智能制造導(dǎo)論教學(xué)指導(dǎo)第二章 智能制造系統(tǒng)

智能制造導(dǎo)論教學(xué)指導(dǎo)第二章智能制造系統(tǒng)本章目標(biāo)了解智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)和各層構(gòu)成。掌握產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)的概念、特征、功能。了解三維可視化管理的概念、作用和優(yōu)勢(shì)。了解虛擬仿真技術(shù)的概念和特性。熟悉智能制造系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)類型。熟悉智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的流程與優(yōu)勢(shì)。掌握信息物理系統(tǒng)的定義、特征、結(jié)構(gòu)體系。目錄結(jié)構(gòu)第2章智能制造系統(tǒng)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)三維可視化管理虛擬仿真技術(shù)數(shù)據(jù)管理生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)概述生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用端到端工程高度集成化實(shí)時(shí)分析2.3.3數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)物理信息系統(tǒng)（CPS）定義結(jié)構(gòu)體系特征機(jī)遇與挑戰(zhàn)CPS與智能制造西門子的智能制造系統(tǒng)制造中的自動(dòng)化制造中的仿真與數(shù)據(jù)管理制造中的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)制造中的物流系統(tǒng)第二章智能制造系統(tǒng)從系統(tǒng)的功能角度，智能制造系統(tǒng)可以看作若干復(fù)雜相關(guān)子系統(tǒng)的一個(gè)整體集成，包括產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（也被稱作制造執(zhí)行系統(tǒng)）、過(guò)程控制系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)ERP以及將各子系統(tǒng)無(wú)縫銜接起來(lái)的信息物理系統(tǒng)CPS等。本章將分別講解這幾個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)容。2.1智能制造系統(tǒng)架構(gòu)智能制造系統(tǒng)的整體架構(gòu)可分為五層。上文所說(shuō)的幾種子系統(tǒng)，貫穿在這五層中，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次的最優(yōu)管理。2.1智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)層主要包括生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及其控制系統(tǒng)。其中生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括傳感器、智能儀表、可編程邏輯控制器PLC、機(jī)器人、機(jī)床、檢測(cè)設(shè)備、物流設(shè)備等?？刂葡到y(tǒng)主要包括適用于流程制造的過(guò)程控制系統(tǒng)、適用于離散制造的單元控制系統(tǒng)和適用于運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)層包括不同的子系統(tǒng)功能模塊（計(jì)算機(jī)軟件模塊），典型的子系統(tǒng)有制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、計(jì)劃排程管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、庫(kù)存管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、工具工裝管理系統(tǒng)、采購(gòu)管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、項(xiàng)目看板管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)、底層數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)、上層數(shù)據(jù)集成分解系統(tǒng)等。產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)層主要分為研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服務(wù)三個(gè)環(huán)節(jié)。研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝仿真和生產(chǎn)仿真，應(yīng)用仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)形成效果反饋，促使產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)，在研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)字化產(chǎn)品原型是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的輸入要素之一；生產(chǎn)環(huán)節(jié)涵蓋了上述生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)層與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)層的內(nèi)容；服務(wù)環(huán)節(jié)主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成和服務(wù)有關(guān)的決策、指導(dǎo)、診斷和維護(hù)工作。2.1智能制造系統(tǒng)架構(gòu)企業(yè)管控與支撐系統(tǒng)層包括不同的子系統(tǒng)功能模塊，典型的子系統(tǒng)有戰(zhàn)略管理、投資管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理、資產(chǎn)管理、物資管理、銷售管理、健康安全與環(huán)保管理等。企業(yè)計(jì)算與數(shù)據(jù)中心層包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，提供企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造所需的計(jì)算資源、數(shù)據(jù)服務(wù)及具體的應(yīng)用功能，并具備可視化的應(yīng)用界面。企業(yè)為識(shí)別用戶需求而建設(shè)的各類平臺(tái)，包括面向用戶的電子商務(wù)平臺(tái)、產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)等都需要以該層為基礎(chǔ)，方能實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用軟件的有序交互工作，從而實(shí)現(xiàn)全體子系統(tǒng)信息共享。2.2產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（Product

Life-cycle

Management，PLM）是智能制造系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它對(duì)產(chǎn)品從需求提出至被淘汰的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的流程控制管理，是對(duì)產(chǎn)品生命周期中全部組織、管理行為的綜合與優(yōu)化，它以不斷增加個(gè)體消費(fèi)需求為導(dǎo)向，貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、發(fā)展、配送直到最后的回收環(huán)節(jié)，并包括所有相關(guān)服務(wù)。主要功能包括產(chǎn)品需求管理、產(chǎn)品論證管理、產(chǎn)品績(jī)效管理、產(chǎn)品關(guān)停并轉(zhuǎn)管理、產(chǎn)品360度分析視圖、流程引擎及工作臺(tái)，如圖2-2所示。產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和建模仿真的技術(shù)。2.2產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期管理的各項(xiàng)功能具體作用如下：

1）產(chǎn)品需求管理設(shè)計(jì)前期，做好對(duì)客戶需求的存檔歸類分析，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為合理。

2）產(chǎn)品論證管理上線測(cè)試產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)于測(cè)試不通過(guò)的整改再設(shè)計(jì)，再行測(cè)試通過(guò)后方可運(yùn)營(yíng)。同時(shí)按照規(guī)范，就資費(fèi)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)與各種變形進(jìn)行多重疊加綜合測(cè)試，及時(shí)反饋資費(fèi)設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，在整個(gè)過(guò)程中保證產(chǎn)品的資費(fèi)準(zhǔn)確。產(chǎn)品績(jī)效分析在運(yùn)營(yíng)后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)了解產(chǎn)品狀態(tài)，預(yù)測(cè)產(chǎn)品趨勢(shì)，定位產(chǎn)品所處生命階段。對(duì)于無(wú)效益產(chǎn)品可及時(shí)關(guān)?；蚝喜?，提高企業(yè)效益。產(chǎn)品關(guān)停并轉(zhuǎn)即產(chǎn)品下線，可以視為該產(chǎn)品的生命結(jié)束，但任何一個(gè)實(shí)例產(chǎn)品的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)都有其參考價(jià)值，可歸檔為以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。產(chǎn)品檔案庫(kù)保存所有已生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的檔案，為后期其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上線提供參考。

