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洞见 | CPS使能技术体系建设及应用

时间:2017-07-12 14:38:44 点击:

7月5日晚20点,CPS专家宣讲团第二阶段活动正式开讲,陈继忠博士为大家分享“CPS使能技术体系建设及应用”。“CPS信息物理系统专家宣讲团”,在网络上发起集中宣传活动,组织国内顶级CPS专家,从不同角度讲解CPS,为广大企业用户进行网络宣讲。


微信多群同步直播,万人参与直播活动。聚焦行业应用与案例,网络宣贯CPS。

时间:2017年7月5日晚20点

主讲专家:陈继忠 博士,PTC智能制造委员会主编

主持人:苏明灯,走向智能研究院执行秘书长、《三体智能革命》编委


参与人员:

覆盖上万名科技界、企业界专业人士。包括CPS发展论坛、CPS信息物理系统专家宣讲团、走向智能论坛读书汇、CPS专家宣讲团政企群、《三体智能革命》雅读汇、国家两化融合创新推进联盟群、工业4.0俱乐部系列群、工业4.0商业共同体系列群、中国智能制造IMchina、西南精益智造联盟、智能科技创新交流群、慧造智能研究院研讨群等约50个工业、IT领域主流专业微信群同步直播。


主持人开场白:

大家好,还记得我们CPS专家宣讲团的口号吗?“相信我,2017,中国制造最大的IP是CPS”。没错,CPS专家宣讲团第二期今晚我们聚焦CPS行业应用与案例,继续开讲。我是今晚多个科技、产业社群同步直播CPS专家宣讲团活动的主持人苏明灯,走向智能研究院执行秘书长,也是国内第一本讨论新工业革命与智能化创新的专著《三体智能革命》编委会成员。


请群友们沏上一杯好茶,在赛博空间重逢,分享又一顿丰富的CPS大餐。


自今年3月1日正式发布《CPS信息物理系统白皮书》后,为做好CPS的宣贯工作,在工信部信软司的指导下,走向智能研究院与中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛等权威机构一起,发起组建CPS专家宣讲团。在之前的活动中,邀请了郭楠、宁振波、赵敏、邱伯华等专家就CPS的内涵、技术本质、目标、分级等进行了深入讲解。


今天我们重启第二期网络宣讲活动,重点关注CPS行业应用及案例,继续推动CPS技术和应用发展。今晚我们邀请到的重量级嘉宾是陈继忠博士,他是参数技术公司智能制造委员会主编。长期专注于CAD/PLM、智能制造的研究和实践,行业经验超过15年,参与过航空、航天、船舶、国防电子、汽车等行业多个重点PLM、智能制造项目的规划及实施工作,具有非常丰富的实践工作经验,为我们做CPS行业应用和案例主题宣讲的第一讲,值得期待。


首先,我们要感谢我国工业、IT行业若干重要部门、机构、单位、企业对今晚的活动给予重要指导与大力支持。他们是:

CPS信息物理系统专家宣讲团

指导单位:工业和信息化部信息化和软件服务业司

主办单位:中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究 院

支持单位(滚动更新):中国机电一体化技术应用协会、中科院青岛软件研究所、北京信息科技大学自动化学院、北京科技大学智能装备产业技术研究院、机械工业出版社、中科院计算所华南分所、华为、索为、PTC、兰光创新、英诺维盛、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易、大驰创新等,以及e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、工业4.0商业共同体、慧造智能研究院、工控兄弟连、制学网等。


以下为陈继忠博士讲座PPT及全文:


CPS使能技术体系建设及应用


感谢各位专家的大力支持,我是PTC公司陈继忠,长期从事国防等制造业行业的信息化平台规划及建设工作,并担任公司智能制造委员会负责人,跟委员会团队成员一起负责智能制造解决方案的落地工作。我们团队成员也有幸参与了今年3月1号发布的CPS白皮书的编写工作。


今天非常荣幸第一次以这种微信群网络宣讲的方式与各位专家进行交流,有不当之处,还请批评指正。在CPS专家宣讲团第一阶段的宣讲中,郭主任、宁总、赵总、邱总都围绕CPS发表了精彩的解读和论述,使大家对CPS有了更深入和清晰的理解。我今天将重点围绕CPS体系在两化融合、企业数字化转型中的定位,描述CPS使能技术体系的框架及技术生态体系融合方式,并分别说明不同层次体系对应的企业应用模式,为企业进行CPS体系规划、建设和应用实践提供一些参考指导。

企业对CPS有了清晰的认识后,如何将其与自身的业务转型、智能制造体系建设等进行融合,成为摆在企业面前的主要挑战。与传统的产品及其运营模式不同,将CPS技术纳入产品新特性、生产制造、运营服务(SoS)将面临很多难点,主要包括:

  • CPS强调Cyber与Physical的融合,意味着传统的专业边界、组织体系、管理机制都要重新进行定义;

  • 产品创新需求不断增加,这需要通过CPS技术融合机电软等多专业,形成智能互联等能力,以融合产品新功能,支持服务新模式;

  • 通过引入CPS技术推动产品创新、改变生产及运营服务模式,需要引入物联网、大数据分析、增强现实、多领域仿真等新技术和工具提供支撑;

