智能制造導(dǎo)論 課件 第2、3章 信息物理系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及參考模型

第二章信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用31、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.1什么是CPS傳統(tǒng)制造是通過人對(duì)機(jī)器的直接操作控制去完成各種工作任務(wù)。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.1什么是CPS與傳統(tǒng)制造相比,智能制造發(fā)生的最本質(zhì)的變化是：在人與物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)（CyberSystem），信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)組成了信息-物理系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem)1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.2怎么理解“CPS”Cyber-PhysicalSystem——網(wǎng)絡(luò)和物理系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起的系統(tǒng)。Cyber——通信和控制;離散的，邏輯型的，交換的計(jì)算。Physical——受物理定律的支配并持續(xù)運(yùn)行的自然和人為系統(tǒng)?！?006年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.3“CPS”的由來美國(guó)作家威廉·吉步森在1982年創(chuàng)造并使用了“cyberspace”一詞“Cyber”一詞最早可追溯至自希臘語(yǔ)單詞Kubernetes，意思是掌舵人1948年，諾伯特·維納在《控制論》中創(chuàng)造并使用了“Cybernetics”一詞“Cybernetics”由錢學(xué)森于1954年所著的《EngineeringCybernetics》所使用幾年后，錢學(xué)森在1958年發(fā)布的該書的中文版中，將“Cybernetics”翻譯為了“控制論”CPS這一術(shù)語(yǔ)最先是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在1992年提出的2006年，國(guó)際上舉行了第一個(gè)信息物理系統(tǒng)的研討會(huì)（NSFWorkshoponCyber-PhysicalSystems）1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的定義CPS通過集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書（2017）》1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的本質(zhì)信息物理系統(tǒng)的本質(zhì)就是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性與不確定性,提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。——《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》CPS本質(zhì)1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的本質(zhì)狀態(tài)感知：對(duì)外界數(shù)據(jù)的獲取，如物理實(shí)體的尺寸、外部環(huán)境的溫度、液體流速、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)分析：對(duì)顯性數(shù)據(jù)的進(jìn)一步理解，是將感知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成認(rèn)知的信息的過程；科學(xué)決策：對(duì)信息的綜合處理，在這一環(huán)節(jié)CPS能夠權(quán)衡判斷當(dāng)前時(shí)刻獲取的所有來自不同環(huán)境下的信息，形成最優(yōu)決策來對(duì)物理實(shí)體空間進(jìn)行控制；精準(zhǔn)執(zhí)行：對(duì)決策的精準(zhǔn)物理實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行的本質(zhì)是將信息空間產(chǎn)生的決策轉(zhuǎn)換成物理實(shí)體可以執(zhí)行的命令。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.5CPS的特征CPS作為溝通信息世界和物理世界的橋梁，它表現(xiàn)出六大典型特征，總結(jié)為：1.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：通過構(gòu)建“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng)的閉環(huán)賦能體系，CPS將隱形的數(shù)據(jù)從物理空間中顯性得轉(zhuǎn)化到信息空間上，進(jìn)而迭代更新匯集成知識(shí)庫(kù)。轉(zhuǎn)化過程中，狀態(tài)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)做出科學(xué)決策判斷；精準(zhǔn)執(zhí)行后，將數(shù)據(jù)作為輸出結(jié)果，展示出來。因此，數(shù)據(jù)是CPS的重中之重。2.軟件定義：工業(yè)軟件是對(duì)工業(yè)各類工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)律的代碼化，支撐了絕大多數(shù)的生產(chǎn)制造過程。作為面向制造業(yè)的CPS，軟件就成為了實(shí)現(xiàn)CPS功能的核心載體之一。3.泛在連接：網(wǎng)絡(luò)通信是CPS的基礎(chǔ)保障，能夠?qū)崿F(xiàn)CPS內(nèi)部單元之間以及其它CPS之間的互聯(lián)互通。