CPS在歐洲制造業(yè)中的地位展望

制造業(yè)是歐洲的重要資產，考慮到其對服務業(yè)的影響，制造業(yè)還是研究、創(chuàng)新、生產力、新增就業(yè)和出口的支柱。去工業(yè)化浪潮入侵歐洲，但是世界經濟形勢和歐盟政策都揭示了扭轉這一趨勢的方式。

信息物理系統（CPS）將會在歐洲再工業(yè)化帶來的機會中起到關鍵的作用，尤其是考慮到歐盟生產了世界上30%的嵌入式系，特別是在高附加值行業(yè)如汽車、航空和醫(yī)療保健。這些技術正在促進智能工廠和虛擬工廠的建立，并在垂直和水平兩個方向上加強供應鏈和價值鏈。

歐洲制造業(yè)的相關性

工業(yè)在歐盟的經濟中扮演著核心的角色，約占GDP的15%（美國是12%）。工業(yè)是研究、創(chuàng)新、生產力、創(chuàng)造就業(yè)和出口的主要動力。工業(yè)產生了歐盟80%的創(chuàng)新成果和75%的出口。如果把工業(yè)對服務業(yè)的影響也考慮進去，工業(yè)可以說是歐洲社會經濟的引擎。2016年4月14日，歐盟委員甘瑟?H?奧汀格在漢諾威工業(yè)博覽會上很明確的說道“工業(yè)是歐盟經濟的核心支柱——歐盟制造業(yè)有200萬家公司并提供了3300萬個工作崗位。我們的挑戰(zhàn)在于確保所有的工業(yè)領域都能夠充分利用新技術并實現向高價值數字化產品與工藝的轉型，也就是工業(yè)4.0。當前，工業(yè)制造占歐盟GDP的15%，是出口的最主要來源，是研發(fā)投資的主要來源之一，也是其他領域就業(yè)的主要驅動力量。鑒于工業(yè)在經濟增長和創(chuàng)造就業(yè)方面的巨大潛力，歐盟已經定下了目標，要提高工業(yè)對GDP的貢獻率，到2020年達到20%?！?/p>

另一方面，全球競爭和金融危機讓當前的工業(yè)化和就業(yè)水平都面臨嚴重挑戰(zhàn)，因而定義策略、政策和措施需要真正思維方式的轉換。對此，奧汀格先生也提出了“要達到我們的目標，我們需要快速應對并且成為數字制造的先鋒。”

實現這一目標的關鍵已經得到明確：

數字產品創(chuàng)新：在產品和人工制品中嵌入數字技術所帶來的機遇幾乎是無限的。

轉換過程——智能制造：數字創(chuàng)新影響產品的整個生命周期“從搖籃到墳墓”。從產品設計、仿真工具到自動化和車間控制，以及從物流和供應鏈管理到產品追蹤和回收利用。

使用數字技術會使得業(yè)務模式產生根本和顛覆式的改變，包括已經成熟的行業(yè)，如汽車、照明或紡織。這些改變會影響我們處理業(yè)務的方式并在將來創(chuàng)造價值。

對新技術的采納，需要克服當前不同工業(yè)領域、地區(qū)、大型公司和中小企業(yè)在數字化方面巨大的差距。

中小企業(yè)和中型企業(yè)是歐盟經濟的支柱。歐盟不能在此次進化過程中離開這些企業(yè)，并且需要采取特別的行動來確保它們的完整參與。

CPS在制造業(yè)的應用

更短的產品生命周期、快速上市、產品復雜性、成本壓力以及國際競爭加劇等，為了應對這些挑戰(zhàn)，制造企業(yè)和研究機構平行開發(fā)了新的信息通信技術和制造自動化系統。虛擬世界和實體世界以信息物理系統(CPS)的形式聚合，帶來了第四次工業(yè)革命的機遇。

歐洲天蝎座項目提議對信息物理系統進行如下定義：

信息物理系統是自主協作實體，能夠像物理實體（嵌入式系統）一樣感知和行動，并能夠在全球網絡上通信、并通過計算機化的同伴（數字孿生）在網絡世界里計算以及存儲數據和信息。其主要特征如下：

?整體生命周期研究方法：在工作場所內外探索信息物理系統，包括不同的實體在不同階段的遍布數據的存儲、組織和共享；

?生態(tài)系統研究方法源于系統間的完全互操作性，其基礎是共同愿景和標準以及挑戰(zhàn)刻板的標準化層次結構的能力，目的是通過清晰明確的功能創(chuàng)造動態(tài)結構；

?給顧客和經營者提供新的增值服務，通過多種特別應用組件的聚合，在利用、生產和設計過程中為公司、經營者和顧客創(chuàng)造新價值。

為了和周圍環(huán)境進行互動（即垂直和水平集成），信息物理系統嵌入了計算能力，能夠檢索并詳細闡述來自傳感器、信息系統、制造資源、產品和顧客等的實時信息。因此，利用如此大量的數據并結合新技術，如云計算和高性能計算，創(chuàng)新型公司現在能夠通過3D建模軟件對工廠內的物理對象進行虛擬化。在制造業(yè)中，這項實踐有幾個益處，比如，通過在視野中添加必要的信息，復雜任務如裝配和維修可以用簡化的方式執(zhí)行。例如，波音、寶馬和大眾正在整合這些新技術以改善裝配流程。

