我国智能制造信息物理系统建设问题分析

摘  要：为利用第四次工业革命这一契机抢占制造业高点，必须重视对智能制造核心技术的研究。信息物理系统是实现信息物理融合，推动制造智能化的关键要素和核心技术。

关键词：智能制造;信息物理系统;数字孪生

云计算、物联网、大数据、移动互联等技术的快速发展及在制造领域的融合，促使各先进制造国家积极探索智能制造，以实现产品制造全流程、全生命周期的数据互联互通、业务协同联动和决策动态优化，最终达到制造系统的智能化、协同化、透明化、绿色化。德国、美国先后于2011年发表了其智能制造战略，我国也于2015年发布了中国制造2025报告，确立了中国智能制造发展战略。2015年至今，中国先后出台了一系列“互联网+制造业”政策，确立了制造业数字化、网络化、智能化并行推进的发展路径，一些关键领域的技术装备、工业软件实现突破，架构了智能制造标准和工业互联网体系，实施了一批试点示范项目。但我国制造业智能制造转型还面临缺乏自主工艺数据库和专家系统，制造系统整体解决方案供给能力不足等问题。

1.信息物理系统在发展智能制造中的作用

为利用第四次工业革命这一契机抢占制造业高点，必须重视对智能制造核心技术的研究。智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造系统研究的目标是建立能准确感知系统各部分运行状态，能快速且准确的识别、加工获取的实时运行状态数据，能根据数据分析结果以及设定规则自动做出判断与选择，能执行决策，对设备状态、车间和生产线的计划进行调整的智能制造系统。智能制造系统可分为物理世界和数字世界两层，物理世界和数字世界组成一个闭环系统，物理世界为数据世界提供基础数据，数据世界通过数据分析、模拟仿真将信息反馈到物理世界，对物理世界做出命令、提出建议。因此在智能制造系统运行过程中，物理世界和信息世界的融合至关重要，同时其也是实现智能制造的瓶颈之一。信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是实现信息物理融合，推动制造智能化的关键要素和核心技术。

2.智能制造信息物理系统发展现状

CPS理念被美国自然基金委（National Science Foundation， NSF）提出后，连续多年多年被列为研究热点和重点。NSF资助的CPS研究主要集中在嵌入式与自动化开发、网络化与信息安全、信息基础设施建设三方面。主要涉及设计开发节能、通用、灵活、低价的智能自治嵌入式设备及相关软硬件组件;构建安全可靠的异构网络通讯协议、通讯环境和网络服务;对复杂大规模工业系统的网络化精准协同控制，对相关资源的高效管理和智能调度决策等问题。欧盟将CPS作为智能系统的重要发展方向，在智能电子系统及复杂系统集成做了很多工作。

中国于2008年在IEEE嵌入式研讨会上，将信息物理融合系统的研究列为技术发展重点，对工业物联网应用产生了明确的需求认知和期待，开始思考如何借助互联网+技术和智能化设备让工厂的运营和管理变得更加智能。智能制造系统是在感知获取多源多维制造数据基础上，建立制造资源及制造服务与感知事件间的映射关系，然后通过感知事件理解制造资源与制造服务的状态，提高制造系统的自身的感知交互及主动发现能力，进而提升制造系统的决策能力和智能水平。CPS提供了将相关事件映射到计算空间的理论框架，可以实现对制造系统的轻松建模。

陈丽娜等构建了CPS的三层体系结构框架，分别为物理层、网络层及服务应用层。Zhang等人基于信息物理系统，构建了制造物联的实时信息捕获和集成架构，旨在实现设备层、车间层和企业层三者间的无缝双向连接和互操作性。王小乐等提出一种四层 CPS 体系框架，分别为节点层、网络层、资源层和服务层。

随着对 CPS 的深入研究，学者们在 CPS 建模理论与方法领域也取得了不少研究成果。Liu应用CPS的实时感知动态物理资源的能力，构建了一种包含动静态信息的制造资源虚拟化模型，旨在实现制造资源聚合具有根据动态变化因素进行调整的能力。张彩霞等在物联网的基础上，根据离散制造业的特点，结合环境智能和普适计算等未来网络技术，构造了离散型制造信息物理融合系统的基本架构，以实现对离散制造业从生产到售后各环节相关资源的实时控制和自主调节。刘明星提出一种包含物理世界、感知系统、信息处理系统、控制系统及时间约束的 CPS 组成结构，并基于该组成结构提出了CPS资源分类框架、物理环境建模方法、原子服务建模方法及服务组合方法。袁源等研究面向恶意环境的动态复杂信息处理过程。CPS强调的是信息与物理世界的深度融合，强调的是信息域对物理域的反馈控制。因此，更多地要考虑对CPS计算服务和控制服务的建模。

在促进物理世界与信息世界交互融合的研究中，数字孪生可提供新的思路和方法。陶飞等并从数字孪生物理车间、虚拟车间、车间孪生数据、车间服务系统等主要系统组成角度出发，分别对物理车间异构要素融合、虛拟车间多维模型融合、车间物理-信息数据融合、车间服务/应用融合等关键问题进行了研究分析，提出了一种基于信息和物理融合的数字孪生产品设计、制造和服务方法。

3.智能制造信息物理系统发展面临的挑战

综上，目前对智能制造信息物理系统的研究已初步取得成果，为智能制造实践及后续研究提供了基础，但仍面临一些挑战。主要表现在如下：缺少异构要素互联与融合的理论和通用装置支撑，对人、机、物、环境等多元异构要素的互联互通研究较少;缺少刻画和反应物理车间真实行为、规则、约束等的模型，从而无法实现物理车间到虚拟车间的真实完全映射;在实际运行优化与精准管理过程中，信息层和物理层不同步、一致性差、智能化程度低、管理精准度不够。

参考文献

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[8]陈丽娜，王小乐，邓苏.CPS体系结构设计[J].计算机科学，2011，38（5）：295-300.

作者简介：

龙梅（1986.5-），性别：女，民族：汉族，籍贯：四川冕宁，学历：硕士研究生，研究方向：农业经济，工程项目管理