触探CPS

　　长期以来，信息化和工业化深度融合的理念早已深入人心。同时，传统制造企业应用信息技术进行内部流程的变革和重塑也早已在行业内形成共识。MES、ERP、CRM、PLM等一系列系统软件的应用和实践，使得企业无论是在信息化程度，还是在竞争能力上都得到了明显提升。如今，随着《中国制造2025》发展战略的提出，以及智能制造规划的实施，使得传统制造企业正面临着新一轮转型升级的压力和契机。此时，以CPS为主要应用技术的智能化生产成为了企业能否成功转型的关键节点。

　　CPS（信息物理系统又名赛博物理系统），从概念上讲是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统。其中，计算、通信和控制是CPS必不可少的关键要素，而三者之间的深度融合是CPS正常运行的必要保障。

　　继美国的“工业互联网”，以及德国的“工业4.0”之后，中国提出了《中国制造2025》发展战略，并以此为基础提出了智能制造实施规划。在此背景下，原有的数字化、自动化的生产模式开始向智能化转变。而智能化场景实现的基础就在于CPS理论和技术的快速发展。

　　“可以说，在世界范围内掀起的新一轮工业革命中CPS已成为最前沿的交叉研究领域之一，是未来智能工厂、智能家居、智能电网、智能汽车、智能医疗、智慧农业、智慧城市等实现的基础。”中国软件评测中心主任助理、曾晋博士在接受《中国信息化周报》记者采访时如此说道。

　　通过设备的互联互通、基于大数据分析的决策支持、可视化展现、生产过程的管理与控制，建设智能工厂，是中国制造企业实现两化深度融合和智能制造的突破口与落脚点。

　　作为在智能化转型过程中的关键支点，CPS的应用领域和范围都是极其广泛的。无论是在航空航天、石油石化、电力、水资源调度与污水处理，还是在先进制造、环境监测与灾害控制、远程医疗和辅助生活以及城市管理等方面，CPS都将发挥重要作用。高效协同、互联互通、节能、环保、安全可靠以及虚实结合等特点使得CPS的应用前景十分广阔。

　　关于CPS，数字化领域专家朱铎先提到，美国、德国以及中国，各自的国家战略有一个共同的聚焦点，那就是基于CPS的智能工厂。

　　他表示，将不同接口、不同控制系统、不同通信协议的数控设备连接成一个网络，由一台计算机实现对所有数据机床的网络分布式集中管理，包括程序集中管理、程序网络传输、程序虚拟制造检查等，并实现设备状态的实时采集与监控，实现网络分布式的生产管理模式，是智能工厂的核心，也是CPS概念的最佳体现。

　　智能感知 实现人机“沟通”

　　“工业4.0”自出现以后已经鼓噪一时。然而，除了德国，这种现象在中国表现得尤为明显。究其原因，是因为中国将“工业4.0”当成了助推经济转型的一剂良药，并想从中觅得先进的技术和理念，从而为中国的经济转型找寻出路。

　　如今，“工业4.0”已上升为德国的国家级战略。而对于“工业4.0”，德国人将其定义为“以CPS系统为基础的智能化生产”。对于CPS系统，中国科学院院士何积丰认为，CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，从而使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。而这五大功能最终要实现的就是产品生产过程中的实时感知、动态控制和信息服务。综合来说，也就是我们眼中的智能化生产。

　　按照德国工业4.0体系设想，智能产品将集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息。在这样的情况下，智能产品具有三个方面的特征：智能产品是信息的载体，智能产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息；智能产品是一个AGENT（代理），将会影响其所在环境；智能产品具有自我监测能力，产品会对其自身状态和环境进行监测。

　　现在，众多相关的国内专家、学者在谈到“工业4.0”的时候，无不提到德国西门子安贝格工厂。可以说，安贝格工厂已成了德国工业发展的一个缩影和最好代表，并被誉为德国“工业4.0”的模范工厂。

　　在安贝格工厂的产品生产过程中，无论是元件、半成品还是待交付的产品，均有各自编码，在电路板安装上生产线之后，可全程自动确定每道工序；生产的每个流程，包括焊接、装配或物流包装等，一切过程数据也都记录在案可供追溯。更重要的是，在一条流水线上，可通过预先设置控制程序，自动装配不同元件，流水生产出各具特性的产品。

