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朱铎先:赛博物理系统:智能制造“炼金术”
2015-12-01    来源:    发布者:
工业4.0作为德国的新工业战略,深刻地体现了在互联网革命浪潮催迫下,一个老牌制造强国对于如何加快智能转型并重振辉煌的新认识。

 德国工业4.0的战略指向,就是智能制造。

 如果把德国这一新工业战略视作重新铸就德国工业战车的“大熔炉”,那么,最具点石成金魔力的智能化技术就是CPS(赛博物理系统)。

 赛博物理系统理论是核心

 众所周知,德国具有雄厚的工业基础与全球领先的制造业,在机床、汽车等行业占据绝对的领先优势,另外在嵌入式计算机技术、工业软件等,均处于全球领导者的位置,这是德国实施其所谓第四次工业革命(并非全球共识)的技术基础。德国人希望通过将嵌入式计算机技术、工业软件、自动化设备等优势技术攥成拳头,形成以CPS为代表的工业4.0战略核心,引领全球制造业发展,并将带领德国重振辉煌。

 CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical Systems)的缩写,这是工业4.0的核心。目前,国内学界很多人将CPS翻译成信息物理系统,严格来说,这是不准确甚至是误导的。CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。

 目前,已有不少人提出,Cyber源于维纳的《控制论》“Cybernetics”。在钱学森的《工程控制论》英文版中,将“Cybernetics”明确为“机械和电机系统的控制和导航科学”,并把伺服机构和经典控制等“工程实践”升华为“工程科学”,这使得《工程控制论》在某种意义上成为了现代控制科学的代名词。其实,根据我们的考证,维纳的思想还有源头。早在1834年,著名的法国物理学家安培在对科学进行分类时(见《论科学的哲学》),就把管理国家的科学称为“控制论”Cybernetique,意即“国务管理(Civil Government)”或社会控制,这导致了后来的社会控制论。

 为了真切地了解CPS技术沿革史,本文两位作者还与美国工业4.0权威、辛辛那提大学教授李杰等中外名家开展面对面学术交流。据介绍,CPS技术起源于美国国防部高级研究项目局(DARPA)上世纪60年代的一个项目,甚至比INTERNET还要早,其发展一直与互联网技术相平行。在1991年的海湾战争中,号称空中机器人的现代军用无人飞行器(UAV)要实现对地精确制导攻击,需要大量的CPS技术作为支持,CPS开始规模化应用。其后,美国国家科学基金会(NSF)一直在主导着CPS研究。然而,将CPS的重要性上升到新一波工业革命核心的,却不是美国人,而是德国人。

 工业4.0北京研究会组织的多学科研究人员之所以围绕CPS的概念与技术来源作深入考察,就是为了探求这个最热门科学名词的本来面目。考察发现,Cyber原本是独立于信息科学之外的控制科学的范畴。随着新一代信息技术出现融合化趋势,将CPS视为一种广义的信息技术亦无不可。但必须指出,Cyber的外延与内涵远非信息二字所能指代。从学科看,CPS系统是一个包含无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等科学在内的系统工程。从功能看,Cyber使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。因此,承认Cyber技术与普通信息技术有别,对于推动其基础学科发展和产业创新实践都有重要的指导意义。当前,在两化深度融合、工业4.0、智能科技等领域一批非常活跃的知名专家学者,均建议在面向大众宣传CPS时不妨称之为信息物理系统,在专业领域内部,将其称为赛博物理系统则更为准确。我们也赞同此论。

 智能工厂与智能生产是两翼

 德国工业4.0之所以如此推崇CPS技术,既是技术发展的需要,也是为了基于自身优势打造新一代技术堡垒。CPS对德国工业4.0战略来说,具有攻防兼备的作用。事实上,美国、日本等制造强国,早在多年前就对CPS给予了关注,但只有德国才将CPS推到新工业革命的核心位置。为确保整个战略的主动,德国在自己优势领域设置了两个制高点,也即“工业4.0”的两大主题:一是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

 智能生产是涉及整个企业包括生产物流管理等宏观运营的层面,也就是我国业界所说的智能化工厂。而智能工厂是工业4.0的首要主题,也就是中国工业界语境里的智能化车间。前述所谓“智能化生产系统及过程”,既包括智能化的机床、机器人等生产设施,也包括对生产过程的智能管控,转换成中国信息化术语,即智能化的MES制造执行系统。而所谓“网络分布式生产设施的实现”,是指将生产所用的生产设施(如机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试等各种数字化设备),进行互联互通以及智能化的管理,实现信息技术与物理系统的深度融合,目前很多企业实施的设备联网与数据采集系统是其重要基础(在离散制造行业,叫DNC/MDC系统,在流程制造行业叫SCADA)。

