智能制造導論 課件 陳明 第1-4章 智能制造概述- 智能制造新技術

第一章智能制造概述——工業(yè)革命制造概述1第一次工業(yè)革命2第二次工業(yè)革命3第三次工業(yè)革命4第四次工業(yè)革命5“直立和勞動創(chuàng)造了人類，而勞動是從制造工具開始的。動物所做的事情最多是收集，而人類則從事生產?！? ——恩格斯制造活動在人類出現以前便存在，并伴隨著人類的生產生活不斷發(fā)展，從手工生產，機械化生產，電氣化生產，自動化生產到即將到來的智能制造，制造業(yè)的發(fā)展必將深刻影響著人們生活和工作。1、制造概述1.1制造記載關于制造的中國古代傳說：伏羲師蜘蛛而結網——《抱樸子·對俗》1、制造概述1.1制造記載關于制造的典籍記載

徽宗崇寧四年，歲次乙酉，制造九鼎?！巍赌芨凝S漫錄·記事一》請你取用香料，即蘇合香、沒藥、楓子香、純乳香，各種香料必須重量相同，然后按照制造香料的技術制造熏香......——圣經《舊約》（上述“制造”與現代“制造”的含義相同）1、制造概述1.1制造記載

錘子的制造過程，利用鋼鋸等工具按尺寸完成下料；零件加工完成切削、打磨、鉆孔、車、攻螺紋和套螺紋等工作；裝配完成后，還需要通過檢驗、包裝。（1）制造狹義定義為把原材料加工成適用的產品或器物。毛坯制作零件加工零件裝配原材料產品制造1、制造概述1.2制造定義產品設計材料選擇制造生產質量保證營銷和管理（2）制造的廣義定義：包括制造企業(yè)的產品設計、材料選擇、制造生產、質量保證、管理和營銷一系列有內在聯系的運作和活動。(1990年，國際生產工程學會（CIRP）提出)從客戶需求出發(fā)，制定設計任務書、方案設計和技術設計等一系列工作根據設計產品功能、性能以及加工工藝和經濟等要求選擇合適材料完成產品零件加工和部件裝配過程，完成整個產品的調試和裝配使人們確信產品能滿足質量要求的有計劃和有系統(tǒng)的活動在產品生命周期中各過程的管理。瞄準消費者的需求和期望進行營銷1、制造概述1.2制造定義手機的制造過程設計選材-玻璃機身自動化制造質量檢測-穩(wěn)定性營銷管理1、制造概述1.2制造定義1.減材制造：通過刀具減少或去除材料的加工方式，最終成型為所需部件的工藝類型，如車、銑、刨、磨……對于常規(guī)形狀的零件能實現高的生產效率以及非常緊密的公差。車工銑工1、制造概述磨工刨工1.3制造分類2.材料基本不變：利用工具及模具使得加工制件的少切削或無切削的工藝方法。如鍛造、鑄造、沖壓……可以形成復雜的形狀和細節(jié)，適用于大批量生產。鍛造鑄造沖壓1、制造概述1.3制造分類3.增材制造：通過離散-堆積使材料逐點逐層累積疊加形成三維實體。能賦予完整的幾何自由度去構建具有復雜內部結構和功能的零部件。3D打印機打印過程——分層打印、逐層疊加1、制造概述1.3制造分類制造概述1第一次工業(yè)革命2第二次工業(yè)革命3第三次工業(yè)革命4第四次工業(yè)革命5

按照德國對工業(yè)發(fā)展的時代的劃分，當前工業(yè)發(fā)展已經經歷了三次工業(yè)革命，并且第四次工業(yè)革命正在發(fā)生。2、第一次工業(yè)革命近代制造——第一次飛躍早期制造大多為手工制造，典型代表為作坊。18世紀60年代，由蒸汽機驅動的機器在英國誕生，先后傳入法國、德國和美國，經過一段時間的發(fā)展，機器代替了手工，工廠代替了作坊，這是人類技術發(fā)展史上一次巨大的飛躍，由手工制造時代進入機器制造時代。手工生產2、第一次工業(yè)革命2.1技術革命瓦特改良的第一臺蒸汽機（被命名為“太陽和行星”，現陳列于倫敦科學博物館）詹姆斯·瓦特（1736—1819，英國發(fā)明家）2、第一次工業(yè)革命2.1技術革命蒸汽機的發(fā)展過程汽轉球巴本蒸汽機紐科門蒸汽機瓦特蒸汽機2、第一次工業(yè)革命2.1技術革命人力紡紗機機械紡紗機2、第一次工業(yè)革命2.2對生產影響蒸汽機工廠手工作坊2、第一次工業(yè)革命2.2對生產影響