6）

360度視圖產(chǎn)品資費(fèi)分析的一種，可以給用戶提供最好的產(chǎn)品及資費(fèi)解決方案，同時(shí)精準(zhǔn)提供最合理的產(chǎn)品推薦，從而提高用戶滿意度。7）流程引擎及工作臺(tái)整個(gè)流程的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，以上流程均需流程引擎來(lái)控制。2.2.1三維可視化管理三維可視化技術(shù)是指利用創(chuàng)建圖形、圖像或動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)信息的直觀交流與溝通的

技術(shù)和方法。它能夠以三維立體化的人機(jī)交互界面呈現(xiàn)工廠生產(chǎn)組織，并可隨意

按照人的意愿，改變其方向、位置、大小等，將整個(gè)工廠從里到外全部展示給操

作人員（如圖2-3所示）。三維可視化既是一種解釋工具，也是一種成果表達(dá)工具，它能夠基于數(shù)據(jù)體的透明屬性，采用“走進(jìn)去”的方式快速完成分析2.2.1三維可視化管理利用可視化管理平臺(tái)，可以將企業(yè)資產(chǎn)的三維模型以及信息屬性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)視、操作與控制、綜合信息分析與智能告警、運(yùn)行管理和輔助應(yīng)用等功能整合一體的監(jiān)控管理，大幅提高企業(yè)的資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)能力。具體來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：可視化企業(yè)資產(chǎn)布局全景三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)可以對(duì)企業(yè)智能工廠地形地貌、建筑、車間結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備等進(jìn)行三維建模，直觀、真實(shí)、精確地展示各種設(shè)施、設(shè)備形狀及生產(chǎn)工藝的組織關(guān)系，設(shè)施、設(shè)備的分布和拓?fù)淝闆r。使用戶在電腦上就可以瀏覽整個(gè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如同身臨其境。同時(shí)，系統(tǒng)將裝置模型與實(shí)時(shí)報(bào)告、檔案信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綁定在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在三維場(chǎng)景中的快速定位與基礎(chǔ)信息查詢?？梢暬陌惭b管理三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)可以對(duì)在建工程、設(shè)備安裝等進(jìn)行三維建模，并把三維場(chǎng)景與計(jì)劃及實(shí)際進(jìn)度時(shí)間相結(jié)合，用不同顏色表現(xiàn)每一階段的安裝建設(shè)過(guò)程。2.2.1三維可視化管理可視化設(shè)備臺(tái)賬管理三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)可以建立設(shè)備臺(tái)賬及資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并和三維設(shè)備綁定，實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬的可視化及模型和屬性數(shù)據(jù)的互查、雙向檢索定位，從而實(shí)現(xiàn)三維可視化的資產(chǎn)管理，使用戶能夠快速找到相應(yīng)的設(shè)備，以及查看設(shè)備對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置、所處環(huán)境、關(guān)聯(lián)設(shè)備、設(shè)備參數(shù)等真實(shí)情況?？梢暬悄芫S護(hù)管理三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理平臺(tái)可以對(duì)企業(yè)重點(diǎn)設(shè)備或生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行在線信息采集、報(bào)警、控制等管理。還可以動(dòng)態(tài)地收集和管理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施缺陷或安全隱患。由此可見(jiàn)，三維可視化技術(shù)可以為產(chǎn)品的整個(gè)生命周期提供全程的三維可視化管理服務(wù)。三維可視化管理可以通過(guò)產(chǎn)品生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)進(jìn)行可視化集中式管理，為生產(chǎn)運(yùn)行及設(shè)備管理提供一個(gè)可視化、高效率的信息溝通和協(xié)同合作的環(huán)境，并為全生命周期的管理提供基礎(chǔ)保障，使得新員工更加容易掌握該工作。2.2.1三維可視化管理三維可視化技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目全生命周期管理，擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)：迅速快捷的信號(hào)傳遞；能夠?qū)⑿枰芾淼膶?duì)象及其位置一目了然的呈現(xiàn)出來(lái)；能夠很容易的得知問(wèn)題所在；可以在遠(yuǎn)處就能辨認(rèn)是否存在異常；操作簡(jiǎn)單、方便，可以形象、直觀的將潛在問(wèn)題呈現(xiàn)出來(lái)；有助于維護(hù)作業(yè)環(huán)境的整潔，營(yíng)造員工與客戶滿意的場(chǎng)所；客觀、公正、透明化，有助于統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。2.2.2虛擬仿真技術(shù)虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，是用虛擬系統(tǒng)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。它是在多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，可以給生產(chǎn)者提供三維模型，還可以在虛擬工廠中對(duì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化。這樣不僅節(jié)約原材料和資源，還能節(jié)省大量時(shí)間成本。不管什么樣的原型機(jī)都可通過(guò)虛擬方式進(jìn)行優(yōu)化，而無(wú)需再實(shí)際制造一個(gè)，如圖所示。2.2.2虛擬仿真技術(shù)虛擬仿真技術(shù)具有以下四個(gè)基本特性：1）沉浸性（Immersion）虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)等多種知覺(jué)，從而獲得身臨其境的感受。未來(lái)的虛擬仿真系統(tǒng)將具備提供人類所有感知信息的功能。交互性（Interaction）虛擬仿真系統(tǒng)中，環(huán)境可以作用于人，人也可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，且人是以近乎自然的行為（自身的語(yǔ)言、肢體的動(dòng)作等）進(jìn)行控制的。虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫?shí)時(shí)的反應(yīng)，例如當(dāng)飛行員按動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射按鈕時(shí)，會(huì)看見(jiàn)虛擬的導(dǎo)彈發(fā)射出去并跟蹤虛擬的目標(biāo)，當(dāng)導(dǎo)彈碰到目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，還能夠看到爆炸的碎片和火光。虛幻性（Imagination）即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計(jì)算機(jī)等工具模擬出來(lái)的。既可以模擬客觀世界中以前存在過(guò)的、或是現(xiàn)在真實(shí)存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當(dāng)前沒(méi)有但將來(lái)可能出現(xiàn)的環(huán)境，還可模擬客觀世界中不會(huì)存在的、僅僅屬于人們幻想的環(huán)境。2.2.2虛擬仿真技術(shù)4）逼真性（Reality）虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，虛擬環(huán)境給人的各種感覺(jué)與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺(jué)都很逼真，如同在真實(shí)世界一樣；其次，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時(shí)，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。如當(dāng)給虛幻物體一個(gè)作用力，該物體的運(yùn)動(dòng)就會(huì)符合力學(xué)定律，會(huì)沿著力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度；當(dāng)它遇到障礙物時(shí)，會(huì)被阻擋。虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用很多，由于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)具有強(qiáng)大的物理實(shí)時(shí)計(jì)算功能，能夠真實(shí)模擬場(chǎng)景中各種力的特性，并提供了多種動(dòng)力學(xué)交互手段，能支持多種高速運(yùn)算的碰撞替代體。因此虛擬仿真系統(tǒng)可以將許多之前僅停留于想法的創(chuàng)意方案完美的呈現(xiàn)于眼前。2.2.3數(shù)據(jù)管理智能制造系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)如下：1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的管理，也為滿足個(gè)性化的產(chǎn)品需求，產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)會(huì)被記錄、傳輸、處理。首先，內(nèi)嵌入產(chǎn)品的傳感器會(huì)獲得更多的實(shí)時(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使得產(chǎn)品管理能夠貫穿產(chǎn)品的需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷、售后乃至淘汰報(bào)廢的全部生命歷程；其次，企業(yè)和消費(fèi)者的互動(dòng)過(guò)程及交易行為也將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能幫助消費(fèi)者參與到產(chǎn)品需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及柔性加工等創(chuàng)新活動(dòng)中。2）運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)傳感器的廣泛應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的傳感、連接無(wú)所不在，因而產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠幫助企業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、營(yíng)銷和管理方式上開(kāi)展創(chuàng)新。首先，產(chǎn)生于生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)可用于對(duì)設(shè)備本身的實(shí)時(shí)監(jiān)控；其次，采集和分析采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、銷售、配送等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上的數(shù)據(jù)，能夠?yàn)槠髽I(yè)決策提供有效的指導(dǎo)，在大幅提升運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本；最后，實(shí)時(shí)分析銷售數(shù)據(jù)與供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的變化，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏及庫(kù)存規(guī)模。2.2.3數(shù)據(jù)管理價(jià)值鏈數(shù)據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使價(jià)值鏈上各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和信息得以被深入挖掘與分析，從而為企業(yè)管理者和參與者提供審視價(jià)值鏈的全新視角，讓企業(yè)有機(jī)會(huì)將價(jià)值鏈上的更多環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為企業(yè)的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。外部數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在宏觀經(jīng)濟(jì)分析與行業(yè)市場(chǎng)調(diào)研中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為企業(yè)提升管理決策以及市場(chǎng)應(yīng)變能力的重要手段。少數(shù)領(lǐng)先的企業(yè)已著手為各個(gè)層級(jí)員工提供相應(yīng)信息、技能和工具，引導(dǎo)員工更好，更及時(shí)的出有效決策。無(wú)論是產(chǎn)品數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、價(jià)值鏈數(shù)據(jù)還是外部數(shù)據(jù)，如果只是將它們收集起來(lái)而不作任何分析，那么數(shù)據(jù)就失去了它的價(jià)值。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，是智能制造時(shí)代的生產(chǎn)體系區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)體系的本質(zhì)特征。在智能制造的時(shí)代，制造型企業(yè)的數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，所有的生產(chǎn)裝備、感知設(shè)備、應(yīng)用互聯(lián)終端，包括生產(chǎn)者本身都在源源不斷的產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高效的實(shí)時(shí)分析，將滲透到企業(yè)運(yùn)營(yíng)、價(jià)值鏈乃至產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，鑄就智能制造和制造業(yè)革命的基石。2.3生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)美國(guó)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（Manufacturing

