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    CPS在欧洲制造业中的地位展望

    发布时间:2018-02-24    来源:中国两化融合服务平台

    制造业是欧洲的重要资产,考虑到其对服务业的影响,制造业还是研究、创新、生产力、新增就业和出口的支柱。去工业化浪潮入侵欧洲,但是世界经济形势和欧盟政策都揭示了扭转这一趋势的方式。


    信息物理系统(CPS)将会在欧洲再工业化带来的机会中起到关键的作用,尤其是考虑到欧盟生产了世界上30%的嵌入式系,特别是在高附加值行业如汽车、航空和医疗保健。这些技术正在促进智能工厂和虚拟工厂的建立,并在垂直和水平两个方向上加强供应链和价值链。


    欧洲制造业的相关性

    工业在欧盟的经济中扮演着核心的角色,约占GDP的15%(美国是12%)。工业是研究、创新、生产力、创造就业和出口的主要动力。工业产生了欧盟80%的创新成果和75%的出口。如果把工业对服务业的影响也考虑进去,工业可以说是欧洲社会经济的引擎。2016年4月14日,欧盟委员甘瑟?H?奥汀格在汉诺威工业博览会上很明确的说道“工业是欧盟经济的核心支柱——欧盟制造业有200万家公司并提供了3300万个工作岗位。我们的挑战在于确保所有的工业领域都能够充分利用新技术并实现向高价值数字化产品与工艺的转型,也就是工业4.0。当前,工业制造占欧盟GDP的15%,是出口的最主要来源,是研发投资的主要来源之一,也是其他领域就业的主要驱动力量。鉴于工业在经济增长和创造就业方面的巨大潜力,欧盟已经定下了目标,要提高工业对GDP的贡献率,到2020年达到20%。”


    另一方面,全球竞争和金融危机让当前的工业化和就业水平都面临严重挑战,因而定义策略、政策和措施需要真正思维方式的转换。对此,奥汀格先生也提出了“要达到我们的目标,我们需要快速应对并且成为数字制造的先锋。”


    实现这一目标的关键已经得到明确:

    数字产品创新:在产品和人工制品中嵌入数字技术所带来的机遇几乎是无限的。

    转换过程——智能制造:数字创新影响产品的整个生命周期“从摇篮到坟墓”。从产品设计、仿真工具到自动化和车间控制,以及从物流和供应链管理到产品追踪和回收利用。

    使用数字技术会使得业务模式产生根本和颠覆式的改变,包括已经成熟的行业,如汽车、照明或纺织。这些改变会影响我们处理业务的方式并在将来创造价值。


    对新技术的采纳,需要克服当前不同工业领域、地区、大型公司和中小企业在数字化方面巨大的差距。


    中小企业和中型企业是欧盟经济的支柱。欧盟不能在此次进化过程中离开这些企业,并且需要采取特别的行动来确保它们的完整参与。

    CPS在制造业的应用

    更短的产品生命周期、快速上市、产品复杂性、成本压力以及国际竞争加剧等,为了应对这些挑战,制造企业和研究机构平行开发了新的信息通信技术和制造自动化系统。虚拟世界和实体世界以信息物理系统(CPS)的形式聚合,带来了第四次工业革命的机遇。


    欧洲天蝎座项目提议对信息物理系统进行如下定义:

    信息物理系统是自主协作实体,能够像物理实体(嵌入式系统)一样感知和行动,并能够在全球网络上通信、并通过计算机化的同伴(数字孪生)在网络世界里计算以及存储数据和信息。其主要特征如下:


    ?整体生命周期研究方法:在工作场所内外探索信息物理系统,包括不同的实体在不同阶段的遍布数据的存储、组织和共享;


    ?生态系统研究方法源于系统间的完全互操作性,其基础是共同愿景和标准以及挑战刻板的标准化层次结构的能力,目的是通过清晰明确的功能创造动态结构;


    ?给顾客和经营者提供新的增值服务,通过多种特别应用组件的聚合,在利用、生产和设计过程中为公司、经营者和顾客创造新价值。


    为了和周围环境进行互动(即垂直和水平集成),信息物理系统嵌入了计算能力,能够检索并详细阐述来自传感器、信息系统、制造资源、产品和顾客等的实时信息。因此,利用如此大量的数据并结合新技术,如云计算和高性能计算,创新型公司现在能够通过3D建模软件对工厂内的物理对象进行虚拟化。在制造业中,这项实践有几个益处,比如,通过在视野中添加必要的信息,复杂任务如装配和维修可以用简化的方式执行。例如,波音、宝马和大众正在整合这些新技术以改善装配流程。


