CPS在歐洲制造業(yè)中的地位展望

制造業(yè)是歐洲的重要資產(chǎn)，考慮到其對服務(wù)業(yè)的影響，制造業(yè)還是研究、創(chuàng)新、生產(chǎn)力、新增就業(yè)和出口的支柱。去工業(yè)化浪潮入侵歐洲，但是世界經(jīng)濟(jì)形勢和歐盟政策都揭示了扭轉(zhuǎn)這一趨勢的方式。

信息物理系統(tǒng)（CPS）將會在歐洲再工業(yè)化帶來的機(jī)會中起到關(guān)鍵的作用，尤其是考慮到歐盟生產(chǎn)了世界上30%的嵌入式系，特別是在高附加值行業(yè)如汽車、航空和醫(yī)療保健。這些技術(shù)正在促進(jìn)智能工廠和虛擬工廠的建立，并在垂直和水平兩個方向上加強供應(yīng)鏈和價值鏈。

歐洲制造業(yè)的相關(guān)性

工業(yè)在歐盟的經(jīng)濟(jì)中扮演著核心的角色，約占GDP的15%（美國是12%）。工業(yè)是研究、創(chuàng)新、生產(chǎn)力、創(chuàng)造就業(yè)和出口的主要動力。工業(yè)產(chǎn)生了歐盟80%的創(chuàng)新成果和75%的出口。如果把工業(yè)對服務(wù)業(yè)的影響也考慮進(jìn)去，工業(yè)可以說是歐洲社會經(jīng)濟(jì)的引擎。2016年4月14日，歐盟委員甘瑟?H?奧汀格在漢諾威工業(yè)博覽會上很明確的說道“工業(yè)是歐盟經(jīng)濟(jì)的核心支柱——歐盟制造業(yè)有200萬家公司并提供了3300萬個工作崗位。我們的挑戰(zhàn)在于確保所有的工業(yè)領(lǐng)域都能夠充分利用新技術(shù)并實現(xiàn)向高價值數(shù)字化產(chǎn)品與工藝的轉(zhuǎn)型，也就是工業(yè)4.0。當(dāng)前，工業(yè)制造占?xì)W盟GDP的15%，是出口的最主要來源，是研發(fā)投資的主要來源之一，也是其他領(lǐng)域就業(yè)的主要驅(qū)動力量。鑒于工業(yè)在經(jīng)濟(jì)增長和創(chuàng)造就業(yè)方面的巨大潛力，歐盟已經(jīng)定下了目標(biāo)，要提高工業(yè)對GDP的貢獻(xiàn)率，到2020年達(dá)到20%?！?/p>

另一方面，全球競爭和金融危機(jī)讓當(dāng)前的工業(yè)化和就業(yè)水平都面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因而定義策略、政策和措施需要真正思維方式的轉(zhuǎn)換。對此，奧汀格先生也提出了“要達(dá)到我們的目標(biāo)，我們需要快速應(yīng)對并且成為數(shù)字制造的先鋒?！?/p>

實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵已經(jīng)得到明確：

數(shù)字產(chǎn)品創(chuàng)新：在產(chǎn)品和人工制品中嵌入數(shù)字技術(shù)所帶來的機(jī)遇幾乎是無限的。

轉(zhuǎn)換過程——智能制造：數(shù)字創(chuàng)新影響產(chǎn)品的整個生命周期“從搖籃到墳?zāi)埂?。從產(chǎn)品設(shè)計、仿真工具到自動化和車間控制，以及從物流和供應(yīng)鏈管理到產(chǎn)品追蹤和回收利用。

使用數(shù)字技術(shù)會使得業(yè)務(wù)模式產(chǎn)生根本和顛覆式的改變，包括已經(jīng)成熟的行業(yè)，如汽車、照明或紡織。這些改變會影響我們處理業(yè)務(wù)的方式并在將來創(chuàng)造價值。