  • 企业各个层次的人员的知识结构也要进行更新,以适应新体系的变化。


基于这样的背景,美国国家标准技术研究所NIST的CPS公共工作团队(CPS Public Working Group)在2016年5月份发布了CPS框架1.0版本,对CPS的层次、框架、业务场景等进行了描述。2017年3月1日,在工信部信软司和国家标准委工业二部的指导下,由中国电子技术标准化研究院牵头编写并发布了中国版的CPS白皮书,对CPS的内涵、实现层次、建设和应用、演进路径进行了详细说明。在此不再赘述,我重点从CPS体系理解和企业层面的需求、CPS技术体系及应用模式、CPS建设策略等三个方面展开论述。

首先,第一部分内容主要从企业实现层面对CPS体系进行理解,并明确企业对实现CPS的需求。


工信部信软司安筱鹏副司长在CPS白皮书中的序言中给出了一个总体的定位:CPS是支撑两化深度融合的一套综合技术体系。这就明确了CPS与两化融合的关系,即CPS是满足两化深度融合目标的技术体系,该技术体系又分为单元(Device)、系统(System)、系统之系统(System of System,SoS)三个层次。对该技术框架的理解如下:


单一层次上:实现物理状态监测、信息处理、分析决策、控制的小闭环,体现层次内的智能化特性。在实现上,就要通过IT/OT融合和虚实互联,实现CPS的整体功能和性能要求;


层次与层次之间:实现跨层集成,并将人员要素考虑进来,一方面体现复杂系统的集成实现,另一方面提高复杂系统的可操作性,提高人机协同效率;

在CPS实现中,要体现层次性和系统性的统一,重点是按照系统工程的思维,为确定的目标实现CPS多个层次的统一整合,并保持各个层次的松散耦合性。


CPS所强调的一套技术体系包括:一软(工业软件)、一硬(智能装备)、一网(工业互联网)、一台(工业互联网平台)。四者的有机结合可以为CPS的实现提供落地支撑,体现在具体企业层面,则可以呈现多种部署及应用模式。


CPS技术体系构建的原始目标是为了转变业务模式,促进两化深度融合,因此,CPS技术体系搭建后面向最终企业用户的一定是优化产业结构后形成的全价值链新业务体系:基于CPS的研发、生产、服务体系:CPDS、CPPS、CPSS。最终用户的工作界面则是基于这些先进模式体系的APP。

CPS技术体系构建的最基础目标是实现多层体系之间的信号流、信息流、物流、能量流、资金流等多要素数据的融合和流动,通过数据流动驱动如下多层次先进业务体系的实现:


CPS智能设备及产品层:主要实现信号流和能量流的闭环,以及跨系统的信息流交互。其业务场景主要围绕设备/产品功能域的设计、实现及仿真开展,在此过程中将使用工业软件,重点支撑软件定义产品的落地。


运营体系:车间生产运营体系、售后产品运营体系。重点通过垂直集成,实现信息流与物流的高效闭环,以打通信息流/物流与信号流。其业务场景围绕生产制造、客户服务展开。在此过程中重点应用物联网、大数据等技术,支持软件定义制造、软件定义服务,实现智能化生产和敏捷化服务模式的创新。


产品生命周期管理体系:该层次重点实现价值链集成,业务场景围绕研发、工艺、生产、保障等产品全生命周期的协同及管理业务展开。


企业战略及运营体系:该层次重点实现横向集成,实现资金流、信息流的畅通,业务场景围绕战略决策、业务运营、资源优化统筹运营展开。


在企业的上述每个实现层次,都涵盖了CPS的单元层、系统层、SoS层的特性,并在具体实现上呈现特定的技术体系和应用模式。下面第二章节将结合这些不同的实现层次分别进行详细论述。

CPS白皮书中对CPS的能力特征进行了说明,这里不再重复。针对CPS的能力特征,需要一定的使能技术,以支撑上述不同层次业务体系的实现。这些不同的使能支撑技术如何融合,采用一个怎样的技术架构去融合,是摆在企业面前的一个挑战。我将在最后一节中对上述技术的融合架构进行一定的说明。

承接上述不同的CPS实现层次,这里结合制造企业的两化融合实际现状,给出相应的未来场景需求。对于上述的CPS不同实现层次,可以用WSR(物、事、人)图进行归纳。

W(物):意为产品,体现CPS智能产品维,具有CPS三个层次:Product、System、System of System;

S(事):意为生产活动,体现CPS智能工厂维,同样具有CPS三个层次:设备、车间、企业;

R(人):意为面向企业管理层、客户,体现CPS运营保障维,同样具有CPS三个层次:部门级、企业级、企业联盟级。


在具体业务场景方面,主要结合大部分企业的现状进行未来场景需求的展望,具体参见图中的描述。企业根据业务转型的实际需求,确定转型升级的重点方向(如提高产品智能性、实现智能化生产、服务转型等),然后结合自身发展成熟度水平,选择适合的业务场景进行实现。

前面对CPS框架、实现体系、企业基于CPS的业务实现需求进行了描述,接下来重点从智能产品维、智能工厂维、运营保障维,分别对CPS技术体系、以及基于CPS技术体系的应用模式进行说明。


在CPS技术体系的实现及工程化应用方面,资源优化是目标,实现数据自动流程是关键、整合工业软件是核心、形成行业适用的解决方案是重点。

在技术体系实现方面,体现三个维度,每个维度对应CPS三个层面;在每个CPS层次,都体现内在共同特征:感知、分析、决策、执行。


在业务场景设计方面,需要结合企业业务体系,融合先进管理方法(DFSCM、DFMA、CPI等),结合CPS技术体系,突出CPS支撑下的新能力、新模式,刻画未来业务场景,推动企业业务转型。