　　由于“产品”与“机器”实现了“沟通”，整个生产过程都为实现IT控制进行了优化，生产效率因此大大提高：只有不到四分之一的工作量需要人工处理，主要是数据检测和记录；工厂每年生产元件30亿个，每秒钟可生产出一个产品，产能较数字化前提高了8倍，而由于对所有元件及工序进行实时监测和处理，工厂可做到24小时内为客户供货。此外，由于实时监测并挖掘分析质量数据，次品率大大降低。

　　从生产、装配、物流到数据追溯、分析、监测以及控制，整个安贝格工厂的生产过程充分应用了CPS技术。基于CPS在智能工厂应用当中的重要作用，是不是可以理解为CPS可以应用到所有的场景当中，或是智能工厂的解决方案就是CPS的解决方案？其实不然。两种理解都存在问题，前者忽视了智能工厂当中还有其他非CPS系统的存在，后者则缩小了CPS可以帮助制造企业解决问题的范围。

　　在一个基于CPS的智能工厂当中，CPS虽然是智能工厂应用的主要技术，但在CPS之外，还有诸如MES、CAD、ERP以及PLM等应用系统，从严格意义上讲，这些系统并不属于CPS的一部分，而是较为独立的一些系统体系。

　　另外，在“工业4.0”体系中，传统的工厂将因为应用CPS等技术，成为智能工厂。这样一来将促使工厂内的生产力大大提升，生产的柔性也将显著提高，一条生产线可以实现更多的产品型号的生产，从而最终实现大规模个性化生产的目的。

　　不过，在制造企业的研发、制造、运营和营销等多个环节中，CPS仍然大有所为，例如，CPS还可以利用到供应链的管理中，通过原材料工厂的CPS应用，并跟工厂的CPS系统连接起来，可以实现网络化CPS系统，这就为智能产品的出现奠定了基础。

　　未来，在基于CPS的生产制造过程中，生产资料在进入生产体系之前就被赋予了CPS能力，它是一个具有智能的生产资料，会进行自我描述，可以跟同样赋予了CPS能力的生产线进行对话，生产线可以根据对话的结果，智能化地安排相关生产制造计划。

　　以虚控实 传统企业变身“智慧”工厂

　　在对德国工业4.0体系进行充分的学习和研究之后，中国根据自身实际适时提出了《中国制造2025》发展战略。该战略明确提出要依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间，并在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。同时，针对智能制造规划，工业和信息化部启动实施了“智能制造试点示范专项行动”，并在传统制造业的多个行业和领域设定了46个智能制造试点项目。

　　就如北京元工国际科技股份有限公司总经理丁德宇在接受《中国信息化周报》记者采访时所说，CPS系统在国外目前主要是被应用在智慧工厂的建设上。在产品的生产过程中，通过CPS系统，实现生产环节的以虚控实，并最终完成产品生产。以后CPS应用的范围是很宽泛的，像能源系统或社会系统，“工业4.0”带来的革命性的改变是未来将进入一个虚实融合的时代。

　　另外，“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”中国科学院院士何积丰表示，“CPS不仅会催生出新的工业，甚至还会重新排列现有的产业布局。”

　　不过，我们还需清楚地认识到，虽然借助“工业4.0”和《中国制造2025》发展战略的具体实践，使得国内传统制造业在经济转型关键期和经济持续下行的共同压力下浮现出一丝曙光，但是我国传统制造业，无论是在技术水平、人才体系，还是研发创新能力上面与德国、美国等欧美发达国家相比仍然处于劣势。

　　丁德宇提到，目前，西门子安贝格工厂能够很好地实现产品生产环节的以虚控实。实现这个目标需要一整套虚拟工厂的控制系统。国内的软件只是做过一些仿真的工作，还无法实现完全的智能控制。然而，对于西门子来讲，完全实现整个工厂的以虚控实还是有难度的。因为安贝格工厂主要是生产电子产品，这相对来说比制造机械设备要容易。所以说，像CPS这样的系统软件还是需要一定的成熟期。

　　另外，他还表示，《中国制造2025》与“工业4.0”不能等同。国内的企业面临着不同的阶段。对于《中国制造2025》来说关键的地方有两点：一方面是创新，另一方面是质量和绿色发展。

　　其实，提出智能制造规划就是要在制造领域实现创新发展、效率提升以及绿色生态。尽管我们在传统制造领域与发达国家存在差距，但是在互联网时代，各种新技术、新应用的涌现为我们带来了巨大的发展机遇和广阔的发展前景，并为我们追赶甚至超越欧美等发达国家提供了契机，从而能够使我们快速迈过传统制造领域长期的技术积累和沉淀阶段，尽快实现智能化生产。