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信將會(huì)更加全面深入地融合信息空間和物理空間，表現(xiàn)出明顯的泛在連接特征，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物都能順暢地通信。4.虛實(shí)映射：CPS構(gòu)筑信息空間與物理空間數(shù)據(jù)交互的閉環(huán)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)信息虛體與物理實(shí)體之間的交互聯(lián)動(dòng)。其中，“數(shù)字孿生”是虛實(shí)映射的基礎(chǔ)。5.異構(gòu)集成：軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)云等一系列技術(shù)的有機(jī)組合構(gòu)建了一個(gè)信息空間與物理空間之間數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。CPS能夠?qū)悩?gòu)硬件、異構(gòu)軟件、異構(gòu)數(shù)據(jù)及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在信息空間與物理空間不同環(huán)節(jié)的自由流動(dòng)。因此，CPS必定是一個(gè)對(duì)多方異構(gòu)環(huán)節(jié)集成的綜合體。6.系統(tǒng)自治：CPS能夠根據(jù)感知到的環(huán)節(jié)變化信息，在信息空間進(jìn)行處理分析，自適應(yīng)地對(duì)外部變化做出有效響應(yīng)。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.5CPS的特征1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ扔捎贑PS是一個(gè)復(fù)雜且較為綜合性的概念，因此在CPS的理解上存在著一些難點(diǎn)。因此就CPS系統(tǒng)和以往一些概念（物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)）做對(duì)比，以澄清CPS系統(tǒng)與現(xiàn)有概念的差別與優(yōu)勢(shì)。CPS=物聯(lián)網(wǎng)？CPS=嵌入式系統(tǒng)？a）CPS與物聯(lián)網(wǎng)對(duì)比1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ菴PS與物聯(lián)網(wǎng)在原理和工作重點(diǎn)方面的區(qū)別原理物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是基于無線連接實(shí)現(xiàn)感知的，其控制與計(jì)算的成分占的并不多。它往往是一個(gè)物理實(shí)體通過傳感器感知某項(xiàng)活動(dòng)后，然后將狀態(tài)信息交給其他物理實(shí)體去決策與執(zhí)行的過程。CPS在完成信息傳遞的功能之外，還要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)物理實(shí)體之間的工作，并且其本身的計(jì)算能力也更加強(qiáng)大，從而最終能夠?qū)崿F(xiàn)自治的目標(biāo)。工作重點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)物物相聯(lián)與信息傳輸CPS強(qiáng)調(diào)物理世界和信息世界之間實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的信息回饋、循環(huán)過程CPS1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ萢）CPS與嵌入式系統(tǒng)對(duì)比CPS與嵌入式系統(tǒng)在概念和工作范圍方面的區(qū)別概念嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是用于嵌入式微電腦上的操作系統(tǒng)CPS系統(tǒng)是一個(gè)信息物理的混合系統(tǒng)，是一個(gè)跨學(xué)科跨領(lǐng)域的概念工作范圍嵌入式系統(tǒng)較為單一地工作在特定的嵌入式環(huán)境當(dāng)中CPS系統(tǒng)不僅要監(jiān)控一個(gè)嵌入式設(shè)備的運(yùn)作，還要負(fù)責(zé)不同嵌入式設(shè)備間的交互，并以他們之間的交互信息進(jìn)行工作上的協(xié)調(diào)。通俗地說，CPS就是把嵌入式系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，并協(xié)調(diào)其運(yùn)作。CPS信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用32、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次CPS的三個(gè)層次

將CPS劃分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、SoS級(jí)（SystemofSystems，系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)）三個(gè)層次。單元級(jí)CPS可以通過組合與集成（如CPS總線）構(gòu)成更高層次的CPS，即系統(tǒng)級(jí)CPS；系統(tǒng)級(jí)CPS可以通過工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)等平臺(tái)構(gòu)成SoS級(jí)的CPS，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)層面的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)。