對新技術(shù)的采納，需要克服當(dāng)前不同工業(yè)領(lǐng)域、地區(qū)、大型公司和中小企業(yè)在數(shù)字化方面巨大的差距。

中小企業(yè)和中型企業(yè)是歐盟經(jīng)濟(jì)的支柱。歐盟不能在此次進(jìn)化過程中離開這些企業(yè)，并且需要采取特別的行動來確保它們的完整參與。

CPS在制造業(yè)的應(yīng)用

更短的產(chǎn)品生命周期、快速上市、產(chǎn)品復(fù)雜性、成本壓力以及國際競爭加劇等，為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)平行開發(fā)了新的信息通信技術(shù)和制造自動化系統(tǒng)。虛擬世界和實體世界以信息物理系統(tǒng)(CPS)的形式聚合，帶來了第四次工業(yè)革命的機(jī)遇。

歐洲天蝎座項目提議對信息物理系統(tǒng)進(jìn)行如下定義：

信息物理系統(tǒng)是自主協(xié)作實體，能夠像物理實體（嵌入式系統(tǒng)）一樣感知和行動，并能夠在全球網(wǎng)絡(luò)上通信、并通過計算機(jī)化的同伴（數(shù)字孿生）在網(wǎng)絡(luò)世界里計算以及存儲數(shù)據(jù)和信息。其主要特征如下：

?整體生命周期研究方法：在工作場所內(nèi)外探索信息物理系統(tǒng)，包括不同的實體在不同階段的遍布數(shù)據(jù)的存儲、組織和共享；

?生態(tài)系統(tǒng)研究方法源于系統(tǒng)間的完全互操作性，其基礎(chǔ)是共同愿景和標(biāo)準(zhǔn)以及挑戰(zhàn)刻板的標(biāo)準(zhǔn)化層次結(jié)構(gòu)的能力，目的是通過清晰明確的功能創(chuàng)造動態(tài)結(jié)構(gòu)；

?給顧客和經(jīng)營者提供新的增值服務(wù)，通過多種特別應(yīng)用組件的聚合，在利用、生產(chǎn)和設(shè)計過程中為公司、經(jīng)營者和顧客創(chuàng)造新價值。

為了和周圍環(huán)境進(jìn)行互動（即垂直和水平集成），信息物理系統(tǒng)嵌入了計算能力，能夠檢索并詳細(xì)闡述來自傳感器、信息系統(tǒng)、制造資源、產(chǎn)品和顧客等的實時信息。因此，利用如此大量的數(shù)據(jù)并結(jié)合新技術(shù)，如云計算和高性能計算，創(chuàng)新型公司現(xiàn)在能夠通過3D建模軟件對工廠內(nèi)的物理對象進(jìn)行虛擬化。在制造業(yè)中，這項實踐有幾個益處，比如，通過在視野中添加必要的信息，復(fù)雜任務(wù)如裝配和維修可以用簡化的方式執(zhí)行。例如，波音、寶馬和大眾正在整合這些新技術(shù)以改善裝配流程。

歐洲制造業(yè)中的CPS

信息物理系統(tǒng)在制造業(yè)的應(yīng)用有望大規(guī)模影響歐洲的工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會。歐洲側(cè)重于通過若干創(chuàng)新舉措和金融支持來對該領(lǐng)域進(jìn)行促進(jìn)和投資（例如第七框架，地平線2020，ARTEMIS，I4MS等項目）。然而，對這些技術(shù)的普遍采用需要定義和接受新的業(yè)務(wù)模式，這樣信息物理系統(tǒng)才能得到小企業(yè)和大企業(yè)的支持。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，有一些挑戰(zhàn)需要面對，大部分的挑戰(zhàn)并不是專業(yè)技術(shù)方面的，比如，我們已知的：隱私、安全、可靠性、屬格能力、人際互動、普遍性、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)健的互聯(lián)性和治理。天蝎座研究路線圖識別了這些因素并將它們命名為“環(huán)境因素”。相應(yīng)的，在工業(yè)中引入信息物理系統(tǒng)的根本要求已經(jīng)在天蝎座路線圖中得到明確：