　　从整体上看，尽管受到技术、设备、人才等多方面的影响，CPS还没有广泛应用到智能制造领域，但是其应用前景已经毋庸置疑。在《中国制造2025》国家战略的推动下，国内传统制造业在智能制造领域的布局正如火如荼展开。

　　另外，虽然国内智能工厂建设短时间内还无法实现CPS那种完全的实时感知、计算通信以及控制预测，但是通过多系统的集成和设备的联网，CPS技术的最终实现已为时不远。

　　无论是智能工厂建设，还是对于无人驾驶技术的研发抑或是智慧油田的建设，其实最终要实现的都是CPS的应用。只不过，凭借现阶段的技术能力和设备状况还无法完全实现，只能在CPS应用的初级阶段积蓄力量。然而，不管怎样，传统制造业内基于CPS的智能工厂建设之势已成“星星之火”。

　　徐工：依托MES 进行精益制造

　　作为机械工程制造领域当中的重要企业——徐工，借助《中国制造2025》发展战略以及成为“高端工程机械智能制造国家重点实验室”的发展契机，通过主动出击，着力布局工业信息化建设，打造了具有自身特色的智能制造模式。

　　借此模式，徐工想通过管理信息化与设备自动化的融合，利用各种传感器、智能控制系统、工业机器人、自动化生产线，构建设计制造一体化、管理智能化、数据信息化、控制自动化的智能制造体系。

　　徐工集团工程机械股份有限公司信息化管理部部长张启亮向《中国信息化周报》记者透露，徐工的智能工厂建设以MES为核心展开。通过MES系统，各个生产单元之间的协同更加及时，生产订单进度、生产瓶颈工序、工人绩效、产品生产质量等生产模型，均有透明量化数据体现；MES系统实时记录制造过程中的在制、工时、人员等信息，使整个生产过程可追溯，为技术研发人员提供了及时准确的多样数据。

　　另外，通过MES系统的实施，快速建立了及时决策体系，对生产现场出现的问题第一时间反馈给管理者，并以最快速度解决，后期大量的SPC统计分析报表也为企业决策层提供了丰富的管理依据。

　　“在我们的MES系统实施过程中，始终坚持精益制造的思想，引用行业最佳实践，优化业务流程，改变工厂原有效率低下的流程。将优化后的流程形成项目蓝图，并经业务部门评审后进行固化，固化后在系统进行细化与实现。在项目结束后，项目组整理吸收工厂优秀流程，形成新的最佳实践。”张启亮如此说道。

　　不仅如此，徐工集团智能化全球协同研发平台实现了产品设计数据与全球实时互通，通过与SAP、MES、PDS等系统高度集成，大大缩短新产品的上市时间。

　　同时，在徐工集团起重机智能化工厂内，关键数控设备及大型加工中心全部联网，实现了对车间现场网络化监控和可视化管理。通过制造执行系统MES与ERP系统的全面集成，实现了生产过程的自动化管理和控制，提高了企业柔性生产制造水平。

　　现在，在徐工集团装载机智能化制造基地的联合厂房里，看不到几个工人，多半是切割机、焊接机、机器手等在空中不知疲倦地挥舞。

　　除此之外，为了实现智能制造，徐工集团还对生产基地、物流和配送三大方面进行了全面改造。

　　徐工围绕混凝土、装载机等对生产基地进行了全面改造，通过互联网传达到设备上，把工艺参数、生产计划和质量检测全部放在设备上和网络进行对接，实现了机床的联网，从而大幅提高了生产效率。

　　在物流改造上面，徐工根据生产计划，将物流生产需要的部件自动到达生产工位，解决了工艺过程当中的工时不准确问题，对整个生产效率、原材料成本、质量都有了大幅度的提高。而对配送环节的改造，通过从配送中心，到厂家、MES，将供应链连接在一起。包括整个质量检验，从进货到过程的检验，为后期产品服务提供依据，提供服务转型的所需的基础数据。与此同时，将CRM系统与售后服务打通，形成了完整的闭环。

　　张启亮还提到，目前，徐工整个智能制造解决方案目前有七块：决策支持智能化、工艺设计信息化、物料转运自动化、生产制造柔性化、质量控制全程化、生产管理可视化、控制调度集中化。通过控制中心、核心业务和制造数据，对工业机器人、检测中心都进行了有效的管控，把整个制造过程完整地连接在体系里。