1769年，法國陸軍軍官尼古拉斯·約瑟夫·庫諾和他制造的世界上第一輛蒸汽驅動的三輪車，這輛車被命名為“卡布雷奧”2、第一次工業(yè)革命2.3對生活影響1807年，美國人富爾頓發(fā)明了蒸汽汽船，他使用從英國進口的萬能蒸汽機，驅動客輪在哈德孫河航行，揭開了蒸汽輪船時代的序幕。富爾頓發(fā)明的第一艘蒸汽輪船“鳳凰”2、第一次工業(yè)革命2.3對生產影響徹底改變人類生產和生活面貌.從此人類進入了“蒸汽時代”，以往傳統(tǒng)動力驅動的裝置由蒸汽機驅動，極大提升了生產效率。不僅如此，蒸汽機的出現還推動了一系列新興產業(yè)的發(fā)展，火車、汽車、輪船、機械化工廠開始出現，一個工業(yè)化社會雛形就形成了。第一次工業(yè)革命意義2、第一次工業(yè)革命2.4意義制造概述1第一次工業(yè)革命2第二次工業(yè)革命3第三次工業(yè)革命4第四次工業(yè)革命5

2500多年前，古希臘人首次發(fā)現了毛皮摩擦過的琥珀能夠吸引一些微小的東西，隨后經過一段時間的探索，人們又發(fā)現了電荷分為“正電荷”和“負電荷”，對電的發(fā)現貢獻最大的為富蘭克林的“風箏實驗”。電的發(fā)現技術革命3、第二次工業(yè)革命3.1技術革命歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏特（1745－1827，意大利物理學家）

人們第一次獲得可以人為控制的持續(xù)電流始于伏打電池的發(fā)明。這為今后電流現象的研究提供了物質基礎。電的使用3、第二次工業(yè)革命3.1技術革命邁克爾·法拉第（1791—1867）1821年，法拉第發(fā)明了第一臺電動機。

1831年，法拉第發(fā)現當一塊磁鐵穿過一個閉合線路時，線路內就會有電流產生，這個效應叫電磁感應。在此基礎上發(fā)明了世界上最早的第一臺實驗性發(fā)電機。第一臺實驗性發(fā)電機3、第二次工業(yè)革命3.1技術革命煤油燈電燈（1878年）3、第二次工業(yè)革命3.2對生活影響老式電影放映機《朗德海花園場景》（1888年，人類歷史上第一部電影,時長只有2秒）3、第二次工業(yè)革命3.2對生活影響第二次工業(yè)革命使生產組織發(fā)生變化，1913年4月,福特公司試驗了第一條流水線,用來裝配飛輪磁電機。一臺電機的裝配需要20分鐘,流水線把裝配工作分解成29道工序,時間減少到13分10秒。3、第二次工業(yè)革命3.3對生產影響《摩登時代》（ModernTimes），是查理·卓別林（CharlesChaplin）導演并主演的一部經典喜劇電影，于1936年上映。本片故事發(fā)生在美國20世紀30年代經濟蕭條時期，工人查理（卓別林飾）天掙扎在生產流水線上的，由于他的任務是扭緊六角螺帽，結果最后在他的眼睛里唯一能看到的的東西就是一個個轉瞬即過的六角螺帽。3、第二次工業(yè)革命3.3對生產影響電力開始用于帶動機器，成為新的主要能源；流水線生產方式大幅提高了勞動生產率，也減低了對勞動者的技術要求，降低生產成本。1870年以后，由此產生的各種新技術、新發(fā)明層次不窮，并被應用于各種工業(yè)生產領域，人類進入了電氣時代。3、第二次工業(yè)革命3.4意義制造概述1第一次工業(yè)革命2第二次工業(yè)革命3第三次工業(yè)革命4第四次工業(yè)革命5電氣時代常用繼電器電路控制電機、電燈等電氣設備，實現了遠距離和對大功率電路的控制。4、第三次工業(yè)革命4.1技術革命繼電器電路配線

