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CPS专家宣讲团 | 朱铎先:“二维九格”CPS落地方案及实践         

  • 关键词:CPS
  • 摘要:各位群友,大家晚上好! 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专家宣讲团第二期继续开讲,今晚我们将聚焦CPS行业应用与案例。

  CPS专家宣讲团第二期第二讲


  朱铎先:“二维九格”CPS落地方案及实践


  时间:2017年7月19日晚20点


  主讲专家:


  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


  主持人:
  王继宏:中国机电一体化技术应用协会副秘书长、走向智能研究院特约研究员

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:

  各位群友,大家晚上好! 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专家宣讲团第二期继续开讲,今晚我们将聚焦CPS行业应用与案例。我叫王继宏,是中国机电一体化技术应用协会副秘书长、走向智能研究院特约研究员。非常荣幸担任今天晚上多个科技、产业社群同步直播CPS专家宣讲团活动的主持人。


  这是我第一次在虚拟空间里主持专业的科技交流活动,觉得很有意思、也非常高兴在赛博空间与广大群友重逢,分享一顿丰盛的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。


  今天我们开展第二讲网络宣讲活动,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中国机电一体化技术应用协会MES分会副理事长、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朱铎先先生。朱总是我生活中的好友,也是我非常尊敬的专家型企业家。他曾在航天第二研究院、美国PTC公司工作过多年,有20多年的制造业信息化研究与实施经验,是我国智能工厂领域的实战型专家。朱总发表过关于工业4.0、智能制造等方面的专业文章二十余篇,合著《三体智能革命》一书。今天为我们做CPS行业应用和案例主题宣讲,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、树根互联、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。


  接下来,有请朱铎先先生进入宣讲时间,为大家分享““二维九格”CPS落地方案及实践”:


  “二维九格”CPS落地方案及实践


  大家好!感谢主持人的介绍,感谢主办方给我这个机会与大家交流,感谢大家宝贵的时间,也感谢前面郭主任、宁总、赵院长、邱主任、陈博士等专家对CPS的宣讲,使大家对CPS有了一个更清晰、更深刻的认识。


  CPS是Cyber-Physical Systems的简称,常见的中文翻译是信息物理系统,笔者认为Cyber并非信息,翻译为赛博物理系统可能更合适些,宁总等专家前面已经提及过,在此就不再赘述。CPS源于美国,却因为德国工业4.0而风靡全球。在我国CPS也得到高度重视,在《中国制造2025》中明确强调:“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”,CPS已经成为智能制造的核心支撑技术与重要抓手。



CPS的典型定义


  在《信息物理系统白皮书(2017)》(以下简称“白皮书”)中,对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述,并对CPS进行了三个层次的划分,即单元级、系统级、SoS级(系统之系统),分别以“网”、“平台”为标准,从功能范围上界定了CPS的分级。白皮书为我们提供了CPS标准的、规范的、清晰的定义,这对CPS在中国的快速发展起到了积极的推动作用。在此,向为CPS白皮书做出贡献的领导与专家致以崇高的敬意。


  但笔者经过深入研究后认为,这种划分只是从横向上进行了一维的定义,在指导落地方面尚显不足,还应该从其他维度进行定义与划分,通过多维度定义、组合、演进,将CPS进行进一步分类,简化其复杂性,淡化其神秘感,降低其落地难度,形成更多易于落地的解决方案,从而更好地指导、促进智能制造的发展。


  下面,笔者就围绕CPS落地方面谈谈自己一些粗浅的想法。由于CPS在国内外尚处于一个探索阶段,尚未形成统一的标准,再加上笔者才疏学浅,可能对白皮书及对CPS的认识不够深入,不足之处,敬请各位专家批评指正。


  一、三个层次清晰揭示CPS演进方向


  白皮书将CPS分为三个层次,分别是单元级、系统级、SoS级,通过三个层次的划分,可以清晰地看出CPS的演进发展方向。这种划分方法与美国、德国等国家的相关定义基本是一致的。


1、中国白皮书



白皮书对CPS三个层次的划分


  白皮书对这三级CPS的定义如下:


  单元级CPS:单元级CPS具有不可分割性,其内部不能分割出更小CPS单元。单元级CPS能够通过物理硬件(如传动轴承、机械臂、电机等)、自身嵌入式软件系统及通信模块,构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环,实现在设备工作能力范围内的资源优化配置。