　　从徐工智能制造的整体实施情况来看，其智能工厂建设主要应用了MES、ERP、SCM、CRM等信息化系统软件，这些软件的应用解决了徐工在经营管理、生产操作、物流配送等方面的问题，并通过系统的集成和设备的联网形成了统一的系统体系。

　　广汽：巧弹智能应用二重奏

　　从智能工厂建设到智能汽车的研发和生产，广汽的智能化布局可谓目光长远。

　　实现制造到智造的跨越

　　今年10月，广汽本田第三工厂暨发动机工厂正式落成。该工厂是基于“Smart-SSC”核心理念进行大胆创新从而打造的一座全新的“智慧工厂”，实现了人机物的高度结合。

　　由于主要生产小型车，该工厂将现有的增城工厂厂房和设备进行最大化活用，采取最合适的“一型”布局，实现人行、物流、完成车不交叉，减少了移动浪费，预留将来能够扩展的空间。

　　另外，广汽本田创造性地在各生产工艺导入先进的自动化设备，将总体工艺制造水平提升到“智造”水准，人员效率与增城工厂相比提升了29%。例如，冲压车间导入了国内自动装箱效率最高的高效伺服冲压线；焊装车间导入国内领先的智能化的自适应焊接控制器；涂装车间在中国汽车制造业界首次实现密封胶100%自动化涂抹；发动机工厂导入由加工中心（NC）和多轴箱加工专机（MO）组合而成智能加工线。

　　不仅如此，焊装车间还实现联网监控，让焊接过程管理更加准确且智能化，并通过无线射频技术（RFID）、高速互联网络（IE-CONTROL）和高精度传感器，构建MES制造执行系统。同时，还构建了“SPS配膳物流+无线射频识别+互联网”的智能物流指示系统。

　　广汽本田执行副总经理郁俊表示，作为新一代的“智慧工厂”，第三工厂实现了“资源占用最小化、效能发挥最大化”，让广汽本田实现了从“制造”到“智造”的全新跨越。

　　发力无人驾驶技术

　　关于无人驾驶技术，谷歌、奔驰、宝马等企业已经取得了关键性的技术突破，并且引领了行业发展的潮流。相比谷歌、奔驰等国外企业，国内的汽车厂商在无人驾驶领域虽然起步较晚，但是发展较快。

　　尽管由于核心零部件、核心技术的差距使得中国无人驾驶汽车发展的自主性受到制约，以及由于缺乏相关法律法规的支持，使得无人驾驶汽车上路试验困难重重，但是随着技术的不断创新发展以及相关政策法规的日渐完善，无人驾驶技术在中国的发展前景必定十分广阔。

　　在无人驾驶领域，广汽选择与中科院合作，并将汽车行业发展的两个重要方向——新能源和自动驾驶相结合，通过车载传感器感知外部环境，进行自主智能决策，以实现新能源汽车的自动驾驶。汽车的自动驾驶集体系结构、智能传感、智能决策、自动控制于一体，对提高车辆驾驶的智能化、安全性、舒适性有一定帮助。

　　其实，早在2013年，广汽就曾推出基于无人驾驶技术的概念车——WITSTAR。这款概念车配备了自主驾驶控制器，能根据已知的导航路线规划、环境信息和车辆自身状态进行驾驶决策，模拟驾驶员实施整车进退、转向、加减速、制动以及驻车等操作。

　　除了广汽之外，上汽、吉利、比亚迪等十多家国内汽车厂商也开始涉足无人驾驶技术的研发和生产。同时，随着国内无人驾驶技术的深入发展和实践，将加快推动中国汽车工业创新变革进程。

　　华北油田：全流程智能管控

　　现在，华北油田二连分公司阿尔作业区的中控室员工，通过中控室屏幕，可对分布在几十公里范围内的220多口油井的生产情况一目了然，并能针对不正常参数及时预判，指令巡线员工提前处置，有效保证了油井平稳生产。这是华北油田完善优化标准化设计，配套建设数字油田的一个缩影。

　　目前，华北油田单井及站场数字化覆盖率已达60%以上，并先后建设完成阿尔、宝力格、蒙古林3个高寒地区数字油田示范区和山西煤层气“物联网示范区”。

　　华北油田数据中心主任李凤民向记者解释道：“数据中心是智慧油田建设的‘参谋部’，同样也是智慧油田建设的信息技术支撑单位，负责所有与信息化有关的业务，包括网络、数据、软件等资源，云计算资源池、数据资源池、软件资源池和高速智能承载网就是智慧油田建设的四大基础工程。”