但是隨著流水線復雜程度的提高，繼電器、接觸器控制系統(tǒng)也越來越復雜，修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差等缺點制約著生產的發(fā)展。4、第三次工業(yè)革命4.1技術革命

從20世紀50年代開始，電子技術和信息技術飛速發(fā)展，出現電子計算機和新一代通信技術，且兩者的有機融合給工業(yè)迎來了新的革命性發(fā)展機遇。電子技術特點圖片應用電子管（真空管）（1946-1958）1.以電子管為主要電路元件；2.體積大、功耗高、可靠性差、速度慢、價格昂貴。第一臺計算機晶體管（1959-1964）1.以晶體管為主要電路元件；2.晶體管尺寸小，重量輕，壽命長，效率高，發(fā)熱少，功耗低；3.使用面向過程的程序設計語言，如fortran等。第一臺晶體管計算機中小規(guī)模集成電路（1965-1970）1.計算機變得更小、功耗更低、速度更快；2.出現操作系統(tǒng)；3.BASIC語言。第一臺電子計算機大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路（1971—）1.一個芯片上容納幾百個元件，計算機體積更小，運算更快；2.IBM于1981年推出個人計算機。第一臺個人計算機4、第三次工業(yè)革命4.1技術革命信息技術標志時間第一次語言的使用距今約35000年～50000年前第二次文字的創(chuàng)造公元前3500年第三次印刷的發(fā)明公元1040年，我國開始使用活字印刷技術(歐洲人1451年開始使用印刷技術)。第四次電報、電話、廣播和電視的發(fā)明和普及應用1837年美國人莫爾斯研制了世界上第一臺有線電報機。第五次電子計算機的普及應用及計算機與現代通信技術的有機結合。始于20世紀60年代信息技術——用于管理和處理信息的技術總稱。4、第三次工業(yè)革命4.1技術革命

隨著信息技術的發(fā)展和集成電路的出現，1969年，美國數字設備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器PDP—14，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，這是第一代可編程邏輯控制器，稱ProgrammableLogicController，簡稱PLC，是世界上公認的第一臺PLC。PDP—14PDP—14內部集成電路4、第三次工業(yè)革命4.2對生產影響西門子PLCPLC控制柜 PLC用電子開關取代了控制電路中中間繼電器的機械開關，開關頻率可達上億次每秒，且不會產生電弧而造成設備老化甚至爆炸事故。PLC可控制幾十上百個設備，接線電路簡單，極大的提高了自動化水平，進一步解放人類勞動。4、第三次工業(yè)革命4.2對生產影響例子：某自動化裝配實驗室對生產的影響PLC控制系統(tǒng)架構圖成品庫單元檢測單元上層裝配單元轉接板裝配單元出站庫單元4、第三次工業(yè)革命4.2對生產影響

第三次科技革命不僅帶來了物的現代化，引起勞動方式和生活方式的變革，而且也造就了新一代人與之相適應，使人的觀念、思維方式、行為方式、生活方式逐步走向現代化。通訊、購物、交通等4、第三次工業(yè)革命4.3對生活影響第三次工業(yè)革命利用信息技術，實現了大規(guī)模自動化生產，大幅提高了制造業(yè)的效率，極大地推動了生產力的發(fā)展，進入自動化時代。同時也進一步解放了人類體力勞動，改變了人們的生活觀念，提高了人們的生活水平，奠定了現代生活的基礎。4、第三次工業(yè)革命4.4意義制造概述1第一次工業(yè)革命2第二次工業(yè)革命3第三次工業(yè)革命4第四次工業(yè)革命5 2011年漢諾威工博會提出工業(yè)4.0（Industry4.0）概念，即第四次工業(yè)革命。2013年，德國政府正式推出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。