在CPS智能产品维,其单元级的技术体系要素如图中所示。该部分能力体现在产品上,形成产品的智能化特性。在该类智能产品的实现层面,一方面需要产品本身的技术突破,另一方面需要工业软件等使能技术,以支持上述智能特性的设计、仿真验证、集成测试等。

在产品运营层面,需要构建相应的技术体系支持产品云端接入、产品运营监测,实现产品远程服务、故障预测及分析,支持PaaS等产品新服务模式等。该技术架构可以基于在公有云或私有云上构建的工业互联网平台实现支撑。


产品在运营服务体系中,可以与其他产品体系整合,形成更大的SoS运营体系。

在智能产品维的典型场景主要包括:基于互联MBSE的CPS架构设计、数字化产品定义及虚拟仿真、软件定义产品、产品智能互联服务。这些场景需要的具体能力见图中所示。

业务场景:基于互联MBSE的CPS产品规划及仿真。CPS产品中的Cyber及Physical,以及二者集成后体现出的行为(Behavior)及性能都可以在产品前期顶层规划阶段,采用基于模型的系统工程方法进行建模和仿真,以设计和验证CPS的特性来满足用户需求。通过与样机或试验件的物联,可以实现产品设计过程中的问题洞察,以对产品进行优化完善,提高产品质量和促进产品创新。

业务场景:软件定义产品。CPS中的Cyber的大部分功能需要软件来实现,为此,实现软件研发、执行、部署、更新的一体化,对智能产品的研发及后期运维至关重要。企业原有的软件管理系统侧重基于CMMI、GJB5000A、Do178B/C标准的软件工程化管理,与软件研发、集成、测试、部署、远程灌装的实际执行过程存在脱节问题。

业务场景:CPS产品数字化定义及质量保证。该部分场景侧重基于全三维数字化手段进行设计实现,并基于增强现实等手段支持协同效率的提升。此外,将质量分析能力与研发过程、后端运营数据采集结合起来,支持基于研发数据、运营可靠性数据的问题根因分析等,实现软件研发的持续迭代,推动产品研发创新。

业务场景:智能产品互联服务。产品交付运营后,需要通过维修等运营保障体系来确保产品良好的运营特性。在维修保障过程中,未来将采用远程维修、预见式维修、基于AR的维修指导等新的能力,以降低产品停机时间,提高运营效率,并通过收集到的运营数据优化维修方案等工程环节,形成闭环的服务循环保障体系。

该场景是德国eGO智能互联电动汽车的实际应用案例。电动汽车在前期顶层架构设计时即从SoS角度考虑运营监测、充电桩、汽车等之间的运营协同行为及接口关系。基于顶层架构设计,可以实现嵌入式软件代码的自动生成,并支持软件代码的自动化远程灌装。电动汽车在实际充电时,产品运营监测中心可以实时监测哪台车、在哪里的充电桩充了多少电。此外,运营监测还实现充电桩设备的实时监测及健康管理。

在CPS智能工厂维,技术体系主要实现垂直集成,框架如图所示。各个层次的职能如下:

设备层:构建OPC Server,基于通用的OPC工业标准进行设备PLC、传感器的联接,形成异构设备互联的通用平台。

应用层:基于业务集成及应用使能平台与HMI/SCADA数据库、运营管理(MES或MOM)、企业级业务系统PLM/ERP/SCM等的集成,采用OSLC/REST/Web Service等集成技术标准统一所有应用接入模式。

数据层:基于大数据库软件建立大数据存储能力,基于平台建立大数据分析及预测能力。

业务层:业务集成及应用使能平台具有万物(设备、系统等)快速建模能力和APP应用快速构建能力,并支持桌面、手持终端等多种显示设备端的发布能力。

智能工厂维的业务场景:数据驱动的生产。主要实现数据流自研发端向生产端的流动,以数据驱动生产,而非完全通过计划驱动。该部分需要数字化工艺设计能力,形成结构化操作指导,并可以发布至生产环节。工人可以基于生产环节的智能操作指导APP,开展加工及装配工作。此外,可以将基于AR的装配指导等技术应用在生产装配环节。

智能工厂维场景:车间/企业级运营管控。面向车间、企业生产管理人员,支持零部件、装配车间的整体KPI监控、基于产线的监控、具体工位的作业监控、基于Digital Twin的生产及装配过程可视化监控、工位保障状态监控等。

业务场景:设备资产及健康管理。按照设备不同类型及监控需求,实现单一设备运行状态监控功能,支持设备运营KPI图形化动态展示、关键参数可视化展示、设备基本信息管理、沟通协调管理、运维管理等。


此外,关键设备的非正常停车将对产线的节拍化生产带来较大的影响,被动式应急问题解决方式也将影响设备的运行寿命和基于设备的产品生产质量。因此,有必要对关键设备的健康状态进行监控,并建立健康状态模型,支持设备故障预测预警,避免非计划停车问题的发生。

从企业运营保障的角度,需要实现全价值链集成、垂直集成、横向集成等,以此为基础实现多要素数据采集、多业务系统整合,并采用AR等技术将多要素数据信息可视化地呈现给各级管理人员。在可视的基础上,实现大数据分析支持的运营保障决策,如:质量问题根因分析、成本优化、产品投产预测、备件预测等。

该场景主要体现基于CPS运营保障技术融合体系下的多要素数据可视化,使得企业管理层可以实时获取多维度企业工程及运营数据,实现全过程、全要素的可视。图中即实现了需求、设计实现、质量、数字化模型的综合展示。

在CPS技术体系的建设和应用上,需要结合企业实际情况进行路线规划和逐步开展建设和应用。具体执行过程中,遵循五统一指导原则:

实体制造与虚拟制造的统一:CPS的引入即是支持未来研制及服务的新模式。通过物联网等技术,可以打破实物与虚体之间的障碍,实现虚实互联下的半实物仿真,虚实互联下的实体制造智能指导。


层次性与系统性的统一:解决CPS层次内及多个层次间的集成关系,采用系统工程方法实现集成模式松耦合、功能实现紧耦合。


继承性与创新性的统一:CPS技术体系的构建不是要全部推翻企业已有的技术体系,需要结合未来整体规划,进行技术框架改造,承接已有的部分核心能力,实现与创新技术体系的融合,避免前期投资的浪费。原有系统平台,可以采用新的技术协议进行集成组件封装。


理论性与指导性的统一:通过理论研究探索未来的新模式,在具体建设过程中要结合企业实际情况,确定具体指导意见,做好先进性与务实性的统筹兼容。


阶段性与演进性的统一:实现总体规划并按照阶段进行逐步实施,注重实现过程中的CPS技术演进的更新迭代。CPS演进体现在产品特性、服务模式、运营模式上的不断创新突破。


网友互动环节

【群友提问】:不少业内人士认为CPS与工业互联网、IOT一类的技术很难分清。工业互联网平台是不是CPS的最高级的形态?您如何理解这几类技术之间的联系与区别。或者说有没有必要去做区别。

【陈继忠】:目前确实有很多概念,容易给大家特别是企业层面带来很多困惑。我对这些概念的理解如下,CPS是两化深度融合的综合技术体系,工业互联网平台、IOT都是综合技术体系中的一个环节。CPS是通过C、P的结合实现S的体系化融合,并带来C、P单独并不具备的能力。工业互联网平台是CPS的使能技术平台,并不能理解为它的高级形式。


【群友提问】:您讲的第三个场景,智能产品运营维讲得略少一些。是不是目前CPS主要在产品设计、生产现场更容易实现技术的集成?

【陈继忠】:在价值链研发、生产、服务运营中,各个行业的需求迫切度不同,都有很多应用场景。对于企业战略运营管理层面,这方面的场景需求确实还不太多,目前大家的需求能够具体描述的,基本聚焦在企业整体运营的可视化,对于运营智能决策方面的场景,需要不断地深挖。这个与目前的业务成熟度和认知度有关。目前,我们跟麦肯锡一起,在整理这方面的场景。


【群友提问】:对于制造企业而言,要落地CPS,首先需要选择是追随哪一家平台?还是自己建一个平台?

【陈继忠】:制造企业要落地CPS,不是说先选什么平台或者自己建平台的问题,应该首先想企业未来的转型方向是什么,然后确定未来侧重的业务模式,根据业务模式确定未来建设内容及优先级,之后才是考虑平台部署模式、平台选型问题。平台是为企业需求服务的,不存在企业追随平台的问题。


“相信我,2017,中国制造最大的IP是CPS” 

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CPS专家宣讲团第二期活动总体安排


时间

主讲专家

宣讲主题

第一讲

7月5日

20:00

陈继忠:参数技术公司智能制造委员会主编

CPS的使能技术体系建设及应用

第二讲

7月19日

20:00

朱铎先:走向智能研究院研究员、北京兰光创新科技有限公司董事长

CPS“二维九格”落地方案及实践

第三讲

8月2日

20:00

郭朝晖:走向智能研究院研究员、宝武钢集团中央研究院首席研究员

控制论、互联网与CPS

第四讲

8月16日

20:00

侍乐媛:北京大学工学院工业工程系主任、美国威斯康辛大学(麦迪逊)终身教授

CPS生产系统平台与应用案例


组织架构

指导单位:工业和信息化部信息化和软件服务业司

主办单位:中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院

支持单位(持续更新中):中国机电一体化技术应用协会、中科院青岛软件研究所、北京信息科技大学自动化学院、北京科技大学智能装备产业技术研究院、机械工业出版社、中科院计算所华南分所、华为、索为、PTC、兰光创新、英诺维盛、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易、大驰创新等,以及e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、工业4.0商业共同体、慧造智能研究院、工控兄弟连、制学网等。


主办单位简介

中国电子技术标准化研究院

中国电子技术标准化研究院(工业和信息化部电子工业标准化研究院,工业和信息化部电子第四研究院,简称“电子标准院”、“电子四院”),是工业和信息化部直属事业单位,是国家从事电子信息技术领域标准化的基础性、公益性、综合性研究机构。


中国信息物理系统发展论坛 

中国信息物理系统发展论坛是在工业和信息化部的指导下,由中国电子技术标准化研究院联合电子一所、电子五所、赛迪研究院、中航工业信息技术中心、华为、石化盈科、北航、同济等单位联合发起成立。中国信息物理系统发展论坛致力于通过CPS技术和标准研制,进一步深化制造业与互联网融合发展,构建一个信息汇聚的交流和推广平台,共同研究CPS发展战略、技术和标准,开展试点示范,推广优秀的技术、产品和系统解决方案,推动CPS核心技术领域的重大突破。


走向智能研究院

走向智能研究院是北京走向智能科技创新中心兴办的国内首个智能化综合创新类研究智库,研究院以深入研究广义智能系统、持续推进技术创新、奠基中国本土新工业革命思想为己任,前身为我国新工业革命与智能化创新理论专著《三体智能革命》编委会。


声  明

CPS专家宣讲团网络宣讲活动,在工信部信软司大力支持下,由中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院主办,集中开展CPS网络宣讲。欢迎更多的企业、社群及网络朋友参与”CPS信息物理系统专家宣讲团“活动。