Execution

System

Association,MESA）將生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)定義為：能通過(guò)信息傳遞，對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管理優(yōu)化的系統(tǒng)。當(dāng)工廠里有事件發(fā)生時(shí)，生

產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)能及時(shí)作出反應(yīng)，作出報(bào)告并利用準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)事件進(jìn)行指導(dǎo)和處理，這種迅速響應(yīng)狀態(tài)變化的能力，使得該系統(tǒng)可以減少生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)附加值的活動(dòng)，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作，從而既提高了工廠的按時(shí)交貨能力，改善了物料的流通性能，又提高了生產(chǎn)的回報(bào)率。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)還可以通過(guò)雙向直接通信，為企業(yè)內(nèi)部和整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈提供有關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵任務(wù)信息。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的主要特征有三：首先，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)車間制造過(guò)程的優(yōu)化，而不是單獨(dú)解決某一生產(chǎn)瓶頸；其次，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的功能，并作出相應(yīng)的分析和處理；最后，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)需要與計(jì)劃層和控制層進(jìn)行信息交互，通過(guò)企業(yè)的連續(xù)信息流來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的集成。2.3.2生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是一套對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行綜合管理的集成系統(tǒng)，它用集成的思想替代原來(lái)的設(shè)備管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理、分布式數(shù)控（Distributed

Numerical

Control,DNC）、數(shù)據(jù)采集軟件等車間需要使用的孤立軟件系統(tǒng)，在信息化系統(tǒng)中具有承上啟下的作用，是一個(gè)信息樞紐，強(qiáng)調(diào)信息的實(shí)時(shí)性。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)作為連接底層自動(dòng)化控制系統(tǒng)和上層管理系統(tǒng)的紐帶，是構(gòu)建智能工廠的核心。企業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的前提是：必須清楚掌握產(chǎn)銷流程，提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性，減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，及時(shí)正確地搜集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，更加合理地安排生產(chǎn)計(jì)劃并掌控生產(chǎn)進(jìn)度，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、外包、生產(chǎn)到按時(shí)交付，整個(gè)制造流程中的每個(gè)階段都必須高度的自動(dòng)化、智能化，并且實(shí)現(xiàn)各階段信息的高度集成化。2.3.2生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)在企業(yè)中的運(yùn)用分為5個(gè)層次：1）初始層及時(shí)反饋生產(chǎn)計(jì)劃完工情況，應(yīng)用質(zhì)量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)把控生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量，清晰掌握生產(chǎn)任務(wù)的詳細(xì)進(jìn)度，并對(duì)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行追溯管理。規(guī)范層對(duì)設(shè)備、人員、能源等進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集；對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行管理，如出現(xiàn)停機(jī)等狀況立刻向系統(tǒng)反饋；初步優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃并指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)