?適應(yīng)多樣異構(gòu)的環(huán)境：集成最前沿的信息系統(tǒng)、智能設(shè)備以及現(xiàn)有環(huán)境（從老式的程序邏輯控制系統(tǒng)到嵌入計算能力的智能組件）。

?能夠在分布式網(wǎng)絡(luò)中工作：要以可靠的方式收集、傳輸并存儲所有由物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的信息。

?基于模塊化的開放式架構(gòu)：一定要確保在價值鏈上各供應(yīng)商提供的不同平臺間的互操作性。

?整合人類交互界面（基于硬件和軟件）：集成界面友好且可靠的服務(wù)，讓決策者能夠了解工廠的實時狀態(tài)。

?可擴(kuò)展性：不同的擴(kuò)展解決方案提供快速的配置重組。

?容錯：考慮到模型的封裝，激活預(yù)測控制回路和自動化系統(tǒng)糾正。

天蝎座愿景

天蝎座愿景表明了新的自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖如何反映產(chǎn)品-工廠生命周期的整體概念。信息物理系統(tǒng)的層級以及工業(yè)層級被作為整體視角的基礎(chǔ)。天蝎座愿景參考了企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)IEC62264作為參考架構(gòu)模型，而“信息物理系統(tǒng)層級”則是由國際通信學(xué)會的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)和工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型兩者的概念整合而成的。

在信息物理系統(tǒng)層級的頂端，從企業(yè)的角度來看，天蝎座愿景考慮了信息物理系統(tǒng)要進(jìn)行互動的不同的遺留系統(tǒng)。產(chǎn)品工廠生命周期視角需要包括生產(chǎn)之外的自動化和IT系統(tǒng)甚至工廠本身。

天蝎座愿景承認(rèn)信息物理系統(tǒng)的固有特質(zhì)，挑戰(zhàn)嚴(yán)格的層級結(jié)構(gòu)，因為每個信息物理系統(tǒng)都能夠跨所有層級實現(xiàn)復(fù)雜的功能，因而愿景采用了新的金字塔結(jié)構(gòu)圖的表示方法，領(lǐng)域?qū)蛹壷忻鞔_標(biāo)明信息物理系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能（因此和每個金字塔結(jié)構(gòu)圖層級都有聯(lián)系），但是分層的結(jié)構(gòu)得到了保留。單個的信息物理系統(tǒng)按照層級安排在信息物理系統(tǒng)的群組中，去實現(xiàn)特定的功能。信息物理系統(tǒng)的組件，只要是遵守互動標(biāo)準(zhǔn)，就可以由任意自動化供應(yīng)商供貨。

圖1：天蝎座——產(chǎn)品/工廠生命周期自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖

自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖（企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)ISA95）因此傾斜，是經(jīng)過拓展包括了所有一般自動化領(lǐng)域之外的IT系統(tǒng)，但是必須要用拓展的生命周期視角來進(jìn)行考慮。天蝎座協(xié)作金字塔結(jié)構(gòu)圖因而包含了由ISA95衍生出來的信息物理系統(tǒng)-自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖，和產(chǎn)品生命周期管理工具，覆蓋了產(chǎn)品和工廠的設(shè)計和工程階段，以及產(chǎn)品/服務(wù)的IT系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠開發(fā)并改進(jìn)服務(wù)以及拓展制造企業(yè)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。產(chǎn)品的生命末期管理系統(tǒng)以及工廠的虛擬停運系統(tǒng)也被包括在內(nèi)。

這個愿景因而把市場上的各種工具（產(chǎn)品生命周期管理，可編程邏輯控制器，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)，企業(yè)資源規(guī)劃）和正在發(fā)展的系統(tǒng)（產(chǎn)品/服務(wù)IT系統(tǒng)、生命末期管理系統(tǒng)、虛擬試運營/停運系統(tǒng)）連接在一起，其中的數(shù)據(jù)和信息可用于創(chuàng)建一個產(chǎn)品-服務(wù)為中心的閉環(huán)協(xié)作。