　　同时，为加快二次三维采集和大面积三维地震资料连片处理解释工作，华北油田开展工作站集群系统建设，对勘探开发研究院、物探研究院地震资料解释硬件系统进行改善和更新。自行研发应用了多核64位LINUX工作站集群技术，实现了核心带宽万兆数据传输，并将地质解释、储层预测、地震反演等多种软件集成在一个应用平台，提高了地质研究水平和工作效率，满足了大连片工区综合地质研究的需要。

　　另外，华北油田还致力于打造一体化的智慧油田存储、计算、信息共享中心，将油田勘探、开发、井筒工程和油气井生产等各业务的研究资源，有机统一在一个价值链中，实现数据知识共享化、生产业务流程化、科研工作协同化，实现资源统一管控和合理调配。

　　李凤民说：“如果把智慧油田比作一个人，那么数字化生产是骨架，高速承载网是神经，各类数据资源是血肉，云计算中心就是大脑。这些思维系统、传输系统、感知系统的连锁反应形成行动系统，为油田决策、资源优选、制订方案提供可靠依据。”

　　此外，在智慧油田建设中，SCADA系统的应用也至关重要。SCADA系统主要应用在石油管道运输的控制和监测上。SCADA系统的构成有检测装置、数据采集与就地控制装置（RTU）、中央主控站、通信系统及软件。其控制过程是由设在控制中心的主控计算机对远程终端装置RTU进行定时询问，把分散在各个站点的情况通过通信线路传送给中央主控计算机进行全线的统一管理和监视控制。而各个站点的监视控制一般由RTU或可编程序控制器来独立完成，泵站可以无人值守，从而形成可靠的计算机网络式分布控制系统。

　　管道自动监控系统所能达到的水平，基本为站内无人值守，全线经SCADA系统进行远距离集中监视与控制。管道全线通常按三级设计：第一级：控制中心集中监视与控制；第二级：站控；第三级：就地手动控制。在一般情况下，使用第一级控制（站内无人值守），这是SCADA系统设计的目的控制级。但是，当通信（如微波通信、光纤通信等）出现故障或者控制中心主计算机发生故障时，可使用第二级控制，这是一种后备手段，当发生紧急事故或设备检修时，可使用第三级控制。

　　在管道运输中，管道的自动监控系统尤为重要，它直接关系到管道的正常运行，为解决这些特殊工艺要求，并适应现代管理方式，管道自动监控系统通常采用先进的SCADA系统对全线进行监视、控制和管理，以达到安全输送、科学管理、降低消耗、提高经济效益之目的。

　　记者手记

　　在经济新常态形势之下，传统制造业大而全的生产模式辉煌不再。经济下行和企业转型已成为企业发展的双重压力，通过《中国制造2025》发展战略的引领以及智能制造规划的具体实施，精细化、个性化以及智能化的生产模式逐步成为企业转型升级的关键之钥。

　　如今，包括工程机械、石油化工、航空航天、汽车制造等领域在内的传统制造企业，以数字化、网络化以及智能化技术为基础的智能工厂建设已成燎原之势。

　　在智能工厂中，融合了CPS、MES、ERP、CRM、PLM等系统软件。各个系统软件之间的高效协同和互联互通是智能工厂运行的基础。其中，CPS对于智能工厂建设的作用尤为重要。

　　从概念上来讲，通过物理设备联网，CPS最终要实现的是虚拟网络世界与现实物理世界融合，并将网络空间的高级计算能力有效地运用于现实世界中，从而形成可自律操作的智能生产系统。

　　纵观国内现有的智能工厂，其技术实现还主要是采用MES、ERP、CRM、PLM等系统软件来完成产品从设计、生产、销售以及物流运输各个环节的智能管理，从而提高效率、降低成本。不过就如正文中所提到的，以上这些系统软件并不属于CPS，当然也就无法真正实现CPS在智能工厂当中所能发挥的最大效用。

　　尽管以上系统软件并不能替代CPS，但是却为CPS在智能工厂当中的最终实现奠定了基础。相信经过技术的积累和沉淀，在突破技术束缚之后，中国的智能工厂建设定能更上一层楼，传统制造企业的转型升级也必将进入高速发展阶段。

　　本报记者 路沙

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