  系统级CPS: 在单元级CPS的基础上,通过网络的引入,可以实现系统级CPS的协同调配。在这一层次上,多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS。


  SoS级CPS:在系统级CPS的基础上,可以通过构建CPS智能服务平台,实现系统级CPS之间的协同优化。在这一层次上,多个系统级CPS构成了SoS级CPS,如多条产线或多个工厂之间的协作,以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。


  白皮书分别以“网”、“平台”为标准,将CPS划分为三级,定义的非常清晰。


2、美国NIST



  美国国家标准与技术研究院(NIST)于2016年5月发布了《信息物理系统框架》也是典型的三个层次。分别是人机协同下的设备级、系统级、SoS级,与中国白皮书几乎是完全一致,或者是说白皮书参考了该模型。


3、德国达姆施塔特技术大学



  德国达姆施塔特技术大学(Technische Universität Darmstadt)Reiner Anderl教授给出了如下的划分:


  分别是在嵌入式系统与智能传感器等基础上形成智能系统(包含智能传感器与执行器)、CPS系统及CPPS系统(赛博物理生产系统,也是一种典型的SoS)。


  从中美德三国对CPS演进的划分来看,中国白皮书划分最为清晰(以“网”、“平台”作为划分标志),美国NIST的最为经典,并且突出了“人”的作用,而德国的演进路径突出了德国最擅长的嵌入式技术、制造技术等特点。


  通过这些划分,我们可以很清晰地看到CPS由简单到复杂、由低级到高级的演进路径。


  二、一维只能界定属性,二维才能更利于CPS落地


  但笔者认为,这种横向一维的划分只是对系统属性进行界定,对指导CPS如何落地尚显不足,如果加上纵向的智能层级属性,形成二维的定义将更有利于对CPS的理解,并可更好地促进CPS的落地。


1、智能系统的三个层级


  在笔者共同编著的《三体智能革命》一书中,我们将人造系统的智能根据“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升”的5大特征(简称“20字箴言”)划分成了三个纵向的层级,分别是:


  初级智能系统:具备状态感知、自动决策、即刻执行,即有感知、自决策、善动作的系统。这类系统由工业装置自身即可实现。


  恒定智能系统:具备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征,在初级智能的基础上强调了系统的分析与决策能力。


  开放智能系统:具备智能的5个全部特征,状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。系统具有一定的认知能力,并具备了自我改善、学习提升的持续发展能力。
  这三类智能可用下面的图示表示。



2、“二维九格”衍生九种CPS落地方案


  基于以上两个维度的划分组合,即通过横向的三个属性层级与纵向的三个智能层级,我们可衍生出9种CPS落地方案,请见下表。


  下面,我们对这九种落地方案进行逐一阐述。


  根据以上划分,单元级这一列共有三组不同智能等级的CPS,它们的特点是最小的CPS单元,具有不可分割性。


  初级智能/单元级:如冰箱恒温装置。该装置可感知温度,在温度超出一定范围后,能自动决策,即刻启停制冷开关。这是CPS一种最基本的初级智能、单元级的应用。


  恒定智能/单元级:如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化,基于知识的决策,在较小载荷的情况下自动增大进给速率,在较大载荷的情况下又会减少进给速率,达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点,并且具有不可再分割的特点,所以是一种恒定智能/单元级系统。


  开放智能/单元级:典型的例子如阿尔法围棋程序系统(AlphaGo)。AlphaGo除了具有实时分析、自主决策等功能以外,还具有学习认知的能力,但由于具有不可再分割性,因此,这是一种开放智能/单元级系统。


  第二列是三组系统级CPS的例子,共同特点是引入了“网络”的概念。


  初级智能/系统级:如宾馆火灾烟雾自动监控报警系统。每个房间的感烟探测器感应到烟雾后,将信号通过网络传递到中央控制室,启动报警设施,并自动启动喷水灭火系统进行灭火。这是一种通过网络、具有实时感知、自动决策、即刻执行特点的初级智能系统级CPS。

  恒定智能/系统级:如智能车间/产线。通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、工业大数据分析与可视化展现,并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理,设备、物料、质量等出现问题时,系统会自动通知相关人员,甚至自动进行声光电等报警措施,实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策(准确地说,这里是部分自主决策,有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策)与精准执行,实现了设备等物理世界与MES等赛博世界的深度融合,可以算是一种典型的恒定智能系统级CPS。