——《信息物理系統(tǒng)白皮書》，20172、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（1）單元級(jí)CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元物理設(shè)備是實(shí)際存在的，可以通過傳感器可以感知外部信號(hào)，如聲、光、電、煙霧等，經(jīng)過執(zhí)行器能夠接收控制指令并對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。信息外殼（Informationshell）包括感知、計(jì)算、控制與通信功能，是物理設(shè)備與信息世界通信的接口與橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)物理實(shí)體的“數(shù)字化”，信息世界可以通過信息外殼和外界實(shí)體進(jìn)行感知和交互。2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（1）單元級(jí)CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元單元級(jí)CPS的智能機(jī)床計(jì)算感知決策執(zhí)行2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（2）系統(tǒng)級(jí)CPS——“一硬、一軟、一網(wǎng)”的有機(jī)組合系統(tǒng)級(jí)CPS由多個(gè)單元級(jí)CPS來構(gòu)建，單元級(jí)CPS之間的交互是通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（如工廠現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)）來實(shí)現(xiàn)的，由此達(dá)到數(shù)據(jù)的大范圍、寬領(lǐng)域的自動(dòng)流動(dòng)。通過引入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)單元級(jí)CPS間的協(xié)同調(diào)配，進(jìn)而提高了制造資源配置的優(yōu)化廣度、深度和精度。硬件軟件工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（2）系統(tǒng)級(jí)CPS——“一硬、一軟、一網(wǎng)”的有機(jī)組合單元級(jí)CPS智能機(jī)床單元級(jí)CPS智能AGV…單元級(jí)CPS智能輸送線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)線CPS系統(tǒng)級(jí)CPS的產(chǎn)線2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（3）SoS級(jí)CPS——多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的有機(jī)組合硬件軟件網(wǎng)絡(luò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)SoS級(jí)CPS的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合，從而對(duì)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)行資產(chǎn)優(yōu)化，對(duì)外形成運(yùn)營(yíng)優(yōu)化服務(wù)。其主要功能有：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合、分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)，并在數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)上形成資產(chǎn)性能管理與運(yùn)營(yíng)優(yōu)化服務(wù)。2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1CPS的三個(gè)層次（3）SoS級(jí)CPS——多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的有機(jī)組合

COSMOPlat是海爾推出的具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全球首家引入用戶全流程參與體驗(yàn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。海爾利用COSMOPlat將用戶需求和整個(gè)智能制造體系連接起來，讓用戶可以全流程參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、物流配送、迭代升級(jí)等環(huán)節(jié)，把以往“企業(yè)和用戶之間只是生產(chǎn)和消費(fèi)關(guān)系”的傳統(tǒng)思維轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)造用戶終身價(jià)值”。SoS級(jí)CPS的COSMOPlat2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（1）感知和自動(dòng)控制A.智能感知技術(shù)傳感器技術(shù)是智能感知技術(shù)的核心。傳感器（Sensor）是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置。B.自動(dòng)控制技術(shù)CPS虛實(shí)融合控制是多層“感知-分析-決策-執(zhí)行”循環(huán)，建立在狀態(tài)感知的基礎(chǔ)上，感知往往是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，向更高層次同步或即時(shí)反饋。包括嵌入控制、虛體控制、集控控制和目標(biāo)控制四個(gè)層次。執(zhí)行實(shí)時(shí)感知分析決策空調(diào)自動(dòng)控制室溫過程溫度傳感器溫度大于（小于）設(shè)定值降低（升高）溫度制冷（制熱）2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（2）工業(yè)軟件誰(shuí)是世界上最大的軟件公司？微軟？谷歌？蘋果？如果僅看代碼行數(shù)，一直青睞工業(yè)軟件的美國(guó)最大軍火商洛克希德·馬丁公司早已超過微軟成為世界上最大的軟件公司。