現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)作業(yè)全過(guò)程的管理，并建立完善的生產(chǎn)追溯管理體系。精細(xì)層優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)確立與其他資源的集成關(guān)系；實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)文件、物料、設(shè)備、工藝工裝、人員、能源等與生產(chǎn)任務(wù)單的集成化管理；建立生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多方預(yù)警管理機(jī)制與電子看板管理體系。2.3.2生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用4）優(yōu)化層實(shí)現(xiàn)設(shè)備與能力計(jì)劃的部分集成；能自動(dòng)根據(jù)車間員工的資質(zhì)、生產(chǎn)能力等因素安排生產(chǎn)任務(wù)；會(huì)對(duì)能源使用進(jìn)行優(yōu)化，降低能源成本。

5）智能層包括應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)的各類設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)尋址裝置、存儲(chǔ)裝置、柔性自動(dòng)裝夾具、檢具、交換裝置及更換裝置、接口等；以及應(yīng)用自動(dòng)化控制和管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)資源和設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)度的機(jī)制等。通過(guò)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的實(shí)時(shí)化管理，是提高企業(yè)管理水平的關(guān)鍵，而同時(shí)，制造單元中的信息集成也為智能生產(chǎn)線的建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)。2.3.3端到端工程所謂端到端工程（或模式），就是通過(guò)對(duì)圍繞產(chǎn)品整個(gè)生命周期的價(jià)值鏈上不同企業(yè)資源的整合，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、物流配送、使用維護(hù)等在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)品生命周期的管理和服務(wù)。通過(guò)集成參與產(chǎn)品價(jià)值鏈創(chuàng)造的各供應(yīng)商、制造商、分銷商以及客戶信息流、物流和資金流，在為客戶提供更有價(jià)值的產(chǎn)品和服務(wù)的同時(shí)，也重構(gòu)了產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的價(jià)值體系。在這樣的模式下，工廠在自身面對(duì)個(gè)性化、定制化的訂單和新產(chǎn)品快速涌入的同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程還要實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的子系統(tǒng)配合。這就要求工廠必須非常柔性與靈活，同時(shí)又必須保證運(yùn)營(yíng)的高效率。2.3.3端到端工程現(xiàn)有的制造生產(chǎn)系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)端對(duì)端模式生產(chǎn)，需先解決以下問(wèn)題：1）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化盡管數(shù)字化已經(jīng)極大的提高了企業(yè)的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，但制造業(yè)目前仍亟需實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)流程、現(xiàn)場(chǎng)總線及控制設(shè)備的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。生產(chǎn)系統(tǒng)中的機(jī)器、設(shè)備和系統(tǒng)的控制元件以及控制器本身之間，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)生產(chǎn)級(jí)（車間級(jí)）和控制系統(tǒng)級(jí)（管理級(jí)）的溝通進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)

時(shí)交換和共享生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種信息，優(yōu)化整體制造流程，提升生產(chǎn)效率。2）模塊化設(shè)計(jì)在市場(chǎng)需求和產(chǎn)品生產(chǎn)的連接過(guò)程中，一個(gè)重要的問(wèn)題是生產(chǎn)用戶所需產(chǎn)品要進(jìn)行跨領(lǐng)域協(xié)作。市場(chǎng)需求決定了產(chǎn)品和流程的功能越發(fā)復(fù)雜，但產(chǎn)品的解決方案必須降低產(chǎn)品內(nèi)部的復(fù)雜性。對(duì)一定范圍內(nèi)的具備不同或相同功能、不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)選擇和組合模塊，構(gòu)成顧客定制的不同產(chǎn)品，是一種實(shí)現(xiàn)小批量與高效率有效統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法。2.3.3端到端工程建立數(shù)據(jù)模型在制造業(yè)的很多領(lǐng)域，建立模型是提高流程效率、增加流程質(zhì)量和安全性的重要方法。但是，目前很多模型只支持特定的流程和工序，不適應(yīng)跨領(lǐng)域開(kāi)發(fā)或者整個(gè)流程鏈?zhǔn)褂玫男枰Ｒ虼?，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)建設(shè)的下一個(gè)重要任務(wù)，就是利用來(lái)自產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)建立聯(lián)合數(shù)據(jù)模型，允許端對(duì)端使用數(shù)據(jù)，并把多個(gè)現(xiàn)有模型有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高度集成的傳感器和嵌入式設(shè)備為基礎(chǔ)，將生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)收集并上傳到企業(yè)數(shù)據(jù)中心，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品從需求到生產(chǎn)再到銷售的整個(gè)生產(chǎn)制造流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，優(yōu)化制造工藝，提高生產(chǎn)效率。不僅如此，工廠、車間的設(shè)備傳感和控制層產(chǎn)生的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，還能支撐企業(yè)的決策管理，并反過(guò)來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。2.3.4高度集成化過(guò)程控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備都將配備傳感器，無(wú)處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)以及通信設(shè)施通過(guò)信息物理系統(tǒng)形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向的高度集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。橫向集成橫向集成是企業(yè)之間通過(guò)價(jià)值鏈和信息網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的一種資源整合，為實(shí)現(xiàn)不同

企業(yè)間的無(wú)縫合作實(shí)時(shí)提供產(chǎn)品和服務(wù)，推動(dòng)企業(yè)間研產(chǎn)供銷、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)

控制、業(yè)務(wù)與財(cái)務(wù)全流程的無(wú)縫銜接和綜合集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理等的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。橫向集成跳出單個(gè)企業(yè)的范疇，將集成擴(kuò)展