工業(yè)4.0是智能工廠和智能制造的集合體，包括智能設備、智能物料、物聯網（IoT）、IPv6等。5、第四次工業(yè)革命5.1技術革命（1）智能設備感知處理決策感知能力即通過傳感器像人一樣可以感知溫度、分辨顏色、測量距離等；處理能力即通過計算機的強大計算能力對感知數據進行處理；決策即決定何時、如何執(zhí)行何種任務。5、第四次工業(yè)革命5.1技術革命（1）智能設備——智能機器人視覺識別語音識別力識別與人交流……5、第四次工業(yè)革命5.1技術革命第四次工業(yè)革命（2）智能物料原料：擁有自己的名稱和地址，具備各自的身份信息；“知道”什么時候、哪條產線或哪個工藝過程需要它們，達到各自目的地；產品：加工完成后進行質量檢測不合格或損壞維修時，可以追溯物料加工過程；集控制、運算、交互于一身，能夠進行自檢測甚至自維修。身份標簽身份識別5、第四次工業(yè)革命5.1技術革命第四次工業(yè)革命（3）物聯網（Internetof

Things,

IoT）與IPv6物聯網（IoT）——物+互聯網，實現萬物互聯互通。在智能工廠中物聯網將智能設備、智能物料、人之間相互聯系起來，共同決策。IPv6——互聯網協(xié)議第6版，為每一個聯網物體分配一個唯一的ID，號稱可以為全世界的每一粒沙子編上一個地址。計算機上的IPv6協(xié)議5、第四次工業(yè)革命5.1技術革命第四次工業(yè)革命可以實現大規(guī)模個性化定制、遠程運維、網絡協(xié)同制造等新型生產方式，生產自組織、柔性化程度逐漸提高，進入智能化時代。同時也進一步解放了人類體力勞動和部分腦力勞動，對人們的生活方式如購物方式也會產生極大改變。5、第四次工業(yè)革命5.2意義Thankyouforlistening!謝謝聆聽!第一章智能制造概述——智能制造智能制造的提出1數字化階段2數字化網絡化階段3數字化網絡化智能化階段4從制造業(yè)發(fā)展歷程看，人類制造模式經歷了手工生產、機器生產、大規(guī)模批量生產等階段。20世紀80年代以來，隨著電子信息技術的應用，制造業(yè)自動化水平大幅提高，出現了并行工程、精益生產、敏捷制造等先進制造模式。這些先進制造系統(tǒng)模式及其理論與方法為全球制造業(yè)的發(fā)展提供了重要的理論和方法。21世紀以來，隨著信息技術的發(fā)展，尤其是互聯網技術與制造技術的融合，制造業(yè)呈現數字化、智能化趨勢，定制化、分散化生產方式開始興起，使得二十世紀八十年代產生的智能制造的概念逐步得以實現。1、智能制造的提出1.1制造模式的發(fā)展與演進制造模式發(fā)展過程

智能制造的提出源于人工智能（Artificialintelligence,AI）在制造領域中的應用研究，新一代人工智能技術的出現推動著智能制造的發(fā)展。約翰·麥卡錫（1927-2011） ——人工智能之父智能制造——制造是主體，智能是主導，人是主宰?！叭斯ぶ悄苁茄兄浦悄軝C器的一門科學與技術”1、智能制造的提出1.2提出1988年，美國賴特（PaulKennethWright）、伯恩（DavidAlanBourne）正式出版了智能制造研究領域的首本專著《制造智能》（ManufacturingIntelligence，Addison-Wesley，1988），就智能制造的內涵與前景進行了系統(tǒng)描述，將智能制造定義為“通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”?！吨圃熘悄堋罚∕anufacturingIntelligence）PaulKennethWrightDavidAlanBourne1、智能制造的提出1.2提出在此基礎上，英國技術大學Williams教授對上述定義作了更為廣泛的補充，認為“集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統(tǒng)”。麥格勞-希爾科技詞典將智能制造界定為，采用自適應環(huán)境和工藝要求的生產技術，最大限度的減少監(jiān)督和操作，制造物品的活動。智能制造最新的定義：基于新一代信息技術，貫穿設計，生產，管理，服務等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知，智慧優(yōu)化自決策，精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程，系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為核心，以端到端數據流為基礎，以網絡互聯為支撐等特征，實現智能制造可以縮短產品研制周期，降低資源能源消耗，降低運營成本，提高生產效率，提升產品質量。1、智能制造的提出1.3定義的補充和發(fā)展智能制造實例1——傳統(tǒng)機械人+機器視覺

