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赛博物理系统,航空智能制造的“炼金术”!

未知 2019-07-21 10:53

  航空制造业具有技术密集度高、产业关联范围广、两化融合程度深的特点,处于装备制造业的高端位置。在新一轮工业革命浪潮下,各国普遍将航空制造行业列入重点应用领域。赛博物理系统(Cyber Physical Systems,CPS)技术作为新一轮工业革命的核心技术,正在有力地推动在协同开发、智能生产、敏捷服务等领域形成新型集成化应用范式,引起了工业界的广泛关注和研究。在这种大背景下,加强CPS技术在航空工业应用的分析和研究显得尤为重要。

  GPS是工业4.0的核心技术

  从工业1.0到工业4.0,每次工业革命的背后都有一项核心使能技术:

  第1次是蒸汽机;第2次是电气化;第3次是电子和信息技术;第4次则是CPS技术。

  CPS技术本质上是一种集成创新技术:多项新兴技术融入到1个复杂系统后,系统产生了新的技术特征,具备了更强大的创新驱动力。互联网+的应用、智能产品和服务等都是这种集成创新模式最先取得的应用成果。这种由从要素创新过渡到集成创新的发展方式,正是第4次工业革命和前3次工业革命的最大区别

  GPS的演进和发展

  CPS的概念最早源自于几十年前的嵌入式系统。在工业4.0的背景下,用系统之系统的视角重新审视CPS的演进和发展,将会得到更加深刻的认识。

  图1描述了CPS的演进过程:从嵌入式系统到机械系统、机电一体化,再到现在的网络化CPS。在CPS的每次演进中,系统都增加了新的元素,这使得系统产生了新的特征,带来了生产力的巨大提升。如今的CPS呈现出了网络化的新趋势,这些CPS可能是异域、异类和异构的,多个CPS通过网络连接为1个新的CPS,形成了系统之系统(SystemsofSystems,SoS)的全新架构,使得系统具备了网络通信、全部或部分的自治能力。CPS的5C架构和特征分析CPS是使技术系统具有智能特征的核心所在。智能本来是人的固有特征,技术系统如果要具备智能特征,就必须具有辨识、适应和执行的能力。围绕技术系统的智能化特征,结合如图2所示的CPS的5C架构,对CPS的内涵进行如下分析。

  连接层(Connection):着重突出灵巧的特点,能够按照SOA的思想,实现设备的即插即用;被连接的对象包括设备、人、物料和软件服务等,能够借助无线和传感网络,实现对它们的自动连接和自动感知。

  转化层(Conversion):能够从大量的制造数据中,分析和提取出有价值的信息,其背后的支撑技术是数据挖掘和数据分析技术;可以建立起万物的信息关联模型,用于分析和预测设备健康、产品性能等。

  赛博层(Cyber):最重要的是建立系统中每个组件的数字双胞胎,其核心技术是基于模型的技术;当物理世界发生变化时,数字模型也能够跟随变化,这需要连接层和转化层提供支撑。

  认知层(Cognition):能够基于仿真和综合推理,诊断出系统中的潜在风险环节,并提供决策支持和参考;能够通过远程可视化,提供协同工作环境,快速发现系统中的问题。

  配置层(Configration):系统和系统中的组件能够针对外界的变化做出快速和自主的调整,具体体现为面向弹性的自配置、面向变化的自调整、面向干扰的自优化。

  航空工业CPS的架构分析

  CPS由物理空间和赛博空间组成。从系统的组成来看,CPS必须依托1个物理实体(或业务层次)存在,即在物理实体(或业务层次)上增加了一些新的要素。物理实体(或业务层次)是1个分层的结构,每个层次都对应1个CPS,上层的CPS由下层的CPS构成,这些CPS可以是异域、异类、异构的。从系统的组成元素来看,CPS包含4个基本要素:计算单元、总线单元、传感器、驱动器,其中计算单元和总线单元构成了赛博空间,传感器和驱动器构成了物理空间。

  图3给出了航空工业CPS的详细解读。在中航工业智能制造的架构中,定义了企业联盟层、企业管理层、生产管理层、控制执行层共4个层次,每个层次都可以看作1个CPS,前两层重点是要提取业务智能,后两层重点是要提取制造智能。

  在企业联盟层,计算单元包括供应链管理软件、服务支持管理软件等,总线单元是基于互联网和内部网的云平台,传感器是企业消息通信服务,驱动器是流程引擎和服务调用;在企业管理层,计算单元包括产品生命周期管理软件、企业资源计划管理软件等,总线单元是基于内部网的企业服务总线,传感器是生产消息通信服务,驱动器是流程引擎和服务调用;在生产管理层,计算单元包括生产运行管理软件等,总线单元是基于内部网的制造服务总线,传感器是设备消息通信服务,驱动器是流程引擎和服务调用;在控制执行层,计算单元主要是嵌入式软件,总线单元是基于工业控制网络的现场总线,传感器是物理存在的传感器和标识器,驱动器是数字控制驱动器及其配套的机械动力装置。

  应用CPS技术的工作方法

  01基于模型的系统工程

  系统工程是应对复杂系统或产品开发的最佳方法,能够理想地应对进化式开发和系统复杂性。近年来,中航工业在系统工程应用方面,基于逻辑开放式的标准体系和建模语言体系,以模型为中心,构建多专业多学科的共同语言,实现连续的验证能力,从需求出发,走向正向工程创新驱动。

  智能制造系统是更复杂的系统,基于模型的系统工程方法同样也适用于智能制造系统的规划和建设。需要按照系统生命周期4个阶段(需求、功能、逻辑和物理)开展工作,针对CPS在智能制造领域的应用,按照流程重点思考:需求是什么?必须怎么做?应该怎么做?如何能实现?按照系统工程的方法,建立航空制造智能的成熟度评价体系,已经成为当前实施航空工业CPS的首要任务之一。

  02复杂组织体架构

  复杂组织体架构方法也是应对复杂系统设计的一种科学方法,与基于模型的系统工程方法有很多相似和可结合之处。复杂组织体架构从业务架构入手,深入到应用架构、技术架构和数据架构,在充分分析现状的基础上,科学设计未来蓝图和演进路线图。

  中航工业在CPS应用方面已经设计了包括企业联盟层、企业管理层、生产管理层和控制执行层的4层架构,下一步应当继续深入采用复杂组织体架构方法,应对各层次的管理复杂性,面对CPS的所有应用场景,用5W1H的方式来描述完整概念,构建不同视角,解决企业战略、管理和执行各层面的完整性、系统性问题。

  航空制造系统是一个复杂的系统,在航空工业应用CPS技术的工作需要使用架构方法进行指导,从系统之系统的视角剖析CPS的技术架构;务必坚持问题牵引、需求导向的方针,应用系统工程的方法开展各层次CPS的需求分析、规划设计和建设工作,着重在生产管理层和控制执行层提取制造智能,在企业联盟层和企业管理层提取业务智能。

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