网络实体融合系统技术助力工业智能化

◎李杰

信息化的发展，在加速了经济、社会、军事和教育等各领域的发展与增值的同时，也使越来越多的数据和信息变成“垃圾”被存储、传输，造成信息量的增速远大于其所产生价值的增速，或者信息贬值，没有被充分地挖掘与利用。在需求与现状逐渐不匹配的大背景下，以网络实体融合系统（CPS）技术为突破的智能化工业革命，即第四次工业革命，已经被世界各国推到了台前。智能化时代最本质的目标在于站在信息化时代的基础上，通过创新智能化技术应用，将数据和信息进一步转化为知识和价值，解决当前社会发展的高效率、个性化和定制化等需求与矛盾。

我国机械化、电气化、自动化和信息化的发展已经跻身世界装备制造和使用大国行列。这表明，在当前这个世界智能科技革命转折时期，我国具备了良好的发展基础，牢牢抓住智能化技术革命的发展契机，是我国打开知识经济时代新局面的一把金钥匙。

动力：智能化是将知识由生产要素转化为生产力的核心动力

近十年，关于智能化的探讨从未停息。智能化是什么，智能化有什么用等一直是大家思考和热议的问题。从字面上可知，智能化是一种对感官的描述，直观来说就是用“物的智慧”来替代“人的智慧”。从各行业的实践中可以看出，智能化是站在信息化的基础上，借助数据分析、数据挖掘等创新的智能化技术，从已有的数据和信息基础中提炼出有价值的知识，并通过在各领域中的应用来创造出更多的价值，即智能化是“数据-信息-知识-价值”的转变过程。在这个转变过程中，数据和信息是信息时代的产物，知识和价值才是智能化时代的关键。因此，智能化的本质是通过对知识的挖掘、积累、组织和应用，来实现知识的成长与增值，这个过程可称为“知识化”。

智能化是知识化的应用与表征，知识化是智能化的本质与内涵。当“知识化”与装备相结合，就形成了智能装备；当“知识化”与城市、工厂、社区相结合，就形成了智慧城市、智慧工厂、智慧社区……由此可见，智能化是通过知识化的创新应用，将知识切切实实地转化为社会生产力，进而带动整个经济、社会和军事等各领域的转型与发展。

核心：CPS是实现智能化的重要手段

知识并不是独立存在的，它需要存在于某种“知识体”中，且知识体决定了知识应用的效率和价值。智能化时代之前的知识载体是人，而在智能化时代，我们开始让“物”学会像人一样能够自主地发现知识、理解知识和应用知识，即将知识从人的大脑、人的经验等传统载体中，转移到具有更强可操作性和想象空间的机器和计算机等载体中，并在其中实现知识的挖掘、积累、组织和应用等成长与增值行为，从而实现灵活的、标准化的和规模化的知识应用，提升知识转化为生产力的效率与能力。

为了实现知识在载体间的转移，就必须让机器载体具备和人一样的产生知识的智慧，这需要具备四个重要的能力：一是感知能力，即具有能够感知外部世界、获取外部信息的能力，这是产生智能活动的前提条件和必要条件。二是记忆和思维能力，即能够存储感知到的外部信息及由思维产生的知识，同时能够利用知识对信息进行分析、计算、比较、判断、联想和决策。三是学习能力和自适应能力，即通过与环境的相互作用，不断学习积累知识，使自己的知识和能力不断增长，来适应环境变化。四是行为决策能力，即对外界的刺激作出反应，形成决策并传达相应的信息。而这与CPS的概念与特征完全一致，即CPS正是通过“自感知-自记忆-自认知-自决策-自重构”的核心能力以及“5C”技术体系的应用，达成 “赛博空间”与“实体空间”融合的“物的智慧”，并成为实现智能化的重要手段；这也使得CPS的发展与落地，将在我国的工业转型与智能化发展中获得难得的应用机会。

传承：让知识流转成为公共资源

知识是最核心的国家竞争力。以前的知识主要依靠人和设备传承，主要体现在一个国家有多少顶尖的科学家，产业工人的素质和技术水平的高低，能够制造别人无法制造的装备，以及拥有先进的控制器和工业软件技术。但是这些传统的由知识形成生产力的方式正面临着挑战，最核心的问题是知识的传承性和流转的效率。CPS的核心价值是将知识数字化，通过互联网使知识高效地流转和规模化地服务于用户。CPS在与人的交互过程中可以帮助人去获取知识，也可以激发人的创造力去产生新的知识。进入智能化时代后，知识除了用科学的方式去概括和传承外，还多了数字化建模这一新手段。而数字化建模方式则离不开大量的数据和丰富的使用场景，知识的流转和服务效率也需要建立在庞大的用户和开发者群体基础上，这将是我国在智能化时代实现弯道超车的机会。通过建立数字化城市、工业知识平台和知识服务平台，使历史和经验得以传承，使知识成为创造居民福祉的公共资源，这是CPS的另一功用。

机会：符合工业转型的CPS应用

CPS的出现以及逐渐应用，为当前装备制造性能方面并不占优的我国工业，提供了从装备使用端与最终用户端出发进行工业转型、促进工业智能化进程，并产生新工业价值的极佳机会，而CPS的工业应用也将逐步符合智能工业发展需求。