在產(chǎn)品軸線視角，虛擬產(chǎn)品/產(chǎn)品類型（設(shè)計和工藝）以及“事物”/物理實體都被考慮進(jìn)去了。此外，在工廠生命周期軸線，物理工廠和數(shù)字工廠都被考慮進(jìn)去了。這創(chuàng)造不同系統(tǒng)的整體圖示，考慮了連接制造企業(yè)領(lǐng)域所有利益相關(guān)方的數(shù)據(jù)和信息的流動。

在此愿景下，作為制造企業(yè)的IT使用者根據(jù)其角色和需求，擁有訪問所有可用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相應(yīng)權(quán)限，因而可以獲得深度的知識，這在當(dāng)下是不能實現(xiàn)的。當(dāng)前，制造業(yè)數(shù)據(jù)是分割的，詳盡組織在單一范圍內(nèi)，儲存在遺留系統(tǒng)中，或者叫做信息孤島，單獨（何處、如何）收集的數(shù)據(jù)，阻礙了“數(shù)據(jù)連續(xù)性”，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)使用的最優(yōu)化。信息物理系統(tǒng)為所有產(chǎn)品/工廠生命周期階段創(chuàng)造了共享的基礎(chǔ)，能夠提供所需要的物理世界的信息，同時，信息物理合作環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)高效的分析、管理、共享以及對相關(guān)數(shù)據(jù)、知識和相關(guān)人群經(jīng)驗的利用。

圖2：天蝎座愿景截面圖

為了更清晰地闡明這個愿景，我們通過分析把它分為兩個“截面”，工廠截面和產(chǎn)品截面，這兩個截面的圖解讓我們能夠深入了解產(chǎn)品/工廠生命周期的不同方面和意義，以及相關(guān)的信息和自動化系統(tǒng)。

所有的金字塔結(jié)構(gòu)圖都是基于信息物理系統(tǒng)層級的，在生命周期的各個階段，要把這些層級考慮成盡可能的統(tǒng)一層。在制造產(chǎn)品并產(chǎn)生實例的過程中，各個層級都得到充分利用，并在設(shè)計和工程階段得到體現(xiàn)，因為潛在信息物理系統(tǒng)的功能可用于反饋回路。

圖3：天蝎座愿景——產(chǎn)品截面

產(chǎn)品截面展示了在產(chǎn)品生命周期的不同階段設(shè)計的不同系統(tǒng)和子系統(tǒng)。它始于產(chǎn)品的設(shè)計和工藝，在這個階段需要使用數(shù)字樣機(jī)，在PLM產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)內(nèi)存儲并管理全部產(chǎn)品類型相關(guān)信息。確認(rèn)生命周期數(shù)據(jù)閉合回路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息，也是非常重要的，產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用和維護(hù)、再制造與回收利用都能產(chǎn)生反饋。設(shè)計和工藝系統(tǒng)因此助長新的自動化金字塔，并通過信息物理系統(tǒng)采用得到改進(jìn)。在生產(chǎn)階段，受到工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型的啟發(fā)，盡管信息物理系統(tǒng)藐視嚴(yán)格的層級結(jié)構(gòu)，它還是與工業(yè)層級合并在一起考慮，因為邏輯方面的層級結(jié)構(gòu)能夠反映功能和運行的特征。同樣重要的是工業(yè)層級與自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系。金字塔結(jié)構(gòu)圖的頂部代表了現(xiàn)存的遺留系統(tǒng)，哪怕是在信息物理系統(tǒng)所支持的更多分布式的環(huán)境中，其功能也將會繼續(xù)存在。一旦產(chǎn)品成型并且以項目/物品存在，信息物理系統(tǒng)的層級將會被充分利用，不僅僅用于生產(chǎn)和物流，也用于產(chǎn)品生命周期的使用階段。在這個階段，產(chǎn)品將會被使用和維護(hù)?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的新系統(tǒng)，能夠為制造企業(yè)提供基于新的產(chǎn)品和服務(wù)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)利潤最大化和可持續(xù)發(fā)展，以及提高客戶滿意度5。通過產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)（PSS），在產(chǎn)品使用和維護(hù)過程中所獲得的信息和數(shù)據(jù)將用于產(chǎn)品生命周期的最終階段。在產(chǎn)品生命末期階段，信息物理系統(tǒng)能提供額外的服務(wù)和新的可能性，因為它能夠提供信息，描述每件產(chǎn)品包含的材料（以及如何回收），產(chǎn)品如何使用以及再制造和重用的可能性。這些數(shù)據(jù)可以通過廢品管理層級更加高效的管理項目，它可以暗示對一個訂單偏愛減少以及管理損耗。