大家是否知道，當(dāng)年NASA的碼農(nóng)女神——軟件首席工程師瑪格麗特，給阿波羅飛船寫的導(dǎo)航和登錄程序代碼量有多大？打印出來的紙堆起來比她還高！正是這一堆打印紙上承載的瑪格麗特發(fā)明的“異步軟件”，讓阿波羅11號(hào)避免了登月前軟件程序混亂到近乎崩潰的“黑色三分鐘”，在月球表面成功著陸。她寫的代碼把人類帶上了月球。2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（2）工業(yè)軟件工業(yè)軟件（IndustrialSoftware）是指專用于工業(yè)領(lǐng)域，為提高工業(yè)企業(yè)研發(fā)、制造、生產(chǎn)、服務(wù)與管理水平以及工業(yè)產(chǎn)品使用價(jià)值的軟件。工業(yè)軟件是智能制造領(lǐng)域最為重要的一環(huán)。A.企業(yè)資源管理系統(tǒng)：ERP（Enterpriseresourceplanning）

ERP促進(jìn)所有業(yè)務(wù)職能之間的信息流動(dòng)，并管理與外部利益相關(guān)者的聯(lián)系。B.產(chǎn)品全生命周期管理軟件：PLM（ProductLifecycleManagement）

包括各類CAX軟件，如CAD、CAM、CAE、CAPP等，CAX軟件是CPS信息虛體（二維、三維模型、生產(chǎn)工藝等）的載體。信息虛體的原始要素定義，以及信息虛體之間接口的定義，都是通過CAX軟件實(shí)現(xiàn)。C.生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)：MES（Manufacturingexecutionsystem）MES是用于制造，跟蹤和記錄原材料到成品的轉(zhuǎn)換的計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)，MES提供的信息有助于制造決策者了解如何優(yōu)化工廠現(xiàn)有條件以提高產(chǎn)量。ERPPLMMES2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（3）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，向上經(jīng)由多個(gè)層級(jí)流入企業(yè)層，這是經(jīng)典的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)金字塔層次模式。盡管這一模式得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同，但其中各層次之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)并不順暢。CPS中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將顛覆傳統(tǒng)的基于金字塔分層模型的自動(dòng)化控制層級(jí)，轉(zhuǎn)而尋求基于分布式的全新范式，既去中心化的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生數(shù)字孿生：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間完成對(duì)物理實(shí)體的映射，從而反映物理實(shí)體的全生命周期過程。——《智能制造術(shù)語(yǔ)解讀》（1）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的定義數(shù)字孿生技術(shù)是CPS的虛實(shí)映射特點(diǎn)的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)CPS提供了清晰的思路、方法和實(shí)施途徑。

智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒有Digitaltwin對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)體系的準(zhǔn)確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法落實(shí)。2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生（2）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應(yīng)用美國(guó)國(guó)防部最早提出利用DigitalTwin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。數(shù)據(jù)流動(dòng)與信息鏡像飛行器虛擬模型2、信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生（2）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應(yīng)用三軸抓取機(jī)器人立體倉(cāng)庫(kù)加工中心分檢設(shè)備虛擬世界狀態(tài)感知物理世界實(shí)時(shí)控制信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用33、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.1CPS的建設(shè)