到不同企業(yè)之間。橫向集成通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信等技術(shù)手段，對(duì)分布式的智能生產(chǎn)資源進(jìn)行了高度整合，并可以在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建智能工廠或企業(yè)間的集成。縱向集成縱向集成是指在企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的所有生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)信息的無(wú)縫連接，包括企業(yè)內(nèi)部信息流、資金流和物流的集成?？v向集成是所有生產(chǎn)智能化的基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，縱向集成可以看做是工廠內(nèi)部傳感器、智能機(jī)器、工業(yè)機(jī)器人、智能車間與產(chǎn)品的有機(jī)整合，這些硬件及相應(yīng)的模型、數(shù)據(jù)、通訊和算法等軟件構(gòu)成了工廠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化制造體系，以滿足個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。2.3.5實(shí)時(shí)分析實(shí)時(shí)分析就是在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào)處理的時(shí)間能夠滿足動(dòng)態(tài)過(guò)程參數(shù)分辨需要的分析。實(shí)時(shí)分析技術(shù)的高低，反映了企業(yè)利用工業(yè)IT設(shè)施收集、傳輸和分析處理大數(shù)據(jù)的能力。通過(guò)實(shí)時(shí)分析技術(shù)，不僅工廠與機(jī)器設(shè)備可以隨時(shí)分享信息，相互連接的系統(tǒng)還可以獨(dú)立自我管理。要達(dá)到這一目標(biāo)，工業(yè)制造系統(tǒng)必須對(duì)制造設(shè)備自身的和產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析，這種分析的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）生產(chǎn)設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控生產(chǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)快速處理、傳遞，可以使生產(chǎn)過(guò)程中的某些因素（如產(chǎn)品故障、配件損耗等）被精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)本身的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產(chǎn)流程，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗的異常變化和峰值情況，從而在生產(chǎn)過(guò)程中不斷實(shí)時(shí)優(yōu)化能源消耗，降低生產(chǎn)能耗。2.3.5實(shí)時(shí)分析實(shí)現(xiàn)自組織生產(chǎn)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速高效的分析和處理，工業(yè)機(jī)器與設(shè)備之間可以輕易地實(shí)現(xiàn)信息交換、運(yùn)轉(zhuǎn)和互相操控，因此，被制造的產(chǎn)品可以與機(jī)器設(shè)備交流，機(jī)器可以自組織生產(chǎn)，智能工廠也能夠?qū)崿F(xiàn)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。復(fù)雜系統(tǒng)研究制造業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，主要呈現(xiàn)大體量、多源性、連續(xù)采樣、價(jià)值密度低、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分析，使得研究復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為成為可能。不僅如此，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，可以有效優(yōu)化生產(chǎn)流程，進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度和生產(chǎn)線的質(zhì)量控制，并提高企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)。由此可見(jiàn)，整合全部生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，可以對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模型建設(shè)、多目標(biāo)控制流程進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)物料品質(zhì)、能耗、設(shè)備異常和零件生命周期進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，賦予設(shè)備和系統(tǒng)“自我意識(shí)”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的并行生產(chǎn)。2.3.6數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)是指數(shù)據(jù)的所有者通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與挖掘，把隱藏在大量數(shù)據(jù)中的信息作為商品發(fā)布出去，供數(shù)據(jù)的消費(fèi)者使用。在制造企業(yè)中，數(shù)據(jù)不僅來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，還分布于企業(yè)的各個(gè)部門。通過(guò)整合來(lái)自市場(chǎng)、研發(fā)、工程、生產(chǎn)部門的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)行虛擬模型化，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，確保企業(yè)內(nèi)的所有部門以相同的數(shù)據(jù)協(xié)同工作，能夠提升組織的運(yùn)營(yíng)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)與上市時(shí)間。在企業(yè)業(yè)務(wù)方面，數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)分為4個(gè)層次：2.3.6數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)圖2-5數(shù)據(jù)分析金字塔2.3.6數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)建立數(shù)據(jù)監(jiān)控體系通過(guò)建立數(shù)據(jù)監(jiān)控體系，可以掌握流程中發(fā)生了什么，到了什么程度，并可以清楚地知道其原因。由于數(shù)據(jù)是散的，而零碎的數(shù)據(jù)很難發(fā)揮出真正的價(jià)值，因此只有把數(shù)據(jù)放到一個(gè)有效的框架中，數(shù)據(jù)才能發(fā)揮它的整體價(jià)值。通過(guò)問(wèn)題確定解決方案通過(guò)建立數(shù)據(jù)監(jiān)控體系，可以找到問(wèn)題。但數(shù)據(jù)只是表象，是用來(lái)發(fā)現(xiàn)或描述問(wèn)題的，實(shí)際操作中解決問(wèn)題更為重要。而想要真正解決問(wèn)題，必須懂得數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)了

解業(yè)務(wù)，進(jìn)而確定方案解決問(wèn)題。尋找商機(jī)利用數(shù)據(jù)可以幫助企業(yè)發(fā)現(xiàn)商機(jī)。以淘寶的中老年服裝細(xì)分市場(chǎng)模塊為例，淘寶中老

年服裝有大碼女裝市場(chǎng)，通過(guò)比較該市場(chǎng)的出貨量或用戶搜索關(guān)鍵詞與實(shí)際的成交數(shù)

據(jù)，能發(fā)現(xiàn)有許多需求沒(méi)有得到很好的滿足，反映出存在需求旺盛但供給不足的狀況。假如發(fā)現(xiàn)這樣的細(xì)分市場(chǎng)，并公布給行業(yè)小二與賣家，就能更好地了解并滿足消費(fèi)者

的需求。建立數(shù)據(jù)化運(yùn)營(yíng)體系數(shù)據(jù)可以作為間接生產(chǎn)力，也可以作為直接生產(chǎn)力。間接生產(chǎn)力指的是數(shù)據(jù)工作者將數(shù)據(jù)價(jià)值通過(guò)運(yùn)營(yíng)傳遞給消費(fèi)者；直接生產(chǎn)力也叫做數(shù)據(jù)變現(xiàn)，指的是數(shù)據(jù)工作者將數(shù)據(jù)價(jià)值直接透過(guò)前臺(tái)產(chǎn)品出售給費(fèi)者。隨著大數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，企業(yè)管理層也越來(lái)越重視數(shù)據(jù)變現(xiàn)，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)造就了許多的機(jī)會(huì)，數(shù)據(jù)利用也將產(chǎn)生更多的價(jià)值。2.4信息物理系統(tǒng)（CPS）信息物理系統(tǒng)(Cyber

