信息物理系統(tǒng)在船舶行業(yè)的應用

曹新朝

（北京中船信息科技有限公司，北京 100861）

0 引言

物理基礎設施和信息基礎設施在國民經(jīng)濟的各個領域扮演著十分重要的角色。目前，二者的建設各自都有有效的設計和實現(xiàn)方法，但這兩個系統(tǒng)在很大程度上還是相互孤立的。由于在設計過程中缺乏相應的考慮，兩個系統(tǒng)之間在相互融合時，往往無法適應彼此的特點，造成整體效率低下、安全性和靈活性無法得到保障等問題。

船舶制造行業(yè)是離散制造業(yè)的典型代表。基于物理基礎設施和信息基礎設施可構建船舶虛擬建造系統(tǒng)，主要包括建造工藝規(guī)劃、建造過程的演示和評估等，實現(xiàn)對船舶建造過程中的人員、設備、物流、能源等進行全面的仿真，實現(xiàn)車間和生產(chǎn)線的布置與運行控制、產(chǎn)品生產(chǎn)過程的仿真，為各類資源的優(yōu)化配置提供支撐數(shù)據(jù)。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，我們已經(jīng)通過物聯(lián)網(wǎng)建立了物與物之間的互聯(lián)，完成了對各種物理實體信息的采集和對物理世界的感知?；诖硕a(chǎn)生的CPS更加關注物理實體的實時、動態(tài)信息，注重多個系統(tǒng)間的相互連通，通過開發(fā)標準的互聯(lián)協(xié)議和解決方案，以實現(xiàn)對物理實體的控制和服務支持。CPS將改變人與物理世界的交互方式，實現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的深度融合。據(jù)研究表明，CPS應用范圍小到智能家庭網(wǎng)絡，大到工業(yè)控制系統(tǒng)，智慧城市系統(tǒng)等國家級、世界級的應用[1]。

1 CPS概述

CPS 系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是一個復雜的寬廣的系統(tǒng)，其涉及電力、通信、控制、計算機等多個學科[2]，CPS注重資源的合理整合利用和優(yōu)化調度，在實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)和環(huán)境的實時感知、控制的同時，提供靈活、快速、智能的網(wǎng)絡信息服務[3]。

目前，CPS的研究已經(jīng)引起各國的廣泛重視，對促進國家經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的意義。早在2006年，美國發(fā)布的 《美國競爭力計劃》就將CPS劃入重點研究領域；在2008年，美國CPS研究小組將CPS應用到交通、能源、農(nóng)業(yè)等多個方面。近年來，歐盟也在CPS研究上投入大量資金；日本和韓國也進行了類似的研究。中國對于CPS的研究十分重視，國家自然科學基金、科技部973和863計劃已提出將CPS列為重點資助領域[4～5]。

CPS正逐漸成為驅動傳統(tǒng)行業(yè)智能化轉型的核心技術集群，其目標是建設“人-機-物”相互融合的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。建設CPS可以實現(xiàn)物理設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，盡可能減少“人”的參與，并使得設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調和自治五大功能，完成信息世界和物理世界的深度融合，全面提升我國工業(yè)智能化發(fā)展水平。

2 船舶生產(chǎn)制造車間CPS的應用模式

2.1 數(shù)字雙胞胎

數(shù)字雙胞胎是指采用數(shù)字化的表達方式在虛擬世界中建立一個與物理世界所對應的產(chǎn)品、設備、工藝等生產(chǎn)過程相關對象，在外表、內容和性質等方面相同的虛擬產(chǎn)品，并且與生產(chǎn)過程保持高度一致的數(shù)字化鏡像。數(shù)字化雙胞胎實現(xiàn)手段是在產(chǎn)品過程中，在數(shù)字化建模技術的基礎上借助信息物理系統(tǒng)單元上的各類傳感器將最新的檢驗和測量數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、關鍵技術狀態(tài)參數(shù)實測值等關聯(lián)映射至產(chǎn)品數(shù)字雙胞胎模型，生成最新的準確的鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運動等信息。