    欧洲制造业中的CPS

    信息物理系统在制造业的应用有望大规模影响欧洲的工业、经济和社会。欧洲侧重于通过若干创新举措和金融支持来对该领域进行促进和投资(例如第七框架,地平线2020,ARTEMIS,I4MS等项目)。然而,对这些技术的普遍采用需要定义和接受新的业务模式,这样信息物理系统才能得到小企业和大企业的支持。要实现这一目标,有一些挑战需要面对,大部分的挑战并不是专业技术方面的,比如,我们已知的:隐私、安全、可靠性、属格能力、人际互动、普遍性、标准化、稳健的互联性和治理。天蝎座研究路线图识别了这些因素并将它们命名为“环境因素”。相应的,在工业中引入信息物理系统的根本要求已经在天蝎座路线图中得到明确:


    ?适应多样异构的环境:集成最前沿的信息系统、智能设备以及现有环境(从老式的程序逻辑控制系统到嵌入计算能力的智能组件)。


    ?能够在分布式网络中工作:要以可靠的方式收集、传输并存储所有由物联网的智能传感器和执行机构提供的信息。


    ?基于模块化的开放式架构:一定要确保在价值链上各供应商提供的不同平台间的互操作性。


    ?整合人类交互界面(基于硬件和软件):集成界面友好且可靠的服务,让决策者能够了解工厂的实时状态。


    ?可扩展性:不同的扩展解决方案提供快速的配置重组。


    ?容错:考虑到模型的封装,激活预测控制回路和自动化系统纠正。


    天蝎座愿景

    天蝎座愿景表明了新的自动化金字塔结构图如何反映产品-工厂生命周期的整体概念。信息物理系统的层级以及工业层级被作为整体视角的基础。天蝎座愿景参考了企业控制系统集成标准IEC62264作为参考架构模型,而“信息物理系统层级”则是由国际通信学会的工业互联网参考架构和工业4.0参考架构模型两者的概念整合而成的。


    在信息物理系统层级的顶端,从企业的角度来看,天蝎座愿景考虑了信息物理系统要进行互动的不同的遗留系统。产品工厂生命周期视角需要包括生产之外的自动化和IT系统甚至工厂本身。


    天蝎座愿景承认信息物理系统的固有特质,挑战严格的层级结构,因为每个信息物理系统都能够跨所有层级实现复杂的功能,因而愿景采用了新的金字塔结构图的表示方法,领域层级中明确标明信息物理系统能实现的功能(因此和每个金字塔结构图层级都有联系),但是分层的结构得到了保留。单个的信息物理系统按照层级安排在信息物理系统的群组中,去实现特定的功能。信息物理系统的组件,只要是遵守互动标准,就可以由任意自动化供应商供货。

    图1:天蝎座——产品/工厂生命周期自动化金字塔结构图


    自动化金字塔结构图(企业系统与控制系统集成国际标准ISA95)因此倾斜,是经过拓展包括了所有一般自动化领域之外的IT系统,但是必须要用拓展的生命周期视角来进行考虑。天蝎座协作金字塔结构图因而包含了由ISA95衍生出来的信息物理系统-自动化金字塔结构图,和产品生命周期管理工具,覆盖了产品和工厂的设计和工程阶段,以及产品/服务的IT系统,该系统能够开发并改进服务以及拓展制造企业的业务领域。产品的生命末期管理系统以及工厂的虚拟停运系统也被包括在内。


    这个愿景因而把市场上的各种工具(产品生命周期管理,可编程逻辑控制器,数据采集与监视控制系统,制造企业生产过程执行管理系统,企业资源规划)和正在发展的系统(产品/服务IT系统、生命末期管理系统、虚拟试运营/停运系统)连接在一起,其中的数据和信息可用于创建一个产品-服务为中心的闭环协作。


    在产品轴线视角,虚拟产品/产品类型(设计和工艺)以及“事物”/物理实体都被考虑进去了。此外,在工厂生命周期轴线,物理工厂和数字工厂都被考虑进去了。这创造不同系统的整体图示,考虑了连接制造企业领域所有利益相关方的数据和信息的流动。


    在此愿景下,作为制造企业的IT使用者根据其角色和需求,拥有访问所有可用系统数据的相应权限,因而可以获得深度的知识,这在当下是不能实现的。当前,制造业数据是分割的,详尽组织在单一范围内,储存在遗留系统中,或者叫做信息孤岛,单独(何处、如何)收集的数据,阻碍了“数据连续性”,无法实现数据使用的最优化。信息物理系统为所有产品/工厂生命周期阶段创造了共享的基础,能够提供所需要的物理世界的信息,同时,信息物理合作环境能够实现高效的分析、管理、共享以及对相关数据、知识和相关人群经验的利用。