建設(shè)CPS的過程中要充分考慮信息物理系統(tǒng)的層級(jí)特征，不同的階段，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取不同的應(yīng)對(duì)措施。CPS的建設(shè)是循序漸進(jìn)、逐漸深入的，其建設(shè)路徑可以分為如下幾個(gè)階段：CPS體系設(shè)計(jì)針對(duì)應(yīng)用模式、層次架構(gòu)、安全體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等方面開展CPS建設(shè)相關(guān)的整體體系設(shè)計(jì)。單元級(jí)CPS建設(shè)提升感知外部環(huán)境信息、實(shí)現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵能力。為制造工藝與流程數(shù)字化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與控制基礎(chǔ)。系統(tǒng)級(jí)CPS建設(shè)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)單元級(jí)CPS之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)各組成CPS之前的協(xié)同控制能力。SoS級(jí)CPS建設(shè)實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)級(jí)CPS的有機(jī)組合，在具體建設(shè)上應(yīng)將大數(shù)據(jù)平臺(tái)、智能服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)作為重點(diǎn)。3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.1CPS的建設(shè)在CPS技術(shù)體系的建設(shè)和應(yīng)用上，需要結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行路線規(guī)劃和逐步開展建設(shè)和應(yīng)用。具體執(zhí)行過程中，遵循五統(tǒng)一指導(dǎo)原則實(shí)體制造與虛擬制造的統(tǒng)一層次性與系統(tǒng)性的統(tǒng)一繼承性與創(chuàng)新性的統(tǒng)一理論性與指導(dǎo)性的統(tǒng)一階段性與演進(jìn)性的統(tǒng)一3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.2CPS應(yīng)用場(chǎng)景CPS在制造業(yè)應(yīng)用概覽目前，CPS受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并已在多個(gè)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用和體現(xiàn)。從智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)、智能應(yīng)用這四個(gè)方面，結(jié)合CPS的關(guān)鍵特征和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CPS的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行闡述和說明。3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.2CPS應(yīng)用場(chǎng)景1.智能設(shè)計(jì)隨著CPS不斷發(fā)展，在產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線或工廠設(shè)計(jì)過程中，企業(yè)流程正在發(fā)生深刻變化，研發(fā)設(shè)計(jì)過程中的試驗(yàn)、制造、裝配都可以在虛擬空間中進(jìn)行仿真，并實(shí)現(xiàn)迭代、優(yōu)化和改進(jìn)。CPS在生產(chǎn)線上的設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方面，首先建立產(chǎn)品生產(chǎn)線的初步方案，初步形成產(chǎn)品的制造工藝路線，通過采集實(shí)際和試驗(yàn)所生成的工時(shí)數(shù)據(jù)、物流運(yùn)輸數(shù)據(jù)、工裝和工具配送數(shù)據(jù)等，在軟件系統(tǒng)中基于工藝路線建立生產(chǎn)線中的人、機(jī)械、物料等生產(chǎn)要素與生產(chǎn)線產(chǎn)能之間的信息模型。3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.2CPS應(yīng)用場(chǎng)景2.智能生產(chǎn)

CPS是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)中物理空間與信息空間聯(lián)通的重要手段和有效途徑。從資源管理、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度來對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造進(jìn)行管理、控制以及科學(xué)決策，使整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的資源處于有序可控的狀態(tài)。柔性制造應(yīng)用場(chǎng)景CPS結(jié)合CAX、MES、自動(dòng)控制、云計(jì)算、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、RFID射頻識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)或設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能工廠信息的整合和業(yè)務(wù)協(xié)同，方便設(shè)備、人員的快速調(diào)整，提高了整個(gè)制造過程的柔性,為企業(yè)的柔性制造提供了技術(shù)支撐。3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.2CPS應(yīng)用場(chǎng)景3.智能服務(wù)CPS在健康管理、智能維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷、協(xié)同優(yōu)化、共享服務(wù)等方面提供智能服務(wù)。建立個(gè)體與群體（個(gè)體）、群體與系統(tǒng)的相互協(xié)同一體化工業(yè)云服務(wù)體系，能夠更好地服務(wù)于生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智能裝備的協(xié)同優(yōu)化。CPS在預(yù)防維護(hù)中的應(yīng)用應(yīng)用建模、仿真測(cè)試及驗(yàn)證等技術(shù)，基于裝備虛擬健康的預(yù)測(cè)性智能維護(hù)模型，構(gòu)建裝備智能維護(hù)CPS系統(tǒng)。裝備智能維護(hù)CPS系統(tǒng)依據(jù)各裝備實(shí)際活動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立化的數(shù)據(jù)分析與利用，提前發(fā)現(xiàn)問題并處理，延長(zhǎng)資產(chǎn)的正常運(yùn)行時(shí)間.3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.2CPS應(yīng)用場(chǎng)景4.智能應(yīng)用