 从技术角度来看,德国在智能制造的装备、过程管理、技术应用等方面,在全球范围内都占据绝对的领先位置,这种战略布局对德国而言,无疑是具有很大的先天优势。

 三大集成创新中德各有擅长

 德国人在工业4.0中提出来三大集成:纵向集成、端对端集成、横向集成。

 纵向集成 是将企业内不同的IT系统、生产设施(以数控机床、机器人等数字化生产设备为主)进行全面的集成,目的是建立一个高度集成化的系统,为将来智能工厂中网络化制造、个性化定制、数字化生产提供支撑。

 纵向集成是企业实现智能制造的基础,通过信息技术与生产设备深度融合,是CPS在企业中的具体应用。而这方面,德国企业早在多年前就进行了精心的布局。2007年4月,西门子公司以35亿美元并购美国UGS公司,将后者全球领先的CAD/CAM/PLM纳入囊中,2014年又并购美国知名MES厂商Camstar公司, 至此,西门子形成研发、管理、生产、设备、控制器等软硬件系统全面的集成,在全球范围内实现了最强的纵向集成。作为工业4.0的另一重要推手,SAP公司也在2008年完成对MES厂商Visiprise的并购,打通了企业资源管理与生产管理的鸿沟,实现了上游信息化系统的纵向集成。

 可以说,基于自身雄厚的嵌入式技术、工业软件等优势,再加上提早的布局,德国在纵向集成方面已经具有绝对的领先优势。

 端对端集成 是通过产品的研发、生产、服务等产品全生命周期的工程活动,实现围绕产品的企业间的集成与合作。德国绝大部分企业是家族型的中小企业,具有很强的技术与质量优势,但规模小,难以参与全球竞争。但是如果通过端到端集成,打造紧密产业链、生态圈,就可以应对中国大规模传统生产模式的冲击。

 反观中国,在产品研发、管理、生产、控制系统、嵌入式技术等方面与德国有很大的差距,必须承认,很难在纵向集成层面与德国竞争。但笔者认为,端到端集成或许是中国制造企业的一个突破口。相信在中国成熟的工业化体系的基础上,在如火如荼的“互联网 ”战略推动下,中国企业在端对端集成方面将走在世界前列,引领智能制造在社会化层面实现突破。

 我们注意到,近期国家在出台中国制造2025之后又大规模推动“互联网 ”战略,这将极大地集成我国坐拥世界最完备工业体系和第二强的互联网应用体系的优势,促进中国企业运用互联网思维实现端对端的合作。比如海尔的互联工厂,通过互联网,让用户和生产线实现直接对话,用户的个性化需求可以在第一时间反馈到生产线,满足用户最佳体验,体现出个性化、网络化、柔性化、智能化的智能制造。中国还有很多的互联网公司,如乐视、小米、360等,均以全新的互联网思维,颠覆着传统的生产管理模式,以产品全生命周期为主线,实现社会化的协作,已经走在了端对端的前列。

 横向集成 是以供应链为主线,通过企业间的三流合一(物流、能源流、信息流),实现一种社会化协同生产。由于各企业间基础不同、软硬件系统不同、标准不同,实现这些企业之间横向集成的难度是非常大的。因此,德国在工业4.0的八项行动计划中,第一项就是标准问题,但这注定是一个时间漫长、工作量巨大的工程。

 通过 “透视智能化转型”栏目第一篇和本篇的分析,我们可以很清楚地看到,德国为规避全球大规模生产竞争的被动,以及基于人力资源匮乏、老龄化严重、中小企业众多的现状,扬长补短,充分发挥自身优势,制订了风靡全球的工业4.0战略,该战略以CPS(赛博物理系统)为凌厉的箭头,以智能工厂与智能生产为两翼,以三项集成为助推器,在自动化、数字化、网络化、智能化的基础上,通过社会化协作的模式,实现个性化、柔性化、高效化、社会化的智能制造。

 可以说,德国以CPS为核心的智能制造战略,与“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向”的中国制造2025完全是不谋而合、异曲同工的。二者相同的地方,就是实现信息技术和先进制造业的结合,或者用互联网 先进制造业的结合,带动整个新一轮制造业发展。

 如果说CPS是德国射向智能制造的利箭,经过跨界专家的学术研究和对产业创新前沿的深度交流,我们认为CPS也理应是中国制造业转型升级、走向智能的强劲引擎。

 (摘自2015-07-13 《人民邮电报》)

作者:朱铎先 胡虎

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