7月5日晚20点,CPS专家宣讲团第二阶段活动正式开讲,陈继忠博士为大家分享“CPS使能技术体系建设及应用”。“CPS信息物理系统专家宣讲团”,在网络上发起集中宣传活动,组织国内顶级CPS专家,从不同角度讲解CPS,为广大企业用户进行网络宣讲。


微信多群同步直播,万人参与直播活动。聚焦行业应用与案例,网络宣贯CPS。

时间:2017年7月5日晚20点

主讲专家:陈继忠 博士,PTC智能制造委员会主编

主持人:苏明灯,走向智能研究院执行秘书长、《三体智能革命》编委


参与人员:

覆盖上万名科技界、企业界专业人士。包括CPS发展论坛、CPS信息物理系统专家宣讲团、走向智能论坛读书汇、CPS专家宣讲团政企群、《三体智能革命》雅读汇、国家两化融合创新推进联盟群、工业4.0俱乐部系列群、工业4.0商业共同体系列群、中国智能制造IMchina、西南精益智造联盟、智能科技创新交流群、慧造智能研究院研讨群等约50个工业、IT领域主流专业微信群同步直播。


主持人开场白:

大家好,还记得我们CPS专家宣讲团的口号吗?“相信我,2017,中国制造最大的IP是CPS”。没错,CPS专家宣讲团第二期今晚我们聚焦CPS行业应用与案例,继续开讲。我是今晚多个科技、产业社群同步直播CPS专家宣讲团活动的主持人苏明灯,走向智能研究院执行秘书长,也是国内第一本讨论新工业革命与智能化创新的专著《三体智能革命》编委会成员。


请群友们沏上一杯好茶,在赛博空间重逢,分享又一顿丰富的CPS大餐。


自今年3月1日正式发布《CPS信息物理系统白皮书》后,为做好CPS的宣贯工作,在工信部信软司的指导下,走向智能研究院与中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛等权威机构一起,发起组建CPS专家宣讲团。在之前的活动中,邀请了郭楠、宁振波、赵敏、邱伯华等专家就CPS的内涵、技术本质、目标、分级等进行了深入讲解。


今天我们重启第二期网络宣讲活动,重点关注CPS行业应用及案例,继续推动CPS技术和应用发展。今晚我们邀请到的重量级嘉宾是陈继忠博士,他是参数技术公司智能制造委员会主编。长期专注于CAD/PLM、智能制造的研究和实践,行业经验超过15年,参与过航空、航天、船舶、国防电子、汽车等行业多个重点PLM、智能制造项目的规划及实施工作,具有非常丰富的实践工作经验,为我们做CPS行业应用和案例主题宣讲的第一讲,值得期待。


首先,我们要感谢我国工业、IT行业若干重要部门、机构、单位、企业对今晚的活动给予重要指导与大力支持。他们是:

CPS信息物理系统专家宣讲团

指导单位:工业和信息化部信息化和软件服务业司

主办单位:中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究 院

支持单位(滚动更新):中国机电一体化技术应用协会、中科院青岛软件研究所、北京信息科技大学自动化学院、北京科技大学智能装备产业技术研究院、机械工业出版社、中科院计算所华南分所、华为、索为、PTC、兰光创新、英诺维盛、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易、大驰创新等,以及e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、工业4.0商业共同体、慧造智能研究院、工控兄弟连、制学网等。


以下为陈继忠博士讲座PPT及全文:


CPS使能技术体系建设及应用


感谢各位专家的大力支持,我是PTC公司陈继忠,长期从事国防等制造业行业的信息化平台规划及建设工作,并担任公司智能制造委员会负责人,跟委员会团队成员一起负责智能制造解决方案的落地工作。我们团队成员也有幸参与了今年3月1号发布的CPS白皮书的编写工作。


今天非常荣幸第一次以这种微信群网络宣讲的方式与各位专家进行交流,有不当之处,还请批评指正。在CPS专家宣讲团第一阶段的宣讲中,郭主任、宁总、赵总、邱总都围绕CPS发表了精彩的解读和论述,使大家对CPS有了更深入和清晰的理解。我今天将重点围绕CPS体系在两化融合、企业数字化转型中的定位,描述CPS使能技术体系的框架及技术生态体系融合方式,并分别说明不同层次体系对应的企业应用模式,为企业进行CPS体系规划、建设和应用实践提供一些参考指导。

企业对CPS有了清晰的认识后,如何将其与自身的业务转型、智能制造体系建设等进行融合,成为摆在企业面前的主要挑战。与传统的产品及其运营模式不同,将CPS技术纳入产品新特性、生产制造、运营服务(SoS)将面临很多难点,主要包括:

  • CPS强调Cyber与Physical的融合,意味着传统的专业边界、组织体系、管理机制都要重新进行定义;

  • 产品创新需求不断增加,这需要通过CPS技术融合机电软等多专业,形成智能互联等能力,以融合产品新功能,支持服务新模式;

  • 通过引入CPS技术推动产品创新、改变生产及运营服务模式,需要引入物联网、大数据分析、增强现实、多领域仿真等新技术和工具提供支撑;

  • 企业各个层次的人员的知识结构也要进行更新,以适应新体系的变化。


基于这样的背景,美国国家标准技术研究所NIST的CPS公共工作团队(CPS Public Working Group)在2016年5月份发布了CPS框架1.0版本,对CPS的层次、框架、业务场景等进行了描述。2017年3月1日,在工信部信软司和国家标准委工业二部的指导下,由中国电子技术标准化研究院牵头编写并发布了中国版的CPS白皮书,对CPS的内涵、实现层次、建设和应用、演进路径进行了详细说明。在此不再赘述,我重点从CPS体系理解和企业层面的需求、CPS技术体系及应用模式、CPS建设策略等三个方面展开论述。