Physical

System,CPS)是物聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)和發(fā)展，CPS中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算、通信模塊和人自身都是系統(tǒng)中的一份子。如圖2-6所示，智能制造系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)正是借助CPS，才能擺脫信息孤島的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的連接和溝通。CPS能夠經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)局部物理世界發(fā)生的感知和操縱進(jìn)行可靠、實(shí)時(shí)、高效的觀察與控制，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)體控制和全局優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)資源的協(xié)調(diào)分配與動(dòng)態(tài)組織。2.4.1定義信息物理系統(tǒng)是將虛擬世界與物理資源緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。它強(qiáng)調(diào)物理世界與感知世界的交互，能自主感知物理世界狀態(tài)、自主連接信息與物理世界對(duì)象、形成控制策略，實(shí)現(xiàn)虛擬信息世界和實(shí)際物理世界的互聯(lián)、互感及高度協(xié)同。信息物理系統(tǒng)是融合了計(jì)算(Computation)、通信(Communication)與控制

(Control)技術(shù)（又叫做3C技術(shù)，如圖2-7所示）的智能化系統(tǒng)，它從實(shí)體空間的對(duì)象、環(huán)境、活動(dòng)中進(jìn)行大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、建模、分析、挖掘、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同，并與對(duì)象的設(shè)計(jì)、測(cè)試和運(yùn)行性能表征深度有機(jī)融合，是實(shí)時(shí)交互、相互耦合、相互更新的網(wǎng)絡(luò)空間（包括機(jī)理空間、環(huán)境空間與群體空間），進(jìn)而通過(guò)自感知、自記憶、自認(rèn)知、自決策、自重構(gòu)和智能支持，促進(jìn)工業(yè)資產(chǎn)的全面智能化。2.4.1定義具體而言，信息物理系統(tǒng)是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，形成可控，可信，可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)程與物理設(shè)備相互影響的反饋循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)深度融合與實(shí)時(shí)交互，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式，監(jiān)測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。下面是從不同角度對(duì)物理信息系統(tǒng)的闡述：在本質(zhì)上，信息物理系統(tǒng)是以人、機(jī)、物的融合為目標(biāo)的計(jì)算技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)人的控制在時(shí)間、空間等方面的延伸，因此，人們又將信息物理系統(tǒng)稱為“人-機(jī)-物”融合系統(tǒng)。在微觀上，信息物理系統(tǒng)通過(guò)在物理系統(tǒng)中嵌入計(jì)算與通信內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)計(jì)算進(jìn)程(Computation

Processes)與物理進(jìn)程(PhysicalProcesses)的一體化。計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程通過(guò)反饋循環(huán)(FeedbackLoops)方式相互影響，實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理進(jìn)程可靠、實(shí)時(shí)和高效的監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)與控制。在宏觀上，信息物理系統(tǒng)是由運(yùn)行在不同時(shí)間和空間范圍的、分布式的、異構(gòu)的系統(tǒng)組成的動(dòng)態(tài)混合系統(tǒng)，包括感知、決策和控制等各種不同類型的資源和可編程組件。各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)有線或無(wú)線通信技術(shù)，依托網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理與工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)、精確與動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。2.4.2結(jié)構(gòu)體系CPS體系結(jié)構(gòu)的一般形式如圖2-9所示，它由決策層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層組成，決策層通過(guò)語(yǔ)義邏輯計(jì)算，實(shí)現(xiàn)用戶、感知和控制系統(tǒng)之間的邏輯耦合；網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸計(jì)算，連接CPS在不同空間與時(shí)間的子系統(tǒng)；物理層體現(xiàn)的是感知與控制計(jì)算，是CPS與物理世界的接口。2.4.2結(jié)構(gòu)體系眾所周知，自然界中的各種物理量的變化絕大多數(shù)是連續(xù)的，或者說(shuō)是模擬的，而信息空間則是數(shù)字的，充斥著大量離散量。從物理空間到信息空間的信息流動(dòng)，首先必須通過(guò)各種類型的傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)變成模擬量，再通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可視為CPS中的一個(gè)重要的組成部分。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，大量的傳感器以無(wú)線通信方式自組織成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同完成對(duì)物理環(huán)境或物理對(duì)象的監(jiān)測(cè)感知，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)感知數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)融合處理，并將得到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施傳遞給決策控制單元，決策控制單元與執(zhí)行器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分別實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策與協(xié)同控制。CPS是運(yùn)行在不同時(shí)間和空間范圍的閉環(huán)(多閉環(huán))系統(tǒng)，且感知、決策和控制執(zhí)行子系統(tǒng)大多不在同一位置。邏輯上緊密耦合的基本功能單元依存于擁有強(qiáng)大計(jì)算資源和數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如Internet、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)服務(wù)器及其他類型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等，能夠?qū)崿F(xiàn)本地或者遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并影響物理環(huán)境。2.4.2結(jié)構(gòu)體系CPS的基本組件包括傳感器(Sensor)、執(zhí)行器(Actuator)和決策控制單元(Decision-making

Control

Unit)。其中，傳感器和執(zhí)行器是一種嵌入式設(shè)備，傳感器能夠監(jiān)測(cè)、感知外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件(如光、熱)或化

學(xué)組成(如煙霧)；執(zhí)行器能夠接收控制指令，并對(duì)受控對(duì)象施加控制作用；決策控制單元是一種邏輯控制設(shè)備，能夠根據(jù)用戶定義的語(yǔ)義規(guī)則生成控制邏輯。基本組件結(jié)合反饋循環(huán)控制機(jī)制如圖2-8所示。2.4.3特征CPS具有與傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)以及監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory

Control

And

Data

Acquisition

Systems，SCA-DA)不同的特殊性質(zhì)。全局虛擬性、局部物理性局部物理世界發(fā)生的感知和操縱，可以跨越整個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，并被安全、可靠、實(shí)時(shí)地觀察和控制。深度嵌入性嵌入式傳感器與執(zhí)行器使計(jì)算深深嵌入到每一個(gè)物理組件，甚至可能嵌入進(jìn)物質(zhì)里，從而使物理設(shè)備具備計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等功能，更使計(jì)算變得普通，成為物理世界的一部分。

3）事件驅(qū)動(dòng)性物理環(huán)境和對(duì)象狀態(tài)的變化構(gòu)成“CPS事件”：觸發(fā)事件→感知→決策→控制→事件的閉環(huán)過(guò)程，最終改變物理對(duì)象狀態(tài)。4）以數(shù)據(jù)為中心CPS各個(gè)層級(jí)的組件與子系統(tǒng)都圍繞數(shù)據(jù)融合向上層提供服務(wù)，數(shù)據(jù)沿著從物理世界接口到用戶的路徑一路不斷提升抽象級(jí)，用戶最終得到全面的、精確的事件信息。2.4.3特征時(shí)間關(guān)鍵性物理世界的時(shí)間是不可逆轉(zhuǎn)的，因而CPS的應(yīng)用對(duì)時(shí)間性有著嚴(yán)格的要求，信息獲取和提交的實(shí)時(shí)性會(huì)影響用戶的判斷與決策精度，尤其是在重要基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。安全關(guān)鍵性CPS的系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜性對(duì)信息系統(tǒng)安全提出了更高的要求，尤其重要的是需

