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智能制造与工业互联网

发布时间: 2021-02-01 16:02   作者: 周宏仁   来源: 机器人产业杂志

  

  智能制造有三个重要支点,具备这三点,智能制造的体系就会比较完善。

  智能制造的三个支点

  一是产品。众所周知,国民经济的发展依靠产业,产业的发展依靠企业,企业的发展依靠产品。产品是企业面向社会的表现,是企业竞争力的核心表现。智能制造如果不能生产出智能的产品,智能制造就失去了时代意义。

  二是装备。装备解决生产过程中“关键结点”的智能化问题。

  三是过程。过程智能化解决企业生产过程,或是“全系统”,乃至企业管理和决策的智能化问题。

  从产品的角度看,智能产品具有三大特征。

  一是数据采集,具备必须的信息感知和采集能力。

  二是智能计算,实现产品设计中定义的各种功能计算;实现从数据分析到高端计算的人工智能。如果拥有一台智能化的机床厂,但机床产品却不智能,要智能化有何用?

  三是始终在线,自动连接和定位,自动识别和数据交换;按照需求实现边缘计算等功能。这与工业互联网的要求密切相关。

  未来,嵌入式系统不仅将成为智能制造最重要、最具有代表性的技术,而且会形成一个庞大的产业链。

  从装备角度看,企业关键生产装备的智能化,是实现智能制造的前提条件。机器人逐渐成为重要的智能装备,自主化和无人化是现代企业发展的大趋势。生产装备,不仅要考虑“硬装备”,更要关注“软装备”。智能装备的主要困难目前集中在软装备上,特别是以工业软件为代表的软装备。

  从过程角度看,发达国家的先进制造业,已经在关键装备(点)和过程(线)的智能化方面取得了重要进展。大集成和“全过程”的智能化提上了议事日程。

  企业信息化走向大集成和系统智能,是工业4.0和工业互联网的基本出发点。下面,从企业信息化发展的历史进程,来观察和理解工业4.0和工业互联网的主要发展目标。

  企业信息化早期的发展

  企业信息化涉及诸多方面,包括研发、产品(设计)、生产、管理,以及业务流程和组织再造。

  世纪90年代中后期,互联网在全球普及应用之后,内部网在很多大企业内部迅速发展。内部网将企业内部的各个部门,从研发设计到生产,从原材料、零部件供应到销售,都连接成为一个整体,极大地提高了企业内部业务活动的效率和有效性。企业内部信息系统实现了一体化,数据交换打通了,但并不一定“智能”。

  在内部网搭建完成,收获成效之后,外部网也在很多大企业内部迅速发展。本世纪初,外部网成为各企业与其在全球的关联单位信息系统数据交换、业务互通最便捷的手段,实现了企业外部信息系统的一体化。数据/信息交换打通了,但并不一定“智能”。

  内部网和外部网的结合对企业影响非常之大,产生了非常重要的影响。例如,网络化协同平台,在企业集团产品研制和生产过程中,实现下属的各个专业生产厂和研究部门之间,跨企业的数据集成、流程集成、业务集成,支持跨地域、跨企业的联合研制和生产。又如,关联设计系统,实现在虚拟现实环境下的设计协调、干涉检查与分析。支持成百上千在线用户进行实时并行设计。使得一个系统或一台装备的总体、各子系统、机械结构等三维设计的结果相互关联。再如,全三维标注技术,在三维模型中表达零部件尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等特征信息,直接通过三维模型传递所有零部件制造信息,保证单一数据源。

  互联网在制造业的发展走向何方

  有了内部网和外部网,下一步怎么办?2012年,通用电气公司提出了“工业互联网”的概念;2013年,德国政府提出了“工业4.0”战略,下面简单介绍一下上述两项内容。

  工业4.0有两个要点。第一个要点是企业信息系统走向完全一体化。“工业4.0”特别强调企业信息系统的两个一体化,即纵向一体化和横向一体化。纵向一体化(内部网)是指整合不同层次(如执行装置、传感装置、控制、生产管理、制造、执行及企业计划)的各种信息系统。横向一体化(外部网)是指整合制造和业务规划流程不同阶段使用的各种信息系统,涉及公司内部(如进出厂物流、生产、营销)和公司外部(价值网络)的材料、能源、信息交换。第二个要点是要构造一个企业级的“计算机网络-物理系统(Cyber- Physical System)”,将“Cyber- Physical System”翻译为“信息物理系统”是不妥当的,没有反映出工业4.0的本质和时代的背景。工业4.0提出的计算机网络-物理系统是一个智能化、自动化、人机物一体化的大系统,一个企业信息系统端到端的解决方案。