歐洲制造業(yè)中的CPS

信息物理系統在制造業(yè)的應用有望大規(guī)模影響歐洲的工業(yè)、經濟和社會。歐洲側重于通過若干創(chuàng)新舉措和金融支持來對該領域進行促進和投資（例如第七框架，地平線2020，ARTEMIS，I4MS等項目）。然而，對這些技術的普遍采用需要定義和接受新的業(yè)務模式，這樣信息物理系統才能得到小企業(yè)和大企業(yè)的支持。要實現這一目標，有一些挑戰(zhàn)需要面對，大部分的挑戰(zhàn)并不是專業(yè)技術方面的，比如，我們已知的：隱私、安全、可靠性、屬格能力、人際互動、普遍性、標準化、穩(wěn)健的互聯性和治理。天蝎座研究路線圖識別了這些因素并將它們命名為“環(huán)境因素”。相應的，在工業(yè)中引入信息物理系統的根本要求已經在天蝎座路線圖中得到明確：

?適應多樣異構的環(huán)境：集成最前沿的信息系統、智能設備以及現有環(huán)境（從老式的程序邏輯控制系統到嵌入計算能力的智能組件）。

?能夠在分布式網絡中工作：要以可靠的方式收集、傳輸并存儲所有由物聯網的智能傳感器和執(zhí)行機構提供的信息。

?基于模塊化的開放式架構：一定要確保在價值鏈上各供應商提供的不同平臺間的互操作性。

?整合人類交互界面（基于硬件和軟件）：集成界面友好且可靠的服務，讓決策者能夠了解工廠的實時狀態(tài)。

?可擴展性：不同的擴展解決方案提供快速的配置重組。

?容錯：考慮到模型的封裝，激活預測控制回路和自動化系統糾正。

天蝎座愿景

天蝎座愿景表明了新的自動化金字塔結構圖如何反映產品-工廠生命周期的整體概念。信息物理系統的層級以及工業(yè)層級被作為整體視角的基礎。天蝎座愿景參考了企業(yè)控制系統集成標準IEC62264作為參考架構模型，而“信息物理系統層級”則是由國際通信學會的工業(yè)互聯網參考架構和工業(yè)4.0參考架構模型兩者的概念整合而成的。

在信息物理系統層級的頂端，從企業(yè)的角度來看，天蝎座愿景考慮了信息物理系統要進行互動的不同的遺留系統。產品工廠生命周期視角需要包括生產之外的自動化和IT系統甚至工廠本身。

天蝎座愿景承認信息物理系統的固有特質，挑戰(zhàn)嚴格的層級結構，因為每個信息物理系統都能夠跨所有層級實現復雜的功能，因而愿景采用了新的金字塔結構圖的表示方法，領域層級中明確標明信息物理系統能實現的功能（因此和每個金字塔結構圖層級都有聯系），但是分層的結構得到了保留。單個的信息物理系統按照層級安排在信息物理系統的群組中，去實現特定的功能。信息物理系統的組件，只要是遵守互動標準，就可以由任意自動化供應商供貨。

圖1：天蝎座——產品/工廠生命周期自動化金字塔結構圖

自動化金字塔結構圖（企業(yè)系統與控制系統集成國際標準ISA95）因此傾斜，是經過拓展包括了所有一般自動化領域之外的IT系統，但是必須要用拓展的生命周期視角來進行考慮。天蝎座協作金字塔結構圖因而包含了由ISA95衍生出來的信息物理系統-自動化金字塔結構圖，和產品生命周期管理工具，覆蓋了產品和工廠的設計和工程階段，以及產品/服務的IT系統，該系統能夠開發(fā)并改進服務以及拓展制造企業(yè)的業(yè)務領域。產品的生命末期管理系統以及工廠的虛擬停運系統也被包括在內。

這個愿景因而把市場上的各種工具（產品生命周期管理，可編程邏輯控制器，數據采集與監(jiān)視控制系統，制造企業(yè)生產過程執(zhí)行管理系統，企業(yè)資源規(guī)劃）和正在發(fā)展的系統（產品/服務IT系統、生命末期管理系統、虛擬試運營/停運系統）連接在一起，其中的數據和信息可用于創(chuàng)建一個產品-服務為中心的閉環(huán)協作。

在產品軸線視角，虛擬產品/產品類型（設計和工藝）以及“事物”/物理實體都被考慮進去了。此外，在工廠生命周期軸線，物理工廠和數字工廠都被考慮進去了。這創(chuàng)造不同系統的整體圖示，考慮了連接制造企業(yè)領域所有利益相關方的數據和信息的流動。