在智能裝配設備離線編程方面，可以運用數(shù)字雙胞胎技術進行仿真與優(yōu)化，提高裝配體現(xiàn)場加工數(shù)據(jù)以及幾何參數(shù)的精度。首先，根據(jù)實際裝配設備的各項參數(shù)指標，對已構建的自動化設備模型進行簡化處理，將加工定位關系信息、加工資源、以及產(chǎn)品制造信息等進行系統(tǒng)分析與整理，集成到數(shù)字孿生模型中，搭建針對實際裝配的離線編程環(huán)境；其次，導入處理后的模型，結合加工工藝要求，運用優(yōu)化算法，對加工點位區(qū)域進行規(guī)劃，驅動數(shù)字孿生模型仿真，實時準確反映出實際裝配現(xiàn)場產(chǎn)品的加工狀態(tài)，基于仿真過程添加運動干涉檢查等功能，完成基于數(shù)字孿生模型的裝配過程仿真；最后，在數(shù)字孿生模型加工過程仿真的基礎上，拾取產(chǎn)品模型上的加工幾何信息，運用三維建模軟件中的自動編程模塊，讀取每段加工路徑中的仿真任務，對其進行翻譯解釋，從而將模型中的仿真流程轉化為含有加工幾何信息的離線代碼。

應用數(shù)字化雙胞胎技術對虛擬雙胞胎信息進行分析，對物理環(huán)境中設備、產(chǎn)品、工藝在制造過程中實時狀態(tài)的多維度信息獲取、分析與優(yōu)化，是企業(yè)實現(xiàn)制造過程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝優(yōu)化的有效支撐技術。數(shù)字雙胞胎技術在虛擬仿真優(yōu)化方面應具有一定有效性，虛擬仿真結果應該能夠指導生產(chǎn)現(xiàn)場的具體作業(yè)，優(yōu)化結果應該能夠指導生產(chǎn)過程的多方面優(yōu)化。仿真有效性驗證可以通過仿真結果的完整程度，優(yōu)化有效性驗證可以通過優(yōu)化后生產(chǎn)線狀態(tài)與現(xiàn)有生產(chǎn)狀態(tài)進行成本、效率等多方面的綜合評價。

2.2 邊緣計算

邊緣計算是一種分布式信息技術架構，其中客戶端數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡的外圍處理，盡可能靠近始發(fā)源。從技術定義來說，邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務。

邊緣計算依托信息物理系統(tǒng)的泛在連接和數(shù)據(jù)驅動等特征，通過信息物理系統(tǒng)單元的自我感知獲取設備加工運行過程的狀態(tài)，將日常維護數(shù)據(jù)匯總至分布式的局部計算中心處，與歷史數(shù)據(jù)進行比較分析，對設備的運行狀態(tài)進行精準預測，實現(xiàn)有效的設備事前預測性維護。邊緣計算可以提高維護預測數(shù)據(jù)的計算分析效率，相比于僅執(zhí)行云計算可以節(jié)省分析日常維護數(shù)據(jù)的帶寬開支。

依托邊緣計算物理環(huán)境與數(shù)學模型，在企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中生成分布式計算集合。將生產(chǎn)網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)計算任務分配至各個計算集合，邊緣計算中心進行局部數(shù)據(jù)的即時分析，并將數(shù)據(jù)結果進行反饋，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的敏捷響應?；谶吘売嬎愕臄?shù)據(jù)即時處理主要由三部分組成，分別是時效信息的分布式處理、設備狀態(tài)的在線分析與預測以及柔性生產(chǎn)線的自動化運維。

（1）時效信息的分布式處理是邊緣計算關鍵驗證內容。具有邊緣計算架構的物聯(lián)網(wǎng)，包含眾多具有計算功能的數(shù)據(jù)處理中心，將頂端云計算計算負荷合理分配，保證數(shù)據(jù)的及時處理；此外邊緣計算中心從邏輯和地位位置上靠近數(shù)據(jù)源，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時間和帶寬資源的占用，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｔ谏a(chǎn)制造中，可以通過邊緣計算可以完成生產(chǎn)狀況的即時計算與分析，對具有時效性參數(shù)進行有效的利用，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時優(yōu)化。