  开放智能/系统级:这种系统具有自学习、自认知功能,如设备预测性维护系统。系统通过实时采集设备状态,进行数据挖掘与历史数据分析,以及与其他类似设备的进行比较,能通过自学习的方式推理、判断即将发生的故障,达到进行预测性维护的目的。


  SoS级具有“平台”概念,并实现了多CPS系统之间的协同优化,是比较复杂、相对高级的CPS系统,以下是从智能层级方面对SoS级CPS的划分。


  初级智能/SoS级:如共享单车。单车通过GPS定位单车位置,通过APP获知客户信息,通过云端发送过来的开锁信息进行电控锁的开关。具备了状态感知、自动决策、即刻执行的特点,并且是基于云平台的一种运营模式,是一种由众多初级智能的单元级系统组成,并具有通过平台多系统之间协同的系统,可以算是一种最简单的初级智能SoS级CPS。


  恒定智能/SoS级:如汽车导航系统。具备位置、路况等信息的状态感知,通过实时分析形成最优路线,并根据实时路况给出最优的路线,具有典型的状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征,这些数据是基于云平台上众多汽车采集的信息并进行协同优化的,是一种中级智能(恒定智能)、平台级的SoS级CPS。


  开放智能/SoS级:系统既具有自认知、自学习等高级智能特点,还具有多系统协同优化的特点,典型的如海陆空天赛(博)五域作战指挥协同系统等。这是非常复杂、非常高级的CPS系统。


  笔者将这种独创的、从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS,并衍生出九种 CPS落地方案的方法,称之为“二维九格”CPS定义法。


  通过上述定义,我们就可以发现CPS并不神秘,通过界定、细化各CPS系统的属性、智能程度、基本特点等,使CPS系统更容易落地,很好地支持企业创新的发展。企业结合自身特长将自己清晰地定位在某一格或某几格(不一定是难度最大的开放智能层级),重点突破,就可以相对容易地设计出很多富有创意的产品,可很好地支持企业的创新,这对“万众创新”具有很好的推动作用。同样,初级智能/系统级、恒定智能/系统级以及初级智能/SoS级、恒定智能/SoS级等方案,也会很容易衍生出各种智能制造解决方案,形成共享单车这类个体初级智能的SoS级CPS,形成不同的商业模式,从而很好地支持“大众创业”。


  可以说,“二维九格”CPS定义法不只是对CPS落地很有帮助,对当今“双创”(大众创业、万众创新)也是很有参考价值的。


3、从国外经验来看,CPS的二维定义迫在眉睫


  现在,工业4.0已经成为影响全球智能制造的战略,成为德国非常成功的一次国家级营销。但假如说,德国对工业4.0的描述只是停留在一个核心—— CPS系统以及三项集成(纵向集成、端对端集成、横向集成)的水平上,大家也只能对工业4.0有个模糊概念而已,如果对工业4.0如何落地,如何衍生新的商业模式仍然是一头雾水,就很难推动工业4.0的实现。但聪明的德国人从三个维度进行了设计,通过“工业4.0参考框架(RAMI4.0)”这个模型,工业4.0的各种落地方案、商业模式就呼之欲出了。



德国工业4.0参考框架


  德国用一个三维模型清晰地表达了工业4.0的框架,美国GE则用一个二维的定义将工业互联网进行阐述,机器——设备——组织——网络,智能设备——智能系统——智能决策,从哪开始做,做成什么样子,都清清楚楚地表达出来了。



  可以说,CPS传统一维的定义,只能比较清晰地界定了系统的属性,不能明确地指导系统的落地。笔者认为,尽快完善CPS二维甚至多维的定义,将有助于CPS在我国的快速发展,在中国制造急需向中国智造转型升级的关键时刻,这项任务显得尤为重要与迫切。


  三、CPS的实践应用


  兰光创新自2002年成立以来,一直致力于数字化车间建设,在航天航空、军工电子、机械制造等行业有500多家客户,在CPS方面做了很多的探索。下面以海尔模具CPS系统为例,向大家汇报一下我们在这方面的实践。


1、项目简介


  青岛海尔模具有限公司(以下简称海尔模具)隶属海尔集团,是中国最大的模具及检具制造商。海尔模具专业提供汽车类、家用电器、电子类,精密类产品模具,拥有世界先进的加工中心、火花机、线切割等专业设备250多台套。