要理解與防范惡意攻擊帶來(lái)的嚴(yán)重威脅，以及CPS用戶的被動(dòng)隱私暴露等問(wèn)題。

7）異構(gòu)性CPS包含了許多功能與結(jié)構(gòu)各異的子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間需要通過(guò)有線或無(wú)線的通信方式相互協(xié)調(diào)工作，因此，CPS也被稱為混合系統(tǒng)或者系統(tǒng)的系統(tǒng)。

8）高可信賴性物理世界不是完全可預(yù)測(cè)和可控的，對(duì)于意想不到的情況，必須保證CPS的魯棒性(Robustness，即健壯和強(qiáng)壯性)，同時(shí)還須保證其可靠性、高效率、可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。高度自主性組件與子系統(tǒng)都具備自組織、自配置，自維護(hù)、自優(yōu)化和自保護(hù)能力，可以支持CPS完成自感知、自決策和自控制。領(lǐng)域相關(guān)性在諸如汽車、石油化工、航空航天、制造業(yè)、民用基礎(chǔ)設(shè)施等工程應(yīng)用領(lǐng)域，

CPS的研究不僅著眼于其自身，也著眼于這些系統(tǒng)的容錯(cuò)、安全、集中控制和社會(huì)等方面對(duì)它們的設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。2.4.4機(jī)遇與挑戰(zhàn)CPS的應(yīng)用，小到智能家居等家用級(jí)系統(tǒng)，大到工業(yè)控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)、世界級(jí)系統(tǒng)，其市場(chǎng)規(guī)模難以估量。更重要的是，CPS廣泛應(yīng)用的目標(biāo)不僅僅是要簡(jiǎn)單地將諸如家電等產(chǎn)品連在一起，還要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。下一代工業(yè)將建立在CPS之上。隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備將無(wú)處不在，它們必將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大的提高汽車、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。CPS不僅會(huì)催生出新的工業(yè)，甚至?xí)匦抡{(diào)配現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局。CPS既昭示著無(wú)限前景，也帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)很大程度上來(lái)自控制與計(jì)算之間的差異。通常，控制領(lǐng)域是通過(guò)微分方程和連續(xù)的邊界條件來(lái)處理問(wèn)題的，而計(jì)算則建立在離散數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上；控制對(duì)時(shí)間和空間都十分敏感，而計(jì)算則只關(guān)心功能的實(shí)現(xiàn)。因此，這種差異將給計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)帶來(lái)基礎(chǔ)性的變革。2.4.5

CPS與智能制造CPS對(duì)智能制造系統(tǒng)具有非常重要的意義。1）讓地球互聯(lián)CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。

本質(zhì)上說(shuō)，CPS是一個(gè)具備控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。20世紀(jì)40年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明了數(shù)控技術(shù)，如今，基于嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開(kāi)花，工業(yè)自動(dòng)化早已成熟，日常生活中所使用的各種家電都具有控制功能。但是，這些控制系統(tǒng)基本上屬于封閉系統(tǒng)，即使其中一些工控應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，這種網(wǎng)絡(luò)一般也僅限于工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)或者說(shuō)設(shè)備則難以通過(guò)開(kāi)放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，而且它們的通信功能普遍較弱，但CPS則把通信放在與計(jì)算、控制同等的地位上。在CPS所強(qiáng)調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中，物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開(kāi)通信的。CPS對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自制能力、所控制對(duì)象的種類和數(shù)量、特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。理論上，CPS可使整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái)，就如同互聯(lián)網(wǎng)在人與人之間建立互動(dòng)一樣，CPS也將深化人與物理世界的互動(dòng)。2.4.5

CPS與智能制造2）涵蓋物聯(lián)網(wǎng)CPS的出現(xiàn)，使得物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明確起來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)就是主要應(yīng)用在物流領(lǐng)域的技術(shù)，物與物之間的互聯(lián)無(wú)非就“各報(bào)家門”，知道對(duì)方“何許人也”這么簡(jiǎn)單，而相對(duì)于將物與物相連的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，CPS要求接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備具備更加精確和復(fù)雜的計(jì)算能力。如果從計(jì)算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS的客戶機(jī)、服務(wù)器比作“身材健碩”的，那么物聯(lián)網(wǎng)的同類應(yīng)用則可視為“瘦小羸弱”的，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中的通信大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，物品本身不具備控制和自治能力，也無(wú)法進(jìn)行彼此之間的協(xié)同。海量運(yùn)算是很多CPS接入設(shè)備的主要特征，以基于CPS的智能交通系統(tǒng)為例，滿足CPS要求的汽車電子系統(tǒng)通常需要進(jìn)行海量運(yùn)算，而目前已經(jīng)十分復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)根本無(wú)法勝任這一要求。在CPS中，物理設(shè)備指的是自然界的一切客體，既包括冷冰冰的設(shè)備，也有活生生的生物?，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的邊界是各種終端設(shè)備，人們與互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)這些終端來(lái)進(jìn)行信息交換。而在CPS中，人可以成為CPS網(wǎng)絡(luò)的“接入設(shè)備”，這種信息的交互可能是通過(guò)芯片與人的神經(jīng)系統(tǒng)直接互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。盡管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也能做到把無(wú)線電射頻芯片嵌入人體，但其本質(zhì)上還是通過(guò)無(wú)線電射頻芯片與讀寫器進(jìn)行通信，人并沒(méi)有真正參與其中。然而在CPS中，人的感知十分重要。2.4.5

