我國智能制造信息物理系統(tǒng)建設(shè)問題分析

摘? 要：為利用第四次工業(yè)革命這一契機搶占制造業(yè)高點，必須重視對智能制造核心技術(shù)的研究。信息物理系統(tǒng)是實現(xiàn)信息物理融合，推動制造智能化的關(guān)鍵要素和核心技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能制造;信息物理系統(tǒng);數(shù)字孿生

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等技術(shù)的快速發(fā)展及在制造領(lǐng)域的融合，促使各先進制造國家積極探索智能制造，以實現(xiàn)產(chǎn)品制造全流程、全生命周期的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同聯(lián)動和決策動態(tài)優(yōu)化，最終達到制造系統(tǒng)的智能化、協(xié)同化、透明化、綠色化。德國、美國先后于2011年發(fā)表了其智能制造戰(zhàn)略，我國也于2015年發(fā)布了中國制造2025報告，確立了中國智能制造發(fā)展戰(zhàn)略。2015年至今，中國先后出臺了一系列“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”政策，確立了制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化并行推進的發(fā)展路徑，一些關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)裝備、工業(yè)軟件實現(xiàn)突破，架構(gòu)了智能制造標準和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，實施了一批試點示范項目。但我國制造業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型還面臨缺乏自主工藝數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)，制造系統(tǒng)整體解決方案供給能力不足等問題。

1.信息物理系統(tǒng)在發(fā)展智能制造中的作用

為利用第四次工業(yè)革命這一契機搶占制造業(yè)高點，必須重視對智能制造核心技術(shù)的研究。智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造系統(tǒng)研究的目標是建立能準確感知系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)，能快速且準確的識別、加工獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，能根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及設(shè)定規(guī)則自動做出判斷與選擇，能執(zhí)行決策，對設(shè)備狀態(tài)、車間和生產(chǎn)線的計劃進行調(diào)整的智能制造系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)可分為物理世界和數(shù)字世界兩層，物理世界和數(shù)字世界組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，物理世界為數(shù)據(jù)世界提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)世界通過數(shù)據(jù)分析、模擬仿真將信息反饋到物理世界，對物理世界做出命令、提出建議。因此在智能制造系統(tǒng)運行過程中，物理世界和信息世界的融合至關(guān)重要，同時其也是實現(xiàn)智能制造的瓶頸之一。信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是實現(xiàn)信息物理融合，推動制造智能化的關(guān)鍵要素和核心技術(shù)。

2.智能制造信息物理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

CPS理念被美國自然基金委（National Science Foundation， NSF）提出后，連續(xù)多年多年被列為研究熱點和重點。NSF資助的CPS研究主要集中在嵌入式與自動化開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)化與信息安全、信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三方面。主要涉及設(shè)計開發(fā)節(jié)能、通用、靈活、低價的智能自治嵌入式設(shè)備及相關(guān)軟硬件組件;構(gòu)建安全可靠的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、通訊環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)服務(wù);對復雜大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化精準協(xié)同控制，對相關(guān)資源的高效管理和智能調(diào)度決策等問題。歐盟將CPS作為智能系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，在智能電子系統(tǒng)及復雜系統(tǒng)集成做了很多工作。

中國于2008年在IEEE嵌入式研討會上，將信息物理融合系統(tǒng)的研究列為技術(shù)發(fā)展重點，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生了明確的需求認知和期待，開始思考如何借助互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)和智能化設(shè)備讓工廠的運營和管理變得更加智能。智能制造系統(tǒng)是在感知獲取多源多維制造數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立制造資源及制造服務(wù)與感知事件間的映射關(guān)系，然后通過感知事件理解制造資源與制造服務(wù)的狀態(tài)，提高制造系統(tǒng)的自身的感知交互及主動發(fā)現(xiàn)能力，進而提升制造系統(tǒng)的決策能力和智能水平。CPS提供了將相關(guān)事件映射到計算空間的理論框架，可以實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的輕松建模。

陳麗娜等構(gòu)建了CPS的三層體系結(jié)構(gòu)框架，分別為物理層、網(wǎng)絡(luò)層及服務(wù)應(yīng)用層。Zhang等人基于信息物理系統(tǒng)，構(gòu)建了制造物聯(lián)的實時信息捕獲和集成架構(gòu)，旨在實現(xiàn)設(shè)備層、車間層和企業(yè)層三者間的無縫雙向連接和互操作性。王小樂等提出一種四層 CPS 體系框架，分別為節(jié)點層、網(wǎng)絡(luò)層、資源層和服務(wù)層。

隨著對 CPS 的深入研究，學者們在 CPS 建模理論與方法領(lǐng)域也取得了不少研究成果。Liu應(yīng)用CPS的實時感知動態(tài)物理資源的能力，構(gòu)建了一種包含動靜態(tài)信息的制造資源虛擬化模型，旨在實現(xiàn)制造資源聚合具有根據(jù)動態(tài)變化因素進行調(diào)整的能力。張彩霞等在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)離散制造業(yè)的特點，結(jié)合環(huán)境智能和普適計算等未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)造了離散型制造信息物理融合系統(tǒng)的基本架構(gòu)，以實現(xiàn)對離散制造業(yè)從生產(chǎn)到售后各環(huán)節(jié)相關(guān)資源的實時控制和自主調(diào)節(jié)。劉明星提出一種包含物理世界、感知系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及時間約束的 CPS 組成結(jié)構(gòu)，并基于該組成結(jié)構(gòu)提出了CPS資源分類框架、物理環(huán)境建模方法、原子服務(wù)建模方法及服務(wù)組合方法。袁源等研究面向惡意環(huán)境的動態(tài)復雜信息處理過程。CPS強調(diào)的是信息與物理世界的深度融合，強調(diào)的是信息域?qū)ξ锢碛虻姆答伩刂?。因此，更多地要考慮對CPS計算服務(wù)和控制服務(wù)的建模。

在促進物理世界與信息世界交互融合的研究中，數(shù)字孿生可提供新的思路和方法。陶飛等并從數(shù)字孿生物理車間、虛擬車間、車間孿生數(shù)據(jù)、車間服務(wù)系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成角度出發(fā)，分別對物理車間異構(gòu)要素融合、虛擬車間多維模型融合、車間物理-信息數(shù)據(jù)融合、車間服務(wù)/應(yīng)用融合等關(guān)鍵問題進行了研究分析，提出了一種基于信息和物理融合的數(shù)字孿生產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)方法。

3.智能制造信息物理系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

綜上，目前對智能制造信息物理系統(tǒng)的研究已初步取得成果，為智能制造實踐及后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在如下：缺少異構(gòu)要素互聯(lián)與融合的理論和通用裝置支撐，對人、機、物、環(huán)境等多元異構(gòu)要素的互聯(lián)互通研究較少;缺少刻畫和反應(yīng)物理車間真實行為、規(guī)則、約束等的模型，從而無法實現(xiàn)物理車間到虛擬車間的真實完全映射;在實際運行優(yōu)化與精準管理過程中，信息層和物理層不同步、一致性差、智能化程度低、管理精準度不夠。

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作者簡介：

龍梅（1986.5-），性別：女，民族：漢族，籍貫：四川冕寧，學歷：碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，工程項目管理