  计算机网络-物理系统与嵌入式系统相伴而生,但侧重点非常不同。嵌入式系统是为产品的计算机化服务,强调的是一个物理系统中内含的计算机系统的设计和构造,以扩大产品的功能,提高产品的性能。计算机网络-物理系统则更进一步研究一个物理系统与其内含的计算机系统如何协同一致、高效精确地工作,特别是人机互动对系统性能的影响。

  计算机网络-物理系统带来了很多理论上需要研究的问题,需要发展新一代的“系统工程学”。核心问题是物理系统与计算机系统的实时互动。

  工业互联网的概念是什么?2015年6月,IIC(美国工业互联网联盟)发布了工业互联网参考架构,一个工业互联网系统由内至外分为三层,即企业层、平台层、边缘层,各层功能非常清晰。

  数据分析和处理在工业互联网系统中极为重要,包括:端点数据的获取、从数据中提取信息的先进数据处理技术,各种决策模型的分析计算,以及系统结果的输出和控制,充分应用信息技术和智能技术的先进成果。无论是工业4.0还是工业互联网,都可以归纳为5C架构,即智慧连接层(Smart Connection)、数据信息转换层(D/I Conversion)、计算网络层(Cyber)、认知层(Cognition)、配置层(Configuration)。第一层是智慧连接层,要保障企业能够无障碍地获取所需的各种数据,这是最重要的一层;第二层是数据信息转换层,对数据进行智能分析和知识挖掘,得到有价值的信息;第三层是计算网络层,在信息中心枢纽将来自第二层的数据与期望值进行对比分析,对比分析结果送到第四层;第四层是认知层,确认监控资产或设备状况、用户可视和支持决策;第五层是配置层,实现由网络空间至物理空间的反馈,完成实际操作。

  工业4.0(工业互联网平台)的5层架构中,计算机和网络“无层不在”,构成了一个以企业为中心的,包括人、(计算)机、物在内的、复杂的反馈系统。计算机和计算机网络给系统带来的将是“智能”,不仅仅是数据的流通和交换。

  工业4.0更清晰地描述了企业信息化下一步的目标:智能物理系统,而不只是“基于互联网”。因此,工业4.0对企业信息化的走向给出了更为清晰的表述。过去几十年中,企业信息化的发展是一步一步走过来的,依次是系统集成、应用集成、业务集成、企业集成。“工业4.0或工业互联网平台”是一个以企业为中心的平台,不是一个“工业”或“产业”的平台,这点我们不应该有误解。

  工业互联网平台的演变

  工业互联网平台是一个理想的、企业实现“全过程”智能化的系统工程。设想非常完美,系统非常复杂。不能把工业互联网平台理解为智能制造的全部,它只是解决了一个过程的智能化,解决不了产品和装备的智能化。

  工业4.0(工业互联网)运行的核心是数据,数据主要来自三个方面:一是企业计算机和网络中储存的信息;二是与企业相关的人的信息;三是与企业相关的物的信息。

  有了这些数据,工业互联网系统才有可能对其进行挖掘和分析(大数据技术),将之与企业预期的结果进行比较(云计算技术),通过决策模型和算法做出最优决策(人工智能技 术),并对人、(计算)机、物进行调节和控制。

  没有任何一个企业,即使是再大的跨国企业,有能力自建获取这些数据的全球网络。全球企业对于“数据无障碍自动获取”的共同需求,导致了对于全球物联网的紧迫需求。物联网的发展随之进入了一个“物联网2.0”的新时期,即“全联网(全球物联网)”时期。

  全联网实际上就是“万物互联网(IoE)”。全球所有的对象(Objects)可以通过统一的、可识别的标识地址和标准的通信协议, 形成一个彼此互联、按需交换信息的全球网络。全联网将成为下一代互联网。

  如今,工业物联网成为全联网当前发展的重点。2015年6月,美国工业互联网联盟发布了工业互联网参考架构,2017年1月其发布了工业互联网参考架构V1.8版。此外,截止至2016年2月,美国工业互联网联盟公开发布了10个工业互联网解决方案试验床(Testbeds)。目前,业界关注的重点已经由“发展工业互联网”演变为以推动工业物联网(IIoT)的应用发展为主要切入点。

  国际上,有人将全联网分为工业物联网(IIoT)和消费物联网(CIoT),并对二者进行了比较。当前,工业物联网是全联网发展的重点方向。因为“智能的物”可以给重要的产业带来其需要的核心数据:跟踪库存、管理设备、提升效率、降低成本,甚至保护生命。

  (本文根据国家信息化专家咨询委员会原常务副主任、国家制造强国建设战略咨询委员会委员周宏仁在“2020国家制造强国建设专家论坛”上的演讲整理而成,未经演讲人审阅)

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