1.装备智能化新能力

作为世界工业品的“生产大国”和“使用大国”，工业品的性能指标先进性已经不是用户最关心的问题。从终端用户来看，其更看重的是能够更好地使用、维护和管理所获得的工业装备，以最小代价获得利益甚至产生新的价值，由此，对装备状态的定量化了解和未来发展趋势的精确掌握，是用户更为关心的问题。那么，CPS技术的有效应用，可以有效实现装备自主的自省性、自预测性和自比较性，以此来提升国产装备在使用阶段的可使用性，并可极大地增强我国装备在世界市场的竞争优势，克服我国装备业在经验和先验知识上与传统工业发达国家的竞争劣势。

2.企业管理新途径

新型工业企业管理过程就是做到管理中多角色、多环节和多层级决策活动的多目标协同优化，以运营管理的安全、经济和高效为目标，实现运营管理的智能化。而CPS在赛博空间中对于个体、群体、活动、环境以及推演的过程正是解决企业管理中认知与决策能力有效提升的关键问题，且其核心目标正是在于实现“视情”的无忧（worry-free）管理，即做到视情运维与精确管理，通过装备状态的有效掌握和企业活动的有效认识，推动企业管理的视情化，包括一站式信息服务、层次化活动协同、经济/安全/高效使用装备等，解决人的认知能力在智能制造和智能使用管理与控制活动中的束缚与制约，提升企业精细、高效和敏捷的管理能力。

3.业态融合和转型发展新思路

工业门类齐全、产业上下游贯通是我国工业体系最大的优势，但是，传统的利益模式和经营模式使得这个优势并没有很好地发挥出综合效能，而以CPS体系构建为纽带，贯穿从最小控制/管理单元到工业装备再到上下游产业链乃至全区域生态链的层级式应用，并通过工业体系知识的形成、分享与利用的规模化，可以促使形成基于CPS的“共享经济”产业；亦可尝试实现制造业从产品生产者向经营过程服务者的转型，构建制造业与用户经营目标和价值实现的共享与共担，从利益的竞争关系变成利益同盟关系，实现生产力的再释放，从而以综合国力参与全球竞争。在可以预见的未来，新的工业产业结构将从精细化分工和充分竞争的方式逐渐转变成为充分合作的新工业价值体系。工业互联网将打破传统大型企业的市场壁垒，使得更多小型公司甚至个人充分参与到创值服务的生态中，与大型企业更加平等地竞争。产业生态的融合将不再是以几个巨头企业为核心的金字塔式结构，而是更加平面和深度地相互渗透。我们也看到如GE等传统巨头企业开始意识到这个趋势，将自己的能力和知识释放出来，为广大的开发者提供企业知识服务平台，并将这些知识和经验以数字化的形式保存下来。所以像Predix这样的平台未来会越用越有价值。

如总部位于山东省的中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司（简称中车青岛四方），是中国最大的高速动车组整车生产厂商之一。作为中国中车股份有限公司的核心企业，其轨道交通车辆生产产品出口超过20个国家和地区，研制的“复兴号”动车组在京沪高铁实现时速350公里运营，使我国成为世界上高铁商业运营速度最快的国家。

中国中车于2016年启动了科研计划重大专项《轨道交通装备故障预测与健康管理技术研究及应用》研究，其中中车青岛四方承担了动车组子课题的研究及应用，目的是通过研发动车组车载故障预测与健康管理（PHM）系统对车辆运行状态进行实时监测，对可能出现的故障进行诊断、预警和预测，避免影响车辆运行安全的重大问题发生，从而提高车辆运行安全性；通过研究动车组的检修方式向状态维修、预测性维修转变，降低运维成本，增强企业服务能力，从而提高车辆运维经济性。

轴箱轴承是高速列车装备核心关键部件之一，是动车组的关键旋转部件，轴箱轴承处于健康状态是动车组运行安全的重要保障。传统的维护方式是工程师基于部件的不同维护方案，手动检查轴箱轴承的各个细部，若发现表面出现磨损，则更换该轴承。由于工程师无法预测部件的剩余使用寿命，导致维护成本较高。

中车青岛四方希望通过开发出PHM系统，实时监控列车的健康状况，以确保其平稳、安全和高效运营。实践中，通过车载PHM系统进行高速采集数据，用边缘计算技术将数据处理成有效的信息，传输到地面中心，用户可以运用模式识别算法等实现远程的数据采集方案配置，并且可以对数据进行分析，最终实现对轴箱轴承故障的诊断、预测及健康管理。

轴箱轴承PHM的率先实施仅仅是一个点，之后，将由点及面、逐步向前，对车辆的安全性能、动力性能和整车的运行性能、安全舒适度进行实时在线监测，根据这些监测数据进行分析，对转向架系统、牵引系统、制动系统、车体系统和门系统等实现预测性维护，由此每年节省的费用将十分可观。基于CPS架构的实时在线监测及预测性维护解决方案，将为中车实现更加智能化的理想提供坚实的保障，助力中国中车成为以轨道交通装备为核心，全球领先、跨国经营的一流企业集团，打造节能、环保、高性价比的列车，为乘客提供更安全、更绿色、更愉快的乘车体验。