圖4：天蝎座愿景——工廠截面

現(xiàn)在要把工廠截面考慮進(jìn)去，信息物理系統(tǒng)的層級在邏輯上并且深度的與工業(yè)層級結(jié)合，共同構(gòu)成這一分支的基礎(chǔ)，與工廠/資產(chǎn)生命周期一樣，按照企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)IEC62264的建議進(jìn)行構(gòu)架。工廠/資產(chǎn)的生命周期始于設(shè)計和工藝，而構(gòu)建/啟動生命周期把概念變成現(xiàn)實和物理存在。這些階段由PLM產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)、仿真和虛擬調(diào)試系統(tǒng)管理，支持工廠的定義、開發(fā)、安裝以及實現(xiàn)工廠優(yōu)化。生產(chǎn)是這兩個生命周期與CPS信息物理系統(tǒng)的交集，如新的自動化金字塔結(jié)構(gòu)圖所示，由遺留系統(tǒng)組織和支持的信息物理系統(tǒng)對這一復(fù)雜事件進(jìn)行管理。接下來是“生命末期階段”，需要進(jìn)行遞歸的思考，因為現(xiàn)有的工廠和資產(chǎn)在漫長的生命周期中會經(jīng)常修改。這些修改基于來自生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行改進(jìn)，并根據(jù)需要進(jìn)行干預(yù)。越來越多的工廠建在棕色地帶（指城中舊房被清除后可蓋新房的區(qū)域），以充分利用現(xiàn)有的建筑、基礎(chǔ)設(shè)施和通常資產(chǎn)，因此對于工廠翻修和重新運營，利用數(shù)據(jù)的相關(guān)性會促進(jìn)專業(yè)的方法體系的產(chǎn)生來支持這些階段。最后，如果要拆除工廠和資產(chǎn)，要考慮所使用材料的價值，越來越多的關(guān)注退役停運和回收利用。專門的體系和方法將會充分利用信息物理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，提供可持續(xù)的優(yōu)化，并同時兼顧到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩個方面。

結(jié)論和展望

與信息物理系統(tǒng)在制造業(yè)應(yīng)用相關(guān)的整體愿景需要若干年的時間來實現(xiàn)，但是該愿景將徹底變革目前工程自動化的概念，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的層級體系，讓每個信息物理系統(tǒng)都能夠具備復(fù)雜且跨層級的功能。這將促進(jìn)數(shù)據(jù)和信息得到更好的應(yīng)用，以及使用更加自主的系統(tǒng)來進(jìn)行自處理并與遺留系統(tǒng)進(jìn)行互通，為創(chuàng)造效率和開發(fā)新商業(yè)模型提供新的可能性。要實現(xiàn)這些優(yōu)勢，需要具備生態(tài)系統(tǒng)觀點，并由此制訂并展示出一個共享且相容的愿景，幫助人和組織獲得協(xié)同效應(yīng)以及找到潛在的改進(jìn)領(lǐng)域。