  2013年年初,兰光创新为海尔模具量身打造了国内领先的CPS生产协同管理系统,该系统以设备互联互通为基础,以人—人、人—机协同为特色,实现了信息系统与物理系统之间的深度融合,达成了企业生产数字化、网络化、高效化、少人化的目标,明显提升了企业的生产效率与市场竞争力,取得了良好的经济与社会效益。


兰光物联网系统(物理世界的设备与赛博世界的信息深度融合)


2、项目实施效果


1)实现了信息系统与生产设备的深度融合


  本系统将海尔模具所有的数控设备全部联入了DNC网络,设备由以前的信息化孤岛变为了信息化节点,所有加工程序实现了安全的集中管理、严格的流程审批、高效的自动传输、可靠的虚拟仿真,并对设备进行了24小时全天候的状态实时监控,包括设备开关机、故障信息、生产件数、机床进给倍率等信息均在第一时间及时获知,有效地减少了信息不透明导致的沟通时间,实现了生产过程信息最大程度的共享,生产过程中的生产准备情况、程序信息、机床状态、异常情况、生产进度等各类信息均实现了实时化、透明化、精益化的管理。



CPS业务流程图


2)以设备为中心,以协同生产为主线,实现了多部门的协作管理


  将产品加工由传统的串行作业优化为并行作业,生产管理、CAD/CAM、工艺、计划、班组、质量、设备各部门紧紧围绕产品制造这一核心目标,全面实现了数字化的并行管理,最大程度地减少了等待等时间浪费,明显地提升了生产效率。系统支持手机短信、邮件自动发送、客户端登录提示等方式的交互方式,使班组长、操作工、设备维修组、电极准备室、刀具室的响应速度提高30%以上。



CPS协同并行管理


3)实现了基于大数据分析的决策支持


  系统实施后,企业管理者可在办公室实时、直观地查看到产品加工计划的准备情况、工序状态、在制品信息、任务生产进度、生产过程中设备的详细运行参数等信息,并通过系统的大数据分析功能,从海量数据中提取、分析出各种图形与报表,设备的各种数据、运行趋势、异常情况等一目了然,管理者的决策建立在真实、量化、透明、智能分析的基础上,从而可以很好地实现生产过程的科学管理。



CPS决策支持图表


4)经济效益明显


①模具加工准备平均时间从1小时缩短到0.5小时,缩短了50%的生产准备时间;
②编程部、计划科、各个线体实现了90%以上的信息共享,缩短了沟通时间50%;
③实施系统后,操作工1人可以操作5台设备,用工数量减少25%以上;
④实现了100%的程序自动传输,设备有效利用率(OEE)平均达到75%。OEE已经远超国内企业40%的平均水平,也高于欧美发达国家70%的标准,逼近日本企业80%的最高水准。


  以上是兰光创新在2013年实施的一个CPS项目,按“二维九格”的划分标准,本系统属于恒定智能系统级的CPS系统。


  随着工业4.0、智能制造等理念的深入,兰光创新近些年来在物联网技术、预测性维护、智能化MES等方面都有了很大的提升,衍生出了系统级、SoS级(多车间级智能化MES)等不同层次、不同行业的多种CPS解决方案,限于时间关系,在此就不再赘述。


  四、结束语


  CPS作为智能制造的核心支撑技术,必将在中国智能制造转型升级中发挥重要的价值。但现在,即便是全球的范围内,对CPS的认知还不完全统一,甚至没有一个统一的权威定义。白皮书的发布,对规范大家对CPS的认知、厘清CPS的特点、层级及实现等方面都具有积极的推动作用。笔者认为,我们对CPS的认知也应该是一个不断迭代的过程,我们既要肯于研究国外的先进理念,更好地理解CPS精髓,又不要拘泥于别人的说法,结合中国实际情况,敢于提出自己的认知,衍生出指导CPS的各种落地理念与执行标准,促进中国智能制造的快速发展。


  “二维九格”CPS定义法是笔者在认真学习CPS白皮书后并经过深入思考后的结果,对CPS的细化与落地具有一定的参考价值,但未必一定完全正确,希望本次交流能起到抛砖引玉的作用,对推动CPS的发展有所帮助,我的汇报就到这里,谢谢大家的时间!
敬请各位专家批评指正!


  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。转自走向智能研究院。


发布时间:2017年8月10日 15:25  人气:   审核编辑(王静)
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