傳統(tǒng)搬運機器人只能按照已有程序從開始位置抓取物料按固定路線到達終點并卸貨，當物料位置偏移或路線有障礙時，機器人將無能為力。如果給機器人裝上視覺，即像人一樣擁有眼睛，便可以確定物料位置、越過障礙等，機器人就更加智能了。1、智能制造的提出1.4實例智能制造實例2——傳統(tǒng)機械人+互聯網

傳統(tǒng)機器人之間不能相互交流，就像一個人被關進小黑屋。當機器人聯網后，就加上了“嘴巴”，具有“說話能力”，能與別的機器人或人員進行信息交換，通力合作完成任務。1、智能制造的提出1.4實例智能制造是一個不斷演進發(fā)展的大概念，可歸納為三個基本范式：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造，這也是智能制造發(fā)展的三個階段。

一方面，三個基本范式依次展開，各有自身階段的特點和需要重點解決的問題，體現著先進信息技術與制造技術融合發(fā)展的階段性特征；另一方面，三個基本范式在技術上并不是決然分離的，而是相互交織、迭代升級，體現著智能制造發(fā)展的融合性特征。1、智能制造的提出1.5范式演進智能制造的提出數字化階段數字化網絡化階段數字化網絡化智能化階段1234What?Why?How?數字化——用數字表達

What：數字化其實就是一個量化的過程，就好像我們想要表達今天的溫度，最讓人清楚的表達方式不是說今天好熱今天好冷，而是今天xx攝氏度。

Why：數字更讓人看得見摸得著，數字化后機器才能儲存、識別、處理、傳輸等。

How：通過傳感器把物體屬性（如汽車速度、環(huán)境溫度等）測量出來，形成數據。2、數字化階段2.1什么是數字化50年代，數控（NumericalControl，NC）機床在美國第一次出現，在大幅度提高工作效率的同時完成了從人工控制向自動化的過渡；自動編程工具（AutomaticallyProgrammedTools，APT）誕生，簡化了數字化生產的流程；第一臺加工中心在美國UT公司被研制出，集成了多種加工方式和工序，進一步精益化生產流程。第一臺數控銑床人工控制機床2、數字化階段2.2數字化發(fā)展60年代，計算機輔助設計/制造（ComputerAidedDesign/Manufacturing，CAD/CAM）軟件出現，使得產品設計和制造過程更具高效；柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，FMS）的誕生改變了傳統(tǒng)制造流程形式，大大提升了硬件設備的生產能力。人工制圖計算機制圖2、數字化階段2.2數字化發(fā)展70年代，CAD和CAM技術的融合，可以集成到同一個軟件里，CAD根據客戶需求設計出模型后直接轉化成CAM文件，機床即可根據制造程序進行生產，使得信息交互變的更加規(guī)范。需求CADCAM生產信息孤島逐漸融合2、數字化階段2.2數字化發(fā)展80年代，計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）通過計算機硬軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產全部過程中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息與物流有機集成并優(yōu)化運行，使得各種技術之間，各類數據之間有了更高級的數字化融合，制造過程中設計、制造、管理等各階段相互協(xié)同，為制造技術的發(fā)展奠定了基礎。2、數字化階段2.2數字化發(fā)展

（1）90年代中期，互聯網得以普及應用，“互聯網+”概念興起。制造業(yè)與互聯網的初步融合，此時企業(yè)層、處理層、控制層和現場層只能上下級之間通信，協(xié)調效率不高，網絡化水平的提高滯待解決。企業(yè)層處理層控制層現場層

（2）20世紀70年代出現的專家系統(tǒng)模擬人類專家的知識和經驗解決特定領域的問題，在醫(yī)療、化學、地質等領域取得成功，在制造領域出現各類故障診斷專家系統(tǒng)，智能化水平還比較低。動物識別專家系統(tǒng)i.有羽毛？提問第i個問題否是會飛？…否是會游泳？…否是只有黑白色?…否是企鵝i+12、數字化階段2.3網絡化和智能化的發(fā)展數字化階段的特點主要表現為三點：

1）數字技術在產品中得到普遍應用，形成數字一代。包括產品和工藝的數字化，制造裝備/設備的數字化，材料、元器件、被加工的零部件、模具/夾具/刀具等“物”的數字化以及人的數字化。2）廣泛應用數字化設計，建模仿真、數字化裝備、信息化管理。包括各類計算機輔助設計、優(yōu)化軟件和