首先,第一部分内容主要从企业实现层面对CPS体系进行理解,并明确企业对实现CPS的需求。


工信部信软司安筱鹏副司长在CPS白皮书中的序言中给出了一个总体的定位:CPS是支撑两化深度融合的一套综合技术体系。这就明确了CPS与两化融合的关系,即CPS是满足两化深度融合目标的技术体系,该技术体系又分为单元(Device)、系统(System)、系统之系统(System of System,SoS)三个层次。对该技术框架的理解如下:


单一层次上:实现物理状态监测、信息处理、分析决策、控制的小闭环,体现层次内的智能化特性。在实现上,就要通过IT/OT融合和虚实互联,实现CPS的整体功能和性能要求;


层次与层次之间:实现跨层集成,并将人员要素考虑进来,一方面体现复杂系统的集成实现,另一方面提高复杂系统的可操作性,提高人机协同效率;

在CPS实现中,要体现层次性和系统性的统一,重点是按照系统工程的思维,为确定的目标实现CPS多个层次的统一整合,并保持各个层次的松散耦合性。


CPS所强调的一套技术体系包括:一软(工业软件)、一硬(智能装备)、一网(工业互联网)、一台(工业互联网平台)。四者的有机结合可以为CPS的实现提供落地支撑,体现在具体企业层面,则可以呈现多种部署及应用模式。


CPS技术体系构建的原始目标是为了转变业务模式,促进两化深度融合,因此,CPS技术体系搭建后面向最终企业用户的一定是优化产业结构后形成的全价值链新业务体系:基于CPS的研发、生产、服务体系:CPDS、CPPS、CPSS。最终用户的工作界面则是基于这些先进模式体系的APP。

CPS技术体系构建的最基础目标是实现多层体系之间的信号流、信息流、物流、能量流、资金流等多要素数据的融合和流动,通过数据流动驱动如下多层次先进业务体系的实现:


CPS智能设备及产品层:主要实现信号流和能量流的闭环,以及跨系统的信息流交互。其业务场景主要围绕设备/产品功能域的设计、实现及仿真开展,在此过程中将使用工业软件,重点支撑软件定义产品的落地。


运营体系:车间生产运营体系、售后产品运营体系。重点通过垂直集成,实现信息流与物流的高效闭环,以打通信息流/物流与信号流。其业务场景围绕生产制造、客户服务展开。在此过程中重点应用物联网、大数据等技术,支持软件定义制造、软件定义服务,实现智能化生产和敏捷化服务模式的创新。


产品生命周期管理体系:该层次重点实现价值链集成,业务场景围绕研发、工艺、生产、保障等产品全生命周期的协同及管理业务展开。


企业战略及运营体系:该层次重点实现横向集成,实现资金流、信息流的畅通,业务场景围绕战略决策、业务运营、资源优化统筹运营展开。


在企业的上述每个实现层次,都涵盖了CPS的单元层、系统层、SoS层的特性,并在具体实现上呈现特定的技术体系和应用模式。下面第二章节将结合这些不同的实现层次分别进行详细论述。

CPS白皮书中对CPS的能力特征进行了说明,这里不再重复。针对CPS的能力特征,需要一定的使能技术,以支撑上述不同层次业务体系的实现。这些不同的使能支撑技术如何融合,采用一个怎样的技术架构去融合,是摆在企业面前的一个挑战。我将在最后一节中对上述技术的融合架构进行一定的说明。

承接上述不同的CPS实现层次,这里结合制造企业的两化融合实际现状,给出相应的未来场景需求。对于上述的CPS不同实现层次,可以用WSR(物、事、人)图进行归纳。

W(物):意为产品,体现CPS智能产品维,具有CPS三个层次:Product、System、System of System;

S(事):意为生产活动,体现CPS智能工厂维,同样具有CPS三个层次:设备、车间、企业;

R(人):意为面向企业管理层、客户,体现CPS运营保障维,同样具有CPS三个层次:部门级、企业级、企业联盟级。


在具体业务场景方面,主要结合大部分企业的现状进行未来场景需求的展望,具体参见图中的描述。企业根据业务转型的实际需求,确定转型升级的重点方向(如提高产品智能性、实现智能化生产、服务转型等),然后结合自身发展成熟度水平,选择适合的业务场景进行实现。

前面对CPS框架、实现体系、企业基于CPS的业务实现需求进行了描述,接下来重点从智能产品维、智能工厂维、运营保障维,分别对CPS技术体系、以及基于CPS技术体系的应用模式进行说明。


在CPS技术体系的实现及工程化应用方面,资源优化是目标,实现数据自动流程是关键、整合工业软件是核心、形成行业适用的解决方案是重点。

在技术体系实现方面,体现三个维度,每个维度对应CPS三个层面;在每个CPS层次,都体现内在共同特征:感知、分析、决策、执行。


在业务场景设计方面,需要结合企业业务体系,融合先进管理方法(DFSCM、DFMA、CPI等),结合CPS技术体系,突出CPS支撑下的新能力、新模式,刻画未来业务场景,推动企业业务转型。

在CPS智能产品维,其单元级的技术体系要素如图中所示。该部分能力体现在产品上,形成产品的智能化特性。在该类智能产品的实现层面,一方面需要产品本身的技术突破,另一方面需要工业软件等使能技术,以支持上述智能特性的设计、仿真验证、集成测试等。