CPS與智能制造以上文提到的智能交通系統(tǒng)為例，可以做出這樣的假設(shè)：當(dāng)智能交通系統(tǒng)感知到高速行駛的汽車與你將穿越馬路的行人之間存在發(fā)生碰撞的可能時(shí)，系統(tǒng)或許會(huì)以更直接的方法——通過(guò)“腦機(jī)接口”（brain-machine

interface，BCI）讓人不經(jīng)大腦思考的來(lái)個(gè)“立定”，避開(kāi)事故的發(fā)生；而非通常的做法——由系統(tǒng)發(fā)出指令讓汽車急剎車，或者告訴行人“讓步”。總而言之，CPS可以促使虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體物理系統(tǒng)相整合。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(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)設(shè)備融入CPS中。使信息得以在這些相互獨(dú)立的制造要素間自動(dòng)交換、接受動(dòng)作指令、進(jìn)行無(wú)人控制。CPS能夠引領(lǐng)制造業(yè)不斷向著設(shè)備、數(shù)據(jù)、服務(wù)無(wú)縫連接的方向發(fā)展，起著推動(dòng)制造業(yè)智能化的重要作用。2.5西門子的智能制造系統(tǒng)假如你是一家家電企業(yè)工廠的負(fù)責(zé)人，同時(shí)收到生產(chǎn)500臺(tái)冰箱和500臺(tái)洗衣機(jī)的訂單，你將如何安排生產(chǎn)計(jì)劃，是先生產(chǎn)500臺(tái)冰箱（或洗衣機(jī)），還是將冰箱和洗衣機(jī)交替混合生產(chǎn)？生產(chǎn)的理想狀態(tài)應(yīng)該是小批量、多批次，這樣可使生產(chǎn)均勻連續(xù)，減少原材料的消耗，庫(kù)存代售品數(shù)量最優(yōu)，現(xiàn)金流更順暢。智能制造的目標(biāo)，就是在智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成多品種、個(gè)性化、小批量的高質(zhì)量生產(chǎn)，而非工業(yè)化的大生產(chǎn)。德國(guó)安貝格的西門子電子工廠（德文縮寫：EWA），是未來(lái)智能制造工廠的雛形，乍看之下如醫(yī)院手術(shù)室一般干凈整潔的EWA生產(chǎn)車間里，身著藍(lán)色工服的員工走在藍(lán)白相間的PVC大理石地板上，灰藍(lán)色的機(jī)柜整齊的排成一行，顯示器上，數(shù)據(jù)洪流就像瀑布一樣傾瀉而下。一場(chǎng)工業(yè)領(lǐng)域的“數(shù)字化革命”正在悄然進(jìn)行。2.5.1制造中的自動(dòng)化圖2-10

EWA生產(chǎn)車間2.5.1制造中的自動(dòng)化EWA是西門子PLC“數(shù)字化智能制造”的典范，在智能制造系統(tǒng)下，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的規(guī)劃和高效執(zhí)行，以最小的資源消耗獲得最高的生產(chǎn)效率。智能生產(chǎn)環(huán)境中，每個(gè)產(chǎn)品都有自己的代碼，如同人的身份證，代碼中包含著制造信息，產(chǎn)品可以根據(jù)代碼來(lái)控制自身的生產(chǎn)流程。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備及機(jī)器之間的相互“通信”。在智能制造系統(tǒng)下，EWA員工的工作也發(fā)生了天翻地覆的變化：盡管生產(chǎn)過(guò)程中的變化因素不計(jì)其數(shù)，供應(yīng)鏈錯(cuò)綜復(fù)雜，新的生產(chǎn)流程卻得到不斷優(yōu)化；在員工數(shù)量、生產(chǎn)面積幾乎沒(méi)有變化的情況下，EWA的產(chǎn)能提高了8倍，產(chǎn)品質(zhì)量比25年前更提高了40倍。EWA的負(fù)責(zé)人表示：“數(shù)字化智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率高達(dá)99.9988%，世界上還沒(méi)有同類工廠達(dá)到如此高的合格率”。EWA每年要生產(chǎn)種類達(dá)1000多種，數(shù)量達(dá)1200萬(wàn)件的Simatic產(chǎn)品，如果按照每年有230個(gè)工作日來(lái)計(jì)算，EWA平均每秒制造一件產(chǎn)品。通過(guò)“智能算法”，可以把過(guò)去需要人工完成的大部分工作固化在機(jī)器中，使計(jì)算機(jī)和機(jī)器設(shè)備能完成生產(chǎn)環(huán)節(jié)中75%的工作量，剩下的部分才由人工完成。工人只需要在生產(chǎn)開(kāi)始階段把裸電路板放到生產(chǎn)線上，此后的生產(chǎn)環(huán)節(jié)都將由機(jī)器自動(dòng)完成。2.5.2制造中的仿真與數(shù)據(jù)管理產(chǎn)品的研發(fā)是數(shù)字化智能制造的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制造在同一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中改變了傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)模式，有利于設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)部門協(xié)同工作，消除工作時(shí)間差，讓生產(chǎn)各方配合更加默契。而且，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段的數(shù)據(jù)可在工廠各部門系統(tǒng)中實(shí)時(shí)傳遞和更新，避免了因溝通不暢而產(chǎn)生的誤差，有效提高了EWA中的生產(chǎn)效率。EWA采用了西門子軟件公司開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)軟件UG，該軟件能夠應(yīng)用于產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的每個(gè)環(huán)節(jié)，并集成了多種學(xué)科仿真功能，可以提供全方位的零件設(shè)計(jì)制造解決方案，這是其它設(shè)計(jì)軟件無(wú)法比擬的。設(shè)計(jì)工程師能夠運(yùn)用UG軟件的設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)產(chǎn)品，運(yùn)用裝配功能進(jìn)行組裝，運(yùn)用仿真功能測(cè)試產(chǎn)品性能，而無(wú)需制造出樣品，節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。當(dāng)然，這也對(duì)工程師們提出了更高的要求，他們必須更深入地掌握產(chǎn)品制造設(shè)備的屬性，才能使編寫的仿真模擬程序更加精準(zhǔn)。2.5.2制造中的仿真與數(shù)據(jù)管理UG軟件設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品都會(huì)有自己的數(shù)據(jù)信息，一方面，這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)(CAM))計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)不間斷的向生產(chǎn)線傳遞，使生產(chǎn)線能為即將到來(lái)的生產(chǎn)做好準(zhǔn)備；另一方面，數(shù)據(jù)信息會(huì)被存放到EWA的數(shù)據(jù)中心——Teamcenter共享數(shù)據(jù)庫(kù)中，使質(zhì)檢、