（2）應用邊緣計算可以實現(xiàn)設備狀態(tài)的在線分析與預測，如船舶生產(chǎn)車間的自動引導運輸車（AGV）、數(shù)控機床、焊接機器人等設備，采用預測性維護可以降低維護成本。基于設備表面大量的傳感器，可以對設備運行狀態(tài)進行實時感知。通過本地的邊緣計算融合網(wǎng)關，可以提供數(shù)據(jù)分析能力，第一時間發(fā)現(xiàn)設備潛在故障。同時提供本地存活，一旦與云端聯(lián)接故障，數(shù)據(jù)可以本地保存，聯(lián)接恢復后，收斂數(shù)據(jù)自動同步到云端，確保云端可以對設備形成完整視圖。采用預測性維護可以減少工作量，降低勞動強度；提高設備的可靠性，延長設備的使用壽命；減少設備維修費用開支，而降低維護成本，從而提升企業(yè)的競爭力。

（3）柔性生產(chǎn)線的自動化運維是指邊緣計算對柔性智能生產(chǎn)生產(chǎn)線的自主組織、管理能力的支持。在加工工藝優(yōu)化、生產(chǎn)節(jié)拍調整、資源調度、生產(chǎn)監(jiān)控等方面，企業(yè)可以依托邊緣計算中心統(tǒng)籌信息物理系統(tǒng)的智能生產(chǎn)單元，根據(jù)生產(chǎn)需求規(guī)劃柔性生產(chǎn)線構成，如建立智能焊接機器人、智能夾具、智能檢測單元之間的邊緣計算網(wǎng)絡，進行局部功能的模塊化實現(xiàn)。

此外，邊緣計算還可以通過設備信息的比較與推理，進行設備的靈活快速替換，實現(xiàn)設備的即插即用。

2.3 全生命周期優(yōu)化

目前，企業(yè)針對產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)應用，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和工藝信息管理應用基礎上，處于進一步整合產(chǎn)品設計、工藝、分析、仿真、測試、制造、服務以及質量等生命周期中的各方面數(shù)據(jù)和信息的進程中。PLM軟件已經(jīng)基本實現(xiàn)了針對產(chǎn)品的設計模型、工藝模型、物理模型的整合。但對于生產(chǎn)運營中的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還未能實現(xiàn)有效集成處理和應用。

全生命周期優(yōu)化的應用場景包括產(chǎn)品狀態(tài)全周期數(shù)據(jù)跟蹤和產(chǎn)品全周期生產(chǎn)優(yōu)化兩部分。產(chǎn)品狀態(tài)全周期數(shù)據(jù)跟蹤是基于信息物理系統(tǒng)的產(chǎn)品采用數(shù)字化建模技術，建立高逼真度的虛擬模型，依托虛實結合、數(shù)據(jù)驅動等特征，獲取產(chǎn)品在設計、制造、維護過程中產(chǎn)品狀態(tài)。在設計過程中，產(chǎn)品狀態(tài)分為設計進度、技術成熟度、資源配置狀態(tài)等；在制造過程中，產(chǎn)品狀態(tài)分為制造進度、加工實際尺寸、加工工藝等；在維護過程中，產(chǎn)品狀態(tài)指分為運行狀態(tài)、故障原因等。對以上信息進行整合與跟蹤，在產(chǎn)品的設計、制造、服務過程中可視化觀察產(chǎn)品狀態(tài)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)監(jiān)控、全生命周期優(yōu)化提供基礎。產(chǎn)品的整個生命歷經(jīng)設計、制造以及維護三個階段。設計階段中的尺寸設計、材料設計等、制造階段中零件制造、加工、裝配以及加工中所使用的工裝，以及維護過程中的維護過程、使用操作都對產(chǎn)品的狀態(tài)相關的因素，這些因素彼此關聯(lián)并對產(chǎn)品產(chǎn)生著交互耦合的影響。信息物理系統(tǒng)中使用數(shù)字化雙胞胎技術可以獲取全生命周期下的產(chǎn)品狀態(tài)信息，用以分析這些因素對產(chǎn)品的影響。