在此愿景下，作為制造企業(yè)的IT使用者根據其角色和需求，擁有訪問所有可用系統數據的相應權限，因而可以獲得深度的知識，這在當下是不能實現的。當前，制造業(yè)數據是分割的，詳盡組織在單一范圍內，儲存在遺留系統中，或者叫做信息孤島，單獨（何處、如何）收集的數據，阻礙了“數據連續(xù)性”，無法實現數據使用的最優(yōu)化。信息物理系統為所有產品/工廠生命周期階段創(chuàng)造了共享的基礎，能夠提供所需要的物理世界的信息，同時，信息物理合作環(huán)境能夠實現高效的分析、管理、共享以及對相關數據、知識和相關人群經驗的利用。

圖2：天蝎座愿景截面圖

為了更清晰地闡明這個愿景，我們通過分析把它分為兩個“截面”，工廠截面和產品截面，這兩個截面的圖解讓我們能夠深入了解產品/工廠生命周期的不同方面和意義，以及相關的信息和自動化系統。

所有的金字塔結構圖都是基于信息物理系統層級的，在生命周期的各個階段，要把這些層級考慮成盡可能的統一層。在制造產品并產生實例的過程中，各個層級都得到充分利用，并在設計和工程階段得到體現，因為潛在信息物理系統的功能可用于反饋回路。

圖3：天蝎座愿景——產品截面

產品截面展示了在產品生命周期的不同階段設計的不同系統和子系統。它始于產品的設計和工藝，在這個階段需要使用數字樣機，在PLM產品生命周期管理系統內存儲并管理全部產品類型相關信息。確認生命周期數據閉合回路產生的數據和信息，也是非常重要的，產品的生產、使用和維護、再制造與回收利用都能產生反饋。設計和工藝系統因此助長新的自動化金字塔，并通過信息物理系統采用得到改進。在生產階段，受到工業(yè)4.0參考架構模型的啟發(fā)，盡管信息物理系統藐視嚴格的層級結構，它還是與工業(yè)層級合并在一起考慮，因為邏輯方面的層級結構能夠反映功能和運行的特征。同樣重要的是工業(yè)層級與自動化金字塔結構圖的邏輯結構關系。金字塔結構圖的頂部代表了現存的遺留系統，哪怕是在信息物理系統所支持的更多分布式的環(huán)境中，其功能也將會繼續(xù)存在。一旦產品成型并且以項目/物品存在，信息物理系統的層級將會被充分利用，不僅僅用于生產和物流，也用于產品生命周期的使用階段。在這個階段，產品將會被使用和維護。基于信息物理系統和物聯網的新系統，能夠為制造企業(yè)提供基于新的產品和服務的基礎，實現利潤最大化和可持續(xù)發(fā)展，以及提高客戶滿意度5。通過產品服務系統（PSS），在產品使用和維護過程中所獲得的信息和數據將用于產品生命周期的最終階段。在產品生命末期階段，信息物理系統能提供額外的服務和新的可能性，因為它能夠提供信息，描述每件產品包含的材料（以及如何回收），產品如何使用以及再制造和重用的可能性。這些數據可以通過廢品管理層級更加高效的管理項目，它可以暗示對一個訂單偏愛減少以及管理損耗。

圖4：天蝎座愿景——工廠截面

現在要把工廠截面考慮進去，信息物理系統的層級在邏輯上并且深度的與工業(yè)層級結合，共同構成這一分支的基礎，與工廠/資產生命周期一樣，按照企業(yè)控制系統集成標準IEC62264的建議進行構架。工廠/資產的生命周期始于設計和工藝，而構建/啟動生命周期把概念變成現實和物理存在。這些階段由PLM產品生命周期管理系統、仿真和虛擬調試系統管理，支持工廠的定義、開發(fā)、安裝以及實現工廠優(yōu)化。生產是這兩個生命周期與CPS信息物理系統的交集，如新的自動化金字塔結構圖所示，由遺留系統組織和支持的信息物理系統對這一復雜事件進行管理。接下來是“生命末期階段”，需要進行遞歸的思考，因為現有的工廠和資產在漫長的生命周期中會經常修改。這些修改基于來自生產的數據，所以需要進行改進，并根據需要進行干預。越來越多的工廠建在棕色地帶（指城中舊房被清除后可蓋新房的區(qū)域），以充分利用現有的建筑、基礎設施和通常資產，因此對于工廠翻修和重新運營，利用數據的相關性會促進專業(yè)的方法體系的產生來支持這些階段。最后，如果要拆除工廠和資產，要考慮所使用材料的價值，越來越多的關注退役停運和回收利用。專門的體系和方法將會充分利用信息物理系統提供的數據，提供可持續(xù)的優(yōu)化，并同時兼顧到經濟和環(huán)境兩個方面。

結論和展望

與信息物理系統在制造業(yè)應用相關的整體愿景需要若干年的時間來實現，但是該愿景將徹底變革目前工程自動化的概念，挑戰(zhàn)傳統的層級體系，讓每個信息物理系統都能夠具備復雜且跨層級的功能。這將促進數據和信息得到更好的應用，以及使用更加自主的系統來進行自處理并與遺留系統進行互通，為創(chuàng)造效率和開發(fā)新商業(yè)模型提供新的可能性。要實現這些優(yōu)勢，需要具備生態(tài)系統觀點，并由此制訂并展示出一個共享且相容的愿景，幫助人和組織獲得協同效應以及找到潛在的改進領域。