在产品运营层面,需要构建相应的技术体系支持产品云端接入、产品运营监测,实现产品远程服务、故障预测及分析,支持PaaS等产品新服务模式等。该技术架构可以基于在公有云或私有云上构建的工业互联网平台实现支撑。


产品在运营服务体系中,可以与其他产品体系整合,形成更大的SoS运营体系。

在智能产品维的典型场景主要包括:基于互联MBSE的CPS架构设计、数字化产品定义及虚拟仿真、软件定义产品、产品智能互联服务。这些场景需要的具体能力见图中所示。

业务场景:基于互联MBSE的CPS产品规划及仿真。CPS产品中的Cyber及Physical,以及二者集成后体现出的行为(Behavior)及性能都可以在产品前期顶层规划阶段,采用基于模型的系统工程方法进行建模和仿真,以设计和验证CPS的特性来满足用户需求。通过与样机或试验件的物联,可以实现产品设计过程中的问题洞察,以对产品进行优化完善,提高产品质量和促进产品创新。

业务场景:软件定义产品。CPS中的Cyber的大部分功能需要软件来实现,为此,实现软件研发、执行、部署、更新的一体化,对智能产品的研发及后期运维至关重要。企业原有的软件管理系统侧重基于CMMI、GJB5000A、Do178B/C标准的软件工程化管理,与软件研发、集成、测试、部署、远程灌装的实际执行过程存在脱节问题。

业务场景:CPS产品数字化定义及质量保证。该部分场景侧重基于全三维数字化手段进行设计实现,并基于增强现实等手段支持协同效率的提升。此外,将质量分析能力与研发过程、后端运营数据采集结合起来,支持基于研发数据、运营可靠性数据的问题根因分析等,实现软件研发的持续迭代,推动产品研发创新。

业务场景:智能产品互联服务。产品交付运营后,需要通过维修等运营保障体系来确保产品良好的运营特性。在维修保障过程中,未来将采用远程维修、预见式维修、基于AR的维修指导等新的能力,以降低产品停机时间,提高运营效率,并通过收集到的运营数据优化维修方案等工程环节,形成闭环的服务循环保障体系。

该场景是德国eGO智能互联电动汽车的实际应用案例。电动汽车在前期顶层架构设计时即从SoS角度考虑运营监测、充电桩、汽车等之间的运营协同行为及接口关系。基于顶层架构设计,可以实现嵌入式软件代码的自动生成,并支持软件代码的自动化远程灌装。电动汽车在实际充电时,产品运营监测中心可以实时监测哪台车、在哪里的充电桩充了多少电。此外,运营监测还实现充电桩设备的实时监测及健康管理。

在CPS智能工厂维,技术体系主要实现垂直集成,框架如图所示。各个层次的职能如下:

设备层:构建OPC Server,基于通用的OPC工业标准进行设备PLC、传感器的联接,形成异构设备互联的通用平台。

应用层:基于业务集成及应用使能平台与HMI/SCADA数据库、运营管理(MES或MOM)、企业级业务系统PLM/ERP/SCM等的集成,采用OSLC/REST/Web Service等集成技术标准统一所有应用接入模式。

数据层:基于大数据库软件建立大数据存储能力,基于平台建立大数据分析及预测能力。

业务层:业务集成及应用使能平台具有万物(设备、系统等)快速建模能力和APP应用快速构建能力,并支持桌面、手持终端等多种显示设备端的发布能力。

智能工厂维的业务场景:数据驱动的生产。主要实现数据流自研发端向生产端的流动,以数据驱动生产,而非完全通过计划驱动。该部分需要数字化工艺设计能力,形成结构化操作指导,并可以发布至生产环节。工人可以基于生产环节的智能操作指导APP,开展加工及装配工作。此外,可以将基于AR的装配指导等技术应用在生产装配环节。

智能工厂维场景:车间/企业级运营管控。面向车间、企业生产管理人员,支持零部件、装配车间的整体KPI监控、基于产线的监控、具体工位的作业监控、基于Digital Twin的生产及装配过程可视化监控、工位保障状态监控等。

业务场景:设备资产及健康管理。按照设备不同类型及监控需求,实现单一设备运行状态监控功能,支持设备运营KPI图形化动态展示、关键参数可视化展示、设备基本信息管理、沟通协调管理、运维管理等。


此外,关键设备的非正常停车将对产线的节拍化生产带来较大的影响,被动式应急问题解决方式也将影响设备的运行寿命和基于设备的产品生产质量。因此,有必要对关键设备的健康状态进行监控,并建立健康状态模型,支持设备故障预测预警,避免非计划停车问题的发生。

从企业运营保障的角度,需要实现全价值链集成、垂直集成、横向集成等,以此为基础实现多要素数据采集、多业务系统整合,并采用AR等技术将多要素数据信息可视化地呈现给各级管理人员。在可视的基础上,实现大数据分析支持的运营保障决策,如:质量问题根因分析、成本优化、产品投产预测、备件预测等。

该场景主要体现基于CPS运营保障技术融合体系下的多要素数据可视化,使得企业管理层可以实时获取多维度企业工程及运营数据,实现全过程、全要素的可视。图中即实现了需求、设计实现、质量、数字化模型的综合展示。

在CPS技术体系的建设和应用上,需要结合企业实际情况进行路线规划和逐步开展建设和应用。具体执行过程中,遵循五统一指导原则:

实体制造与虚拟制造的统一:CPS的引入即是支持未来研制及服务的新模式。通过物联网等技术,可以打破实物与虚体之间的障碍,实现虚实互联下的半实物仿真,虚实互联下的实体制造智能指导。


层次性与系统性的统一:解决CPS层次内及多个层次间的集成关系,采用系统工程方法实现集成模式松耦合、功能实现紧耦合。


继承性与创新性的统一:CPS技术体系的构建不是要全部推翻企业已有的技术体系,需要结合未来整体规划,进行技术框架改造,承接已有的部分核心能力,实现与创新技术体系的融合,避免前期投资的浪费。原有系统平台,可以采用新的技术协议进行集成组件封装。


理论性与指导性的统一:通过理论研究探索未来的新模式,在具体建设过程中要结合企业实际情况,确定具体指导意见,做好先进性与务实性的统筹兼容。


阶段性与演进性的统一:实现总体规划并按照阶段进行逐步实施,注重实现过程中的CPS技术演进的更新迭代。CPS演进体现在产品特性、服务模式、运营模式上的不断创新突破。


网友互动环节

【群友提问】:不少业内人士认为CPS与工业互联网、IOT一类的技术很难分清。工业互联网平台是不是CPS的最高级的形态?您如何理解这几类技术之间的联系与区别。或者说有没有必要去做区别。

【陈继忠】:目前确实有很多概念,容易给大家特别是企业层面带来很多困惑。我对这些概念的理解如下,CPS是两化深度融合的综合技术体系,工业互联网平台、IOT都是综合技术体系中的一个环节。CPS是通过C、P的结合实现S的体系化融合,并带来C、P单独并不具备的能力。工业互联网平台是CPS的使能技术平台,并不能理解为它的高级形式。


【群友提问】:您讲的第三个场景,智能产品运营维讲得略少一些。是不是目前CPS主要在产品设计、生产现场更容易实现技术的集成?

【陈继忠】:在价值链研发、生产、服务运营中,各个行业的需求迫切度不同,都有很多应用场景。对于企业战略运营管理层面,这方面的场景需求确实还不太多,目前大家的需求能够具体描述的,基本聚焦在企业整体运营的可视化,对于运营智能决策方面的场景,需要不断地深挖。这个与目前的业务成熟度和认知度有关。目前,我们跟麦肯锡一起,在整理这方面的场景。


【群友提问】:对于制造企业而言,要落地CPS,首先需要选择是追随哪一家平台?还是自己建一个平台?

【陈继忠】:制造企业要落地CPS,不是说先选什么平台或者自己建平台的问题,应该首先想企业未来的转型方向是什么,然后确定未来侧重的业务模式,根据业务模式确定未来建设内容及优先级,之后才是考虑平台部署模式、平台选型问题。平台是为企业需求服务的,不存在企业追随平台的问题。


“相信我,2017,中国制造最大的IP是CPS” 

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CPS专家宣讲团第二期活动总体安排


时间

主讲专家

宣讲主题

第一讲

7月5日

20:00

陈继忠:参数技术公司智能制造委员会主编

CPS的使能技术体系建设及应用

第二讲

7月19日

20:00

朱铎先:走向智能研究院研究员、北京兰光创新科技有限公司董事长

CPS“二维九格”落地方案及实践

第三讲

8月2日

20:00

郭朝晖:走向智能研究院研究员、宝武钢集团中央研究院首席研究员

控制论、互联网与CPS

第四讲

8月16日

20:00

侍乐媛:北京大学工学院工业工程系主任、美国威斯康辛大学(麦迪逊)终身教授

CPS生产系统平台与应用案例


组织架构

指导单位:工业和信息化部信息化和软件服务业司

主办单位:中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院

支持单位(持续更新中):中国机电一体化技术应用协会、中科院青岛软件研究所、北京信息科技大学自动化学院、北京科技大学智能装备产业技术研究院、机械工业出版社、中科院计算所华南分所、华为、索为、PTC、兰光创新、英诺维盛、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易、大驰创新等,以及e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、工业4.0商业共同体、慧造智能研究院、工控兄弟连、制学网等。


主办单位简介

中国电子技术标准化研究院

中国电子技术标准化研究院(工业和信息化部电子工业标准化研究院,工业和信息化部电子第四研究院,简称“电子标准院”、“电子四院”),是工业和信息化部直属事业单位,是国家从事电子信息技术领域标准化的基础性、公益性、综合性研究机构。


中国信息物理系统发展论坛 

中国信息物理系统发展论坛是在工业和信息化部的指导下,由中国电子技术标准化研究院联合电子一所、电子五所、赛迪研究院、中航工业信息技术中心、华为、石化盈科、北航、同济等单位联合发起成立。中国信息物理系统发展论坛致力于通过CPS技术和标准研制,进一步深化制造业与互联网融合发展,构建一个信息汇聚的交流和推广平台,共同研究CPS发展战略、技术和标准,开展试点示范,推广优秀的技术、产品和系统解决方案,推动CPS核心技术领域的重大突破。


走向智能研究院

走向智能研究院是北京走向智能科技创新中心兴办的国内首个智能化综合创新类研究智库,研究院以深入研究广义智能系统、持续推进技术创新、奠基中国本土新工业革命思想为己任,前身为我国新工业革命与智能化创新理论专著《三体智能革命》编委会。


声  明

CPS专家宣讲团网络宣讲活动,在工信部信软司大力支持下,由中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院主办,集中开展CPS网络宣讲。欢迎更多的企业、社群及网络朋友参与”CPS信息物理系统专家宣讲团“活动。

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