曹新朝

（北京中船信息科技有限公司，北京 100861）

0 引言

物理基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。目前，二者的建設(shè)各自都有有效的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，但這兩個(gè)系統(tǒng)在很大程度上還是相互孤立的。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏相應(yīng)的考慮，兩個(gè)系統(tǒng)之間在相互融合時(shí)，往往無(wú)法適應(yīng)彼此的特點(diǎn)，造成整體效率低下、安全性和靈活性無(wú)法得到保障等問(wèn)題。

船舶制造行業(yè)是離散制造業(yè)的典型代表。基于物理基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施可構(gòu)建船舶虛擬建造系統(tǒng)，主要包括建造工藝規(guī)劃、建造過(guò)程的演示和評(píng)估等，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶建造過(guò)程中的人員、設(shè)備、物流、能源等進(jìn)行全面的仿真，實(shí)現(xiàn)車(chē)間和生產(chǎn)線的布置與運(yùn)行控制、產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的仿真，為各類(lèi)資源的優(yōu)化配置提供支撐數(shù)據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們已經(jīng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)建立了物與物之間的互聯(lián)，完成了對(duì)各種物理實(shí)體信息的采集和對(duì)物理世界的感知?；诖硕a(chǎn)生的CPS更加關(guān)注物理實(shí)體的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)信息，注重多個(gè)系統(tǒng)間的相互連通，通過(guò)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)協(xié)議和解決方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的控制和服務(wù)支持。CPS將改變?nèi)伺c物理世界的交互方式，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的深度融合。據(jù)研究表明，CPS應(yīng)用范圍小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)，大到工業(yè)控制系統(tǒng)，智慧城市系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)、世界級(jí)的應(yīng)用[1]。

1 CPS概述

CPS 系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是一個(gè)復(fù)雜的寬廣的系統(tǒng)，其涉及電力、通信、控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科[2]，CPS注重資源的合理整合利用和優(yōu)化調(diào)度，在實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)和環(huán)境的實(shí)時(shí)感知、控制的同時(shí)，提供靈活、快速、智能的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)[3]。

目前，CPS的研究已經(jīng)引起各國(guó)的廣泛重視，對(duì)促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。早在2006年，美國(guó)發(fā)布的 《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》就將CPS劃入重點(diǎn)研究領(lǐng)域；在2008年，美國(guó)CPS研究小組將CPS應(yīng)用到交通、能源、農(nóng)業(yè)等多個(gè)方面。近年來(lái)，歐盟也在CPS研究上投入大量資金；日本和韓國(guó)也進(jìn)行了類(lèi)似的研究。中國(guó)對(duì)于CPS的研究十分重視，國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部973和863計(jì)劃已提出將CPS列為重點(diǎn)資助領(lǐng)域[4～5]。

CPS正逐漸成為驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)集群，其目標(biāo)是建設(shè)“人-機(jī)-物”相互融合的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。建設(shè)CPS可以實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，盡可能減少“人”的參與，并使得設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治五大功能，完成信息世界和物理世界的深度融合，全面提升我國(guó)工業(yè)智能化發(fā)展水平。

2 船舶生產(chǎn)制造車(chē)間CPS的應(yīng)用模式

2.1 數(shù)字雙胞胎

數(shù)字雙胞胎是指采用數(shù)字化的表達(dá)方式在虛擬世界中建立一個(gè)與物理世界所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品、設(shè)備、工藝等生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)對(duì)象，在外表、內(nèi)容和性質(zhì)等方面相同的虛擬產(chǎn)品，并且與生產(chǎn)過(guò)程保持高度一致的數(shù)字化鏡像。數(shù)字化雙胞胎實(shí)現(xiàn)手段是在產(chǎn)品過(guò)程中，在數(shù)字化建模技術(shù)的基礎(chǔ)上借助信息物理系統(tǒng)單元上的各類(lèi)傳感器將最新的檢驗(yàn)和測(cè)量數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)、關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)參數(shù)實(shí)測(cè)值等關(guān)聯(lián)映射至產(chǎn)品數(shù)字雙胞胎模型，生成最新的準(zhǔn)確的鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)等信息。