    图2:天蝎座愿景截面图


    为了更清晰地阐明这个愿景,我们通过分析把它分为两个“截面”,工厂截面和产品截面,这两个截面的图解让我们能够深入了解产品/工厂生命周期的不同方面和意义,以及相关的信息和自动化系统。


    所有的金字塔结构图都是基于信息物理系统层级的,在生命周期的各个阶段,要把这些层级考虑成尽可能的统一层。在制造产品并产生实例的过程中,各个层级都得到充分利用,并在设计和工程阶段得到体现,因为潜在信息物理系统的功能可用于反馈回路。

    图3:天蝎座愿景——产品截面


    产品截面展示了在产品生命周期的不同阶段设计的不同系统和子系统。它始于产品的设计和工艺,在这个阶段需要使用数字样机,在PLM产品生命周期管理系统内存储并管理全部产品类型相关信息。确认生命周期数据闭合回路产生的数据和信息,也是非常重要的,产品的生产、使用和维护、再制造与回收利用都能产生反馈。设计和工艺系统因此助长新的自动化金字塔,并通过信息物理系统采用得到改进。在生产阶段,受到工业4.0参考架构模型的启发,尽管信息物理系统藐视严格的层级结构,它还是与工业层级合并在一起考虑,因为逻辑方面的层级结构能够反映功能和运行的特征。同样重要的是工业层级与自动化金字塔结构图的逻辑结构关系。金字塔结构图的顶部代表了现存的遗留系统,哪怕是在信息物理系统所支持的更多分布式的环境中,其功能也将会继续存在。一旦产品成型并且以项目/物品存在,信息物理系统的层级将会被充分利用,不仅仅用于生产和物流,也用于产品生命周期的使用阶段。在这个阶段,产品将会被使用和维护。基于信息物理系统和物联网的新系统,能够为制造企业提供基于新的产品和服务的基础,实现利润最大化和可持续发展,以及提高客户满意度5。通过产品服务系统(PSS),在产品使用和维护过程中所获得的信息和数据将用于产品生命周期的最终阶段。在产品生命末期阶段,信息物理系统能提供额外的服务和新的可能性,因为它能够提供信息,描述每件产品包含的材料(以及如何回收),产品如何使用以及再制造和重用的可能性。这些数据可以通过废品管理层级更加高效的管理项目,它可以暗示对一个订单偏爱减少以及管理损耗。

    图4:天蝎座愿景——工厂截面


    现在要把工厂截面考虑进去,信息物理系统的层级在逻辑上并且深度的与工业层级结合,共同构成这一分支的基础,与工厂/资产生命周期一样,按照企业控制系统集成标准IEC62264的建议进行构架。工厂/资产的生命周期始于设计和工艺,而构建/启动生命周期把概念变成现实和物理存在。这些阶段由PLM产品生命周期管理系统、仿真和虚拟调试系统管理,支持工厂的定义、开发、安装以及实现工厂优化。生产是这两个生命周期与CPS信息物理系统的交集,如新的自动化金字塔结构图所示,由遗留系统组织和支持的信息物理系统对这一复杂事件进行管理。接下来是“生命末期阶段”,需要进行递归的思考,因为现有的工厂和资产在漫长的生命周期中会经常修改。这些修改基于来自生产的数据,所以需要进行改进,并根据需要进行干预。越来越多的工厂建在棕色地带(指城中旧房被清除后可盖新房的区域),以充分利用现有的建筑、基础设施和通常资产,因此对于工厂翻修和重新运营,利用数据的相关性会促进专业的方法体系的产生来支持这些阶段。最后,如果要拆除工厂和资产,要考虑所使用材料的价值,越来越多的关注退役停运和回收利用。专门的体系和方法将会充分利用信息物理系统提供的数据,提供可持续的优化,并同时兼顾到经济和环境两个方面。


    结论和展望

    与信息物理系统在制造业应用相关的整体愿景需要若干年的时间来实现,但是该愿景将彻底变革目前工程自动化的概念,挑战传统的层级体系,让每个信息物理系统都能够具备复杂且跨层级的功能。这将促进数据和信息得到更好的应用,以及使用更加自主的系统来进行自处理并与遗留系统进行互通,为创造效率和开发新商业模型提供新的可能性。要实现这些优势,需要具备生态系统观点,并由此制订并展示出一个共享且相容的愿景,帮助人和组织获得协同效应以及找到潜在的改进领域。

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