制造業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的信息物理融合和價(jià)值共同創(chuàng)造，將設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和使用者的單調(diào)角色轉(zhuǎn)變?yōu)樾聝r(jià)值創(chuàng)造的參與者，并通過新型價(jià)值鏈的創(chuàng)建反饋到產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型，從根本上調(diào)動(dòng)生產(chǎn)流程中各個(gè)參與者的積極性和創(chuàng)造力，最終實(shí)現(xiàn)業(yè)態(tài)融合的制造業(yè)轉(zhuǎn)型。船舶、飛機(jī)等重資產(chǎn)裝備，普遍操作難度大，安全性要求高，CPS很好的解決了裝備智能化的問題。通過裝備狀態(tài)感知和實(shí)時(shí)計(jì)算，學(xué)習(xí)認(rèn)知裝備操控過程知識(shí)，建立無人智能設(shè)備，同時(shí)構(gòu)建CPS智能膠囊，在同類型的裝備上進(jìn)行模型移植，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化能力的低成本快速推進(jìn)。無人裝備應(yīng)用場(chǎng)景3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.3CPS的典型應(yīng)用1智能交通CPS背景CPS如何改善這種情況基礎(chǔ)設(shè)施城際交通每年發(fā)生大量交通事故，原因是長(zhǎng)途交通，高速運(yùn)行。車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)車輛間互聯(lián)通信路況報(bào)告汽車收集路況和傳感器信息汽車用手機(jī)或WiFi網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳遞信息用戶登錄服務(wù)器可瀏覽實(shí)時(shí)路況、個(gè)人駕駛習(xí)慣。路——壓力傳感器、無線通信基站(wifi)、用于計(jì)算的后端服務(wù)器；車——無線通信設(shè)備、顯示和視頻設(shè)備；司機(jī)——用于接收SMS的手機(jī)。3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.3CPS的典型應(yīng)用1智能交通CPS1.車輛進(jìn)入高速公路的入口，并加入網(wǎng)絡(luò)2嵌入式傳感器檢測(cè)到的交通信號(hào)（速度，狀態(tài)）3.數(shù)據(jù)庫(kù)連接和操作4.為車輛準(zhǔn)備有用信息5.消息將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)：無線電臺(tái)，手機(jī)6.加入該網(wǎng)絡(luò)的車輛，將定期收到通知，并顯示在輸出設(shè)備7.接收服務(wù)器傳輸?shù)姆涓C設(shè)備的短信3、信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用3.3CPS的典型應(yīng)用美國(guó)國(guó)防部推勵(lì)CPS技術(shù)進(jìn)入到軍事領(lǐng)域，其無人機(jī)作站系統(tǒng)能夠在軍事基地控制數(shù)千公里外的無人機(jī)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察、打擊，得益于美國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)利用CPS技術(shù)隨時(shí)獲取了所需要的時(shí)空信息，對(duì)無人機(jī)偵察、打擊所需要的各種要素進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行了數(shù)字化的展示。單元級(jí)CPS系統(tǒng)級(jí)CPSSoS級(jí)CPS2軍事應(yīng)用CPSThankyouforlistening!謝謝聆聽!第三章智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及參考模型智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國(guó)工業(yè)4.02美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國(guó)制造202541、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.1參考模型的由來來自五湖四海的室友們?cè)谥悄苤圃旄拍钐岢霾痪?，智能制造獲得歐、美、日等國(guó)家的普遍重視，為促進(jìn)相互理解和溝通，需要構(gòu)建統(tǒng)一的模型來對(duì)關(guān)注問題的達(dá)成共識(shí)并確定參考模型所需術(shù)語(yǔ)及其定義，以方便理解與交流。1、CPS的概念I(lǐng)EC61970-2提供正在處理的問題空間的可視化的抽象結(jié)構(gòu)，提供描述和討論解決方案的語(yǔ)言，定義術(shù)語(yǔ)并提供旨在獲得被解決問題相互理解的其他類似的幫助。IEC62443-1-1許多系統(tǒng)模塊和接口能以一致性方式進(jìn)行描述的結(jié)構(gòu)。ISO/IEC14543-2-1在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中描述互聯(lián)的通用原則的模型。