在智能裝配設(shè)備離線編程方面，可以運(yùn)用數(shù)字雙胞胎技術(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，提高裝配體現(xiàn)場(chǎng)加工數(shù)據(jù)以及幾何參數(shù)的精度。首先，根據(jù)實(shí)際裝配設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)已構(gòu)建的自動(dòng)化設(shè)備模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將加工定位關(guān)系信息、加工資源、以及產(chǎn)品制造信息等進(jìn)行系統(tǒng)分析與整理，集成到數(shù)字孿生模型中，搭建針對(duì)實(shí)際裝配的離線編程環(huán)境；其次，導(dǎo)入處理后的模型，結(jié)合加工工藝要求，運(yùn)用優(yōu)化算法，對(duì)加工點(diǎn)位區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型仿真，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映出實(shí)際裝配現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的加工狀態(tài)，基于仿真過(guò)程添加運(yùn)動(dòng)干涉檢查等功能，完成基于數(shù)字孿生模型的裝配過(guò)程仿真；最后，在數(shù)字孿生模型加工過(guò)程仿真的基礎(chǔ)上，拾取產(chǎn)品模型上的加工幾何信息，運(yùn)用三維建模軟件中的自動(dòng)編程模塊，讀取每段加工路徑中的仿真任務(wù)，對(duì)其進(jìn)行翻譯解釋，從而將模型中的仿真流程轉(zhuǎn)化為含有加工幾何信息的離線代碼。

應(yīng)用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)對(duì)虛擬雙胞胎信息進(jìn)行分析，對(duì)物理環(huán)境中設(shè)備、產(chǎn)品、工藝在制造過(guò)程中實(shí)時(shí)狀態(tài)的多維度信息獲取、分析與優(yōu)化，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝優(yōu)化的有效支撐技術(shù)。數(shù)字雙胞胎技術(shù)在虛擬仿真優(yōu)化方面應(yīng)具有一定有效性，虛擬仿真結(jié)果應(yīng)該能夠指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具體作業(yè)，優(yōu)化結(jié)果應(yīng)該能夠指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程的多方面優(yōu)化。仿真有效性驗(yàn)證可以通過(guò)仿真結(jié)果的完整程度，優(yōu)化有效性驗(yàn)證可以通過(guò)優(yōu)化后生產(chǎn)線狀態(tài)與現(xiàn)有生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行成本、效率等多方面的綜合評(píng)價(jià)。

2.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是一種分布式信息技術(shù)架構(gòu)，其中客戶端數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的外圍處理，盡可能靠近始發(fā)源。從技術(shù)定義來(lái)說(shuō)，邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)。

邊緣計(jì)算依托信息物理系統(tǒng)的泛在連接和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特征，通過(guò)信息物理系統(tǒng)單元的自我感知獲取設(shè)備加工運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)，將日常維護(hù)數(shù)據(jù)匯總至分布式的局部計(jì)算中心處，與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)有效的設(shè)備事前預(yù)測(cè)性維護(hù)。邊緣計(jì)算可以提高維護(hù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析效率，相比于僅執(zhí)行云計(jì)算可以節(jié)省分析日常維護(hù)數(shù)據(jù)的帶寬開(kāi)支。

依托邊緣計(jì)算物理環(huán)境與數(shù)學(xué)模型，在企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中生成分布式計(jì)算集合。將生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)分配至各個(gè)計(jì)算集合，邊緣計(jì)算中心進(jìn)行局部數(shù)據(jù)的即時(shí)分析，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的敏捷響應(yīng)。基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)即時(shí)處理主要由三部分組成，分別是時(shí)效信息的分布式處理、設(shè)備狀態(tài)的在線分析與預(yù)測(cè)以及柔性生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)維。

（1）時(shí)效信息的分布式處理是邊緣計(jì)算關(guān)鍵驗(yàn)證內(nèi)容。具有邊緣計(jì)算架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)，包含眾多具有計(jì)算功能的數(shù)據(jù)處理中心，將頂端云計(jì)算計(jì)算負(fù)荷合理分配，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)處理；此外邊緣計(jì)算中心從邏輯和地位位置上靠近數(shù)據(jù)源，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和帶寬資源的占用，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｔ谏a(chǎn)制造中，可以通過(guò)邊緣計(jì)算可以完成生產(chǎn)狀況的即時(shí)計(jì)算與分析，對(duì)具有時(shí)效性參數(shù)進(jìn)行有效的利用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化。

