)節(jié)的建模過(guò)程，目前業(yè)界正在研究的方向包括：

（1）建模標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)化與拓展。為了保障在建模過(guò)程中覆蓋盡可能多的需求，建模語(yǔ)言需要面向制造過(guò)程中的細(xì)節(jié)進(jìn)行專業(yè)化的定制，并針對(duì)制造業(yè)的特殊需求進(jìn)行拓展。為此，建模標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有內(nèi)部拓展能力，在不改變建模標(biāo)準(zhǔn)基本架構(gòu)的條件下引入專業(yè)化的概念。

（2）建模語(yǔ)言的語(yǔ)義與語(yǔ)法完善。建模語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)定義了抽象或具體的語(yǔ)法，但是仍需要研究如何能夠?qū)⒅圃煜到y(tǒng)中的制造過(guò)程通過(guò)建模語(yǔ)言中的具體語(yǔ)法描述出來(lái)。

（3）建模語(yǔ)言對(duì)制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)性或突發(fā)性行為的描述。目前，建模語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)通常用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然而，系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中的某些實(shí)時(shí)性行為、突發(fā)行為也需要在建模語(yǔ)言中進(jìn)行描述。建模語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)必須能夠支持在此方面的定義。

2 賽博空間與物理系統(tǒng)的集成

如前所述，CPS中的網(wǎng)絡(luò)不同于沒(méi)有物理輸入輸出的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，也不同于沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的單機(jī)設(shè)備。CPS中的網(wǎng)絡(luò)要求具有高度的實(shí)時(shí)性。此外，網(wǎng)絡(luò)終端多連接的設(shè)備可能具有不同的系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口、通信標(biāo)準(zhǔn)等。因此，從本質(zhì)上講，CPS通常是一個(gè)復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。復(fù)雜的CPPS中將會(huì)集成大量的異構(gòu)、分布式組件或系統(tǒng)，這些組件或系統(tǒng)必須能夠高效地協(xié)同工作。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)首要解決的就是一種標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語(yǔ)體系、一種統(tǒng)一的建模語(yǔ)言，以及用于描述賽博空間與物理系統(tǒng)之間信息交互的軟硬件規(guī)范體系。

3 賽博物理安全問(wèn)題

對(duì)于CPPS而言，網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用將使信息安全威脅進(jìn)一步擴(kuò)大，而深度的人機(jī)交互則需要確保人與設(shè)施在物理系統(tǒng)中的安全性[15-16]。

賽博安全將涉及到國(guó)防信息安全、私人信息安全、系統(tǒng)完整性以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面。從目前來(lái)看，賽博安全所關(guān)注的問(wèn)題包括賽博安全的評(píng)價(jià)體系，對(duì)賽博威脅的主動(dòng)防御，以及應(yīng)對(duì)瞬時(shí)賽博攻擊而采取的容災(zāi)或備份機(jī)制等[17-18]。CPPS中的網(wǎng)絡(luò)通信是整個(gè)系統(tǒng)中賽博安全要求最高的環(huán)節(jié)。賽博攻擊通常會(huì)在通信過(guò)程中監(jiān)控、干涉賽博空間，進(jìn)而對(duì)物理系統(tǒng)中的設(shè)施進(jìn)行破壞，或?qū)е玛P(guān)鍵流程的失靈。因此，CPPS通信中適當(dāng)且可承受的信息安全是CPPS中首先需要考慮的因素。目前，工業(yè)界已經(jīng)能夠?yàn)榛贗P的通信提供主動(dòng)防御，并有效地?cái)r截已知或可預(yù)測(cè)的攻擊事件。但是，由于CPS可能存在未知的安全脆弱環(huán)節(jié)，目前的主動(dòng)防御措施并不足以應(yīng)對(duì)專門針對(duì)這類環(huán)節(jié)的新形式攻擊或是未預(yù)測(cè)到的攻擊。針對(duì)這一類的攻擊，在CPPS中引入態(tài)勢(shì)感知技術(shù)將是一種有效手段。態(tài)勢(shì)感知[19]就是在大規(guī)模系統(tǒng)環(huán)境中，對(duì)能夠引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的安全要素進(jìn)行獲取、理解、顯示并預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)態(tài)勢(shì)感知，當(dāng)系統(tǒng)遭受威脅時(shí)能夠自動(dòng)激發(fā)反饋并實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能。

物理安全也是CPPS需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。制造過(guò)程中存在大量的人機(jī)混合作業(yè)以及機(jī)器與機(jī)器互操作的場(chǎng)景。在此方面，首先需要保障人類在操作過(guò)程中的人身安全，這主要涉及到機(jī)械損傷、輻射等方面的保護(hù)；其次，需要重點(diǎn)關(guān)注因系統(tǒng)出現(xiàn)故障而產(chǎn)生安全隱患時(shí)的處理模式。

CPPS在航空領(lǐng)域中的作用

對(duì)于航空制造領(lǐng)域而言，CPPS是確保質(zhì)量、提高效率、控制成本的新手段，是增強(qiáng)產(chǎn)品快速研制能力的新途徑，是企業(yè)組織與流程變革的新動(dòng)力，也是推進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的新引擎。