產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化應用模式以產(chǎn)品多階段狀態(tài)為優(yōu)化目標，以數(shù)字雙胞胎模型庫數(shù)據(jù)挖掘結果為引導，建立產(chǎn)品全生命周期的多因素評估方法，最終生成綜合優(yōu)化解集，根據(jù)實際生產(chǎn)需求的調整，快速分析出優(yōu)化的設計、生產(chǎn)加工方案和相關配套的資源。

3 發(fā)展前景

當前發(fā)達國家和地區(qū)均將信息物理系統(tǒng)作為戰(zhàn)略布局的重要方向。對我國而言，推進信息物理系統(tǒng)建設，不僅是信息化與工業(yè)化深度融合的關鍵支撐工具，也是“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”深入生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)的必由之路，對于我國智能制造發(fā)展、搶占國際競爭制高點具有重要意義。

在船舶制造行業(yè)開展信息物理系統(tǒng)的建設，依托行業(yè)建立應用模式可行性驗證環(huán)境，開展數(shù)字雙胞胎、邊緣計算、全生命周期優(yōu)化等新技術模式的應用可行性驗證，可以形成知識庫和應用案例庫，形成物理信息系統(tǒng)建設的一個行業(yè)典型應用場景，有利于促進通用性標準的建立，推動與發(fā)達國家在該領域的標準對接與技術合作。

在此基礎上，還可以建立技術轉移體驗中心，將建設成果進行展示宣傳與推廣，加速信息物理系統(tǒng)的成果轉化與應用推廣，深化各行業(yè)人員對信息物理系統(tǒng)的理解，孵化項目成果，并在技術咨詢、技術測試和解決方案等方面為各行業(yè)提供服務，以信息物理系統(tǒng)為牽引，引導我國傳統(tǒng)工業(yè)的轉型升級。

4 總結

以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的信息新技術正引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，信息技術已經(jīng)逐步與工業(yè)深度融合，工業(yè)生產(chǎn)模式已向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型。和國外相比，我國在關鍵技術、核心標準、主要產(chǎn)品和應用模式的方面缺乏統(tǒng)一的認識和深入的探索，缺乏成熟的共性關鍵技術、統(tǒng)一的標準規(guī)范和典型應用的牽引帶動。當前，由于我國信息物理系統(tǒng)共性技術綜合能力有限，制約了CPS在各行業(yè)的推廣。由于在參考環(huán)境中不可能完成對所有應用場景的測試，因此提煉典型業(yè)務場景的模型至關重要。船舶行業(yè)是離散制造業(yè)的典型代表，在船舶行業(yè)開展數(shù)字雙胞胎、邊緣計算和全生命周期優(yōu)化是信息物理系統(tǒng)建設、推廣的關鍵步驟。

在船舶行業(yè)開展信息物理系統(tǒng)的典型應用模式的驗證，對于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的深度優(yōu)化，提升企業(yè)的資產(chǎn)和運營效率，促進工業(yè)轉型升級有重要意義?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)在船舶行業(yè)的測試驗證和產(chǎn)業(yè)化，不僅可以形成我國自主化產(chǎn)業(yè)能力，率先搶占工業(yè)智能化前沿領域，避免相關領域技術和產(chǎn)品受制于人，還有助于推動相關產(chǎn)品和解決方案在行業(yè)中的應用推廣，提升我國工業(yè)智能化發(fā)展的安全自主可控水平，提升工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)數(shù)據(jù)的安全防護能力，確保工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)數(shù)據(jù)安全。

[1]周海平.信息物理系統(tǒng)及其對網(wǎng)絡科學研究的影響[J].數(shù)字技術與應用，2011，03.

[2]Baheti R，Gill H．The impact of control teachnology[J]．Cyber-physical Systems，2013，2.

[3]譚朋柳，舒堅，吳振華.一種信息-物理融合系統(tǒng)體系結構[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47.

[4]溫景容，武穆清，宿景芳.信息物理融合系統(tǒng)[J].自動化學報，2012，4.

[5]楊光，耿貴寧，都婧，等.物聯(lián)網(wǎng)安全威脅與措施[J].清華大學學報（自然科學版），2011，10.