（2）應(yīng)用邊緣計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線分析與預(yù)測(cè)，如船舶生產(chǎn)車(chē)間的自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)（AGV）、數(shù)控機(jī)床、焊接機(jī)器人等設(shè)備，采用預(yù)測(cè)性維護(hù)可以降低維護(hù)成本?；谠O(shè)備表面大量的傳感器，可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。通過(guò)本地的邊緣計(jì)算融合網(wǎng)關(guān)，可以提供數(shù)據(jù)分析能力，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障。同時(shí)提供本地存活，一旦與云端聯(lián)接故障，數(shù)據(jù)可以本地保存，聯(lián)接恢復(fù)后，收斂數(shù)據(jù)自動(dòng)同步到云端，確保云端可以對(duì)設(shè)備形成完整視圖。采用預(yù)測(cè)性維護(hù)可以減少工作量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；提高設(shè)備的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；減少設(shè)備維修費(fèi)用開(kāi)支，而降低維護(hù)成本，從而提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）柔性生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)維是指邊緣計(jì)算對(duì)柔性智能生產(chǎn)生產(chǎn)線的自主組織、管理能力的支持。在加工工藝優(yōu)化、生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)整、資源調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控等方面，企業(yè)可以依托邊緣計(jì)算中心統(tǒng)籌信息物理系統(tǒng)的智能生產(chǎn)單元，根據(jù)生產(chǎn)需求規(guī)劃柔性生產(chǎn)線構(gòu)成，如建立智能焊接機(jī)器人、智能夾具、智能檢測(cè)單元之間的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行局部功能的模塊化實(shí)現(xiàn)。

此外，邊緣計(jì)算還可以通過(guò)設(shè)備信息的比較與推理，進(jìn)行設(shè)備的靈活快速替換，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。

2.3 全生命周期優(yōu)化

目前，企業(yè)針對(duì)產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)應(yīng)用，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和工藝信息管理應(yīng)用基礎(chǔ)上，處于進(jìn)一步整合產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、分析、仿真、測(cè)試、制造、服務(wù)以及質(zhì)量等生命周期中的各方面數(shù)據(jù)和信息的進(jìn)程中。PLM軟件已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了針對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型、工藝模型、物理模型的整合。但對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還未能實(shí)現(xiàn)有效集成處理和應(yīng)用。

全生命周期優(yōu)化的應(yīng)用場(chǎng)景包括產(chǎn)品狀態(tài)全周期數(shù)據(jù)跟蹤和產(chǎn)品全周期生產(chǎn)優(yōu)化兩部分。產(chǎn)品狀態(tài)全周期數(shù)據(jù)跟蹤是基于信息物理系統(tǒng)的產(chǎn)品采用數(shù)字化建模技術(shù)，建立高逼真度的虛擬模型，依托虛實(shí)結(jié)合、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特征，獲取產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)品狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品狀態(tài)分為設(shè)計(jì)進(jìn)度、技術(shù)成熟度、資源配置狀態(tài)等；在制造過(guò)程中，產(chǎn)品狀態(tài)分為制造進(jìn)度、加工實(shí)際尺寸、加工工藝等；在維護(hù)過(guò)程中，產(chǎn)品狀態(tài)指分為運(yùn)行狀態(tài)、故障原因等。對(duì)以上信息進(jìn)行整合與跟蹤，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)過(guò)程中可視化觀察產(chǎn)品狀態(tài)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)監(jiān)控、全生命周期優(yōu)化提供基礎(chǔ)。產(chǎn)品的整個(gè)生命歷經(jīng)設(shè)計(jì)、制造以及維護(hù)三個(gè)階段。設(shè)計(jì)階段中的尺寸設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)等、制造階段中零件制造、加工、裝配以及加工中所使用的工裝，以及維護(hù)過(guò)程中的維護(hù)過(guò)程、使用操作都對(duì)產(chǎn)品的狀態(tài)相關(guān)的因素，這些因素彼此關(guān)聯(lián)并對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生著交互耦合的影響。信息物理系統(tǒng)中使用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)可以獲取全生命周期下的產(chǎn)品狀態(tài)信息，用以分析這些因素對(duì)產(chǎn)品的影響。