ISO/IEC14776-411用于以與實(shí)現(xiàn)無關(guān)的方式規(guī)定系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)模型。智能制造參考模型是一個(gè)通用模型，適用于智能制造全價(jià)值鏈的所有合作伙伴公司的產(chǎn)品和服務(wù)，它將提供智能制造相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建、開發(fā)、集成和運(yùn)行的一個(gè)框架，通過建立智能制造參考模型可以將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（如工業(yè)通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、設(shè)備集成、數(shù)字工廠等），擬制定的新標(biāo)準(zhǔn)（如語(yǔ)義化描述和數(shù)據(jù)字典、互聯(lián)互通、系統(tǒng)能效、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）一起納入一個(gè)新的全球制造參考體系。1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.2參考模型的定義2.智能制造參考模型將有助于行業(yè)推廣工作3.智能制造參考模型建立將指導(dǎo)智能制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)梳理和布局1.對(duì)智能制造概念及范圍進(jìn)行界定目標(biāo)1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.3參考模型的建設(shè)目標(biāo)序號(hào)模型名稱制定組織1工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)2智能制造生態(tài)系統(tǒng)SMS美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC4智能制造系統(tǒng)架構(gòu)IMSA中國(guó)國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化總體組5物聯(lián)網(wǎng)概念模型ISO/IECJTC1/WG10物聯(lián)網(wǎng)工作組6IEEE物聯(lián)網(wǎng)參考模型IEEEP2413物聯(lián)網(wǎng)工作組7ITU物聯(lián)網(wǎng)參考模型ITU-TSG20物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用8物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)參考模型OneM2M物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同聯(lián)盟9全局三維模型ISO/TC184自動(dòng)化系統(tǒng)與集成10智能制造標(biāo)準(zhǔn)路線圖框架法國(guó)國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)AIF11工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)IVRA日本工業(yè)價(jià)值鏈計(jì)劃IVI1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.4智能制造相關(guān)的現(xiàn)有參考模型1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.5智能制造相關(guān)的現(xiàn)有參考模型對(duì)比分析智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國(guó)工業(yè)4.02美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國(guó)制造202542、德國(guó)工業(yè)4.02.1德國(guó)工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0

“制造+互聯(lián)互通”的RAMI4.0（ReferenceArchitectureModelIndustrie4.0）模型是從產(chǎn)品生命周期與價(jià)值鏈、層級(jí)和企業(yè)架構(gòu)三個(gè)維度，分別對(duì)工業(yè)4.0進(jìn)行多角度描述的一個(gè)框架模型。它代表了德國(guó)對(duì)工業(yè)4.0所進(jìn)行的全局式的思考。有了這個(gè)模型，各個(gè)企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個(gè)體系中，尋找到自己的位置。2、德國(guó)工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個(gè)維度第一個(gè)維度是層級(jí)，構(gòu)建了面向工業(yè)制造智能化的6個(gè)功能層，對(duì)企業(yè)的虛擬資源進(jìn)行了劃分，各層具有相對(duì)獨(dú)立的功能，下層為上層提供接口，上層使用下層服務(wù)。具體包括資產(chǎn)、集成、通信、信息、功能、商業(yè)。2、德國(guó)工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個(gè)維度第二個(gè)維度是生命周期與價(jià)值鏈，劃分為原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)兩個(gè)階段，強(qiáng)調(diào)不同階段考慮的重點(diǎn)。原型設(shè)計(jì)階段指從初始設(shè)計(jì)到定型，還包括各種測(cè)試和驗(yàn)證；產(chǎn)品生產(chǎn)階段指產(chǎn)品的規(guī)模化、工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)4.0中，每個(gè)實(shí)物的產(chǎn)品就是原型的一個(gè)實(shí)例。