國(guó)外在CPPS領(lǐng)域的研究較早，目前，西門子、GE等工業(yè)巨頭已經(jīng)開始基于CPPS的理念著力打造智能化工廠以及智能化的應(yīng)用平臺(tái)。如GE公司開發(fā)并推出了Predix平臺(tái)，該平臺(tái)是一款集成了大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備等技術(shù)的開放性軟件平臺(tái)，制造企業(yè)可以在此平臺(tái)上開發(fā)新的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)的分析、預(yù)測(cè)等功能，進(jìn)而提升設(shè)備的綜合效能。Predix平臺(tái)中包含了數(shù)十種面向智能制造的產(chǎn)品或軟件系統(tǒng)，涉及到的功能包括以下幾方面：

（1）設(shè)備通信。提供與設(shè)備連接的基本功能，從設(shè)備及過(guò)程中提取數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)管理提取有效信息。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)可視化。幫助企業(yè)管理者了解設(shè)備等資產(chǎn)的運(yùn)行情況，并將正在發(fā)生的事件可視化顯示。

（3）數(shù)據(jù)分析。提供基于歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析功能，進(jìn)而使用戶理解數(shù)據(jù)間的關(guān)系，并能高效地解決問(wèn)題。

（4）基于分析的預(yù)測(cè)。通過(guò)先進(jìn)的預(yù)測(cè)性分析與故障預(yù)判，保障關(guān)鍵設(shè)備自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。

（5）基于分析的優(yōu)化。優(yōu)化生產(chǎn)流程，并使設(shè)備的性能最優(yōu)化，達(dá)到企業(yè)所定制的目標(biāo)。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)航空企業(yè)在數(shù)字化、信息化等領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是在自動(dòng)化、智能化等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在較大差距。具體而言，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，制造效率較低。目前，單機(jī)設(shè)備的應(yīng)用尚未發(fā)揮其最大效能，加工參數(shù)選取較為保守，主軸利用率較低。同時(shí)，設(shè)備組線的程度較低，多數(shù)設(shè)備處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，裝夾等生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，并未發(fā)揮設(shè)備的規(guī)模效益。其次，制造過(guò)程受人為因素的影響較大。在工藝設(shè)計(jì)、車間排產(chǎn)、零件加工與裝配、質(zhì)量檢測(cè)等生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，大多會(huì)受到人為因素的影響。

為此，我國(guó)航空企業(yè)應(yīng)遵循CPPS的思路，著力對(duì)制造流程進(jìn)行梳理和優(yōu)化，并重點(diǎn)從以下方面考慮：

（1）制造知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建。

知識(shí)是智能的基礎(chǔ)，基于知識(shí)的制造過(guò)程決策則是飛機(jī)制造智能化的靈魂所在。在賽博空間中，基于現(xiàn)有知識(shí)通過(guò)人工智能手段實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自動(dòng)決策及優(yōu)化，同時(shí)不斷更新與完善制造知識(shí)，使物理系統(tǒng)能夠更快地響應(yīng)新型產(chǎn)品的研制需求。航空制造企業(yè)在多年的飛機(jī)研制過(guò)程中積累了豐富多樣的工藝知識(shí)。然而，現(xiàn)階段大量的知識(shí)尚無(wú)法以獨(dú)立的形式存在，而是依存于富有經(jīng)驗(yàn)的工程師，或是被固化在特定的智能制造系統(tǒng)中。這使得企業(yè)無(wú)法對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行有效的維護(hù)、應(yīng)用、拓展及共享。此外，由于工藝設(shè)計(jì)與制造人員的水平及工作習(xí)慣不盡相同，且在工作過(guò)程中又缺乏優(yōu)化的作業(yè)規(guī)范，致使產(chǎn)品加工效率低及加工質(zhì)量差等問(wèn)題頻發(fā)。因此，在賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的框架下建立制造知識(shí)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建制造過(guò)程智能決策體系是賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。

（2）制造大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

制造數(shù)據(jù)是一個(gè)企業(yè)中的寶貴財(cái)富，通過(guò)對(duì)制造數(shù)據(jù)的分析能夠發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中的問(wèn)題，并能夠?qū)χ圃爝^(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。目前，我國(guó)企業(yè)大多實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并實(shí)現(xiàn)了制造數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，但是目前針對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析還較少。我國(guó)企業(yè)應(yīng)著眼于從海量的制造數(shù)據(jù)中尋找隱藏其間的關(guān)系和聯(lián)系，進(jìn)而揭示智能工廠制造過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律。

（3）改變工人在制造過(guò)程中的角色。

綜上所述，人為因素對(duì)制造過(guò)程的影響較大，往往成為導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因。同時(shí)，這種問(wèn)題主要發(fā)生在工人的體力勞動(dòng)方面。為此，改變工人在勞動(dòng)中的角色以及勞動(dòng)方式尤為重要，這將涉及到對(duì)工人的培訓(xùn)、新型工具、設(shè)施的研發(fā)等一系列工作。

結(jié)束語(yǔ)

CPPS給制造業(yè)所帶來(lái)的變化將是顛覆性的，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過(guò)去幾十年以來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)所帶來(lái)的變化。未來(lái)，具有高度可靠性、安全性、可依賴性的CPPS將能夠?qū)崿F(xiàn)如今難以想象的功能。目前，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)正在開展CPPS的實(shí)踐，我國(guó)企業(yè)也應(yīng)當(dāng)從中得到啟發(fā)，消化其中的核心理念，并積極在生產(chǎn)中實(shí)踐，進(jìn)而助推企業(yè)的發(fā)展。

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