產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化應(yīng)用模式以產(chǎn)品多階段狀態(tài)為優(yōu)化目標(biāo)，以數(shù)字雙胞胎模型庫(kù)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果為引導(dǎo)，建立產(chǎn)品全生命周期的多因素評(píng)估方法，最終生成綜合優(yōu)化解集，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求的調(diào)整，快速分析出優(yōu)化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工方案和相關(guān)配套的資源。

3 發(fā)展前景

當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)均將信息物理系統(tǒng)作為戰(zhàn)略布局的重要方向。對(duì)我國(guó)而言，推進(jìn)信息物理系統(tǒng)建設(shè)，不僅是信息化與工業(yè)化深度融合的關(guān)鍵支撐工具，也是“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”深入生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的必由之路，對(duì)于我國(guó)智能制造發(fā)展、搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)具有重要意義。

在船舶制造行業(yè)開(kāi)展信息物理系統(tǒng)的建設(shè)，依托行業(yè)建立應(yīng)用模式可行性驗(yàn)證環(huán)境，開(kāi)展數(shù)字雙胞胎、邊緣計(jì)算、全生命周期優(yōu)化等新技術(shù)模式的應(yīng)用可行性驗(yàn)證，可以形成知識(shí)庫(kù)和應(yīng)用案例庫(kù)，形成物理信息系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)行業(yè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，有利于促進(jìn)通用性標(biāo)準(zhǔn)的建立，推動(dòng)與發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接與技術(shù)合作。

在此基礎(chǔ)上，還可以建立技術(shù)轉(zhuǎn)移體驗(yàn)中心，將建設(shè)成果進(jìn)行展示宣傳與推廣，加速信息物理系統(tǒng)的成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用推廣，深化各行業(yè)人員對(duì)信息物理系統(tǒng)的理解，孵化項(xiàng)目成果，并在技術(shù)咨詢、技術(shù)測(cè)試和解決方案等方面為各行業(yè)提供服務(wù)，以信息物理系統(tǒng)為牽引，引導(dǎo)我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 總結(jié)

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的信息新技術(shù)正引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，信息技術(shù)已經(jīng)逐步與工業(yè)深度融合，工業(yè)生產(chǎn)模式已向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。和國(guó)外相比，我國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)、核心標(biāo)準(zhǔn)、主要產(chǎn)品和應(yīng)用模式的方面缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和深入的探索，缺乏成熟的共性關(guān)鍵技術(shù)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和典型應(yīng)用的牽引帶動(dòng)。當(dāng)前，由于我國(guó)信息物理系統(tǒng)共性技術(shù)綜合能力有限，制約了CPS在各行業(yè)的推廣。由于在參考環(huán)境中不可能完成對(duì)所有應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試，因此提煉典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的模型至關(guān)重要。船舶行業(yè)是離散制造業(yè)的典型代表，在船舶行業(yè)開(kāi)展數(shù)字雙胞胎、邊緣計(jì)算和全生命周期優(yōu)化是信息物理系統(tǒng)建設(shè)、推廣的關(guān)鍵步驟。

在船舶行業(yè)開(kāi)展信息物理系統(tǒng)的典型應(yīng)用模式的驗(yàn)證，對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的深度優(yōu)化，提升企業(yè)的資產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)效率，促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)有重要意義?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)在船舶行業(yè)的測(cè)試驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)化，不僅可以形成我國(guó)自主化產(chǎn)業(yè)能力，率先搶占工業(yè)智能化前沿領(lǐng)域，避免相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品受制于人，還有助于推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品和解決方案在行業(yè)中的應(yīng)用推廣，提升我國(guó)工業(yè)智能化發(fā)展的安全自主可控水平，提升工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)數(shù)據(jù)的安全防護(hù)能力，確保工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)數(shù)據(jù)安全。

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