2、德國(guó)工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個(gè)維度第三個(gè)維度是企業(yè)架構(gòu)，是在IEC62264企業(yè)系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上補(bǔ)充了產(chǎn)品的內(nèi)容，并由企業(yè)拓展至“互聯(lián)世界”，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對(duì)產(chǎn)品服務(wù)和企業(yè)協(xié)同的要求。2、德國(guó)工業(yè)4.02.3RAMI4.0的特征（1）基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)和歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定的智能電網(wǎng)架構(gòu)模型；（2）三個(gè)維度：層次結(jié)構(gòu)、生命周期和價(jià)值鏈、類別；（3）強(qiáng)調(diào)三個(gè)集成：企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化制造體系縱向集成、企業(yè)間橫向集成、全生命周期端到端工程數(shù)字化集成；（4）智能工廠是實(shí)現(xiàn)RAMI4.0的最小單元；（5）嵌入式智能：所有制造單元都是帶有本地軟件的嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)、所有制造單元都具有自組織的計(jì)算和通信功能、大量部署各類傳感元件實(shí)現(xiàn)信息的大量采集、自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造單元間的集成；（6）“智能”產(chǎn)品：產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽具有制造過程中各階段所必須的全部信息（標(biāo)識(shí)、位置、狀態(tài)、路線）；（7）“自治”制造系統(tǒng)：互聯(lián)制造單元的自組織（自組織生產(chǎn)）、制造步驟根據(jù)訂單情況靈活定制（自組織工藝）。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國(guó)工業(yè)4.02美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國(guó)制造202543、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的提出

2017年1月，美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC（IndustrialInternetConsortium）發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（IndustrialInternetReferenceArchitecture）V1.8。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中定義四個(gè)視圖，分別為：業(yè)務(wù)視圖、使用視圖、功能視圖和實(shí)施視圖。這四個(gè)視圖構(gòu)成了對(duì)IIoT（IndustrialInternetofThings，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）系統(tǒng)中每個(gè)視圖的關(guān)注點(diǎn)分析的基礎(chǔ)。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖業(yè)務(wù)視圖：如果將IIOT系統(tǒng)作為業(yè)務(wù)問題解決方案，必須對(duì)業(yè)務(wù)價(jià)值、預(yù)期投資回報(bào)率、維護(hù)成本和產(chǎn)品責(zé)任等面向業(yè)務(wù)的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖使用視圖：使用視圖解決系統(tǒng)使用過程中遇到的關(guān)注點(diǎn)，這些關(guān)注點(diǎn)的利益相關(guān)者一般包括系統(tǒng)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理和其他利益相關(guān)，例如參與定制IIoT系統(tǒng)規(guī)范的個(gè)人和在最終使用時(shí)代表用戶的人。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖功能視圖：功能視圖側(cè)重于IIoT系統(tǒng)中的功能性部分。這些關(guān)注點(diǎn)的利益相關(guān)者一般包括系統(tǒng)和組件構(gòu)架師、開發(fā)者和集成者。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖實(shí)施視圖：實(shí)施視圖涉及實(shí)施功能性組件、通訊規(guī)劃和生命周期過程的技術(shù)。涉及的利益相關(guān)者一般為系統(tǒng)和組件構(gòu)架師、開發(fā)者、合成者和系統(tǒng)操作員。3、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)說明

幾個(gè)視圖的排序反映了各視圖之間的一般互動(dòng)模式，一般來說，高層次視圖的決策能夠指導(dǎo)下級(jí)視圖并對(duì)其提出要求。另一方面，下層視圖中對(duì)關(guān)注點(diǎn)的思考能夠驗(yàn)證甚至修改上層視圖的分析和決策。架構(gòu)關(guān)注點(diǎn)不僅局限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，還需要在整個(gè)生命周期予以考慮和關(guān)注，參考架構(gòu)通過不同的視圖為IIoT系統(tǒng)生命周期流程的概念設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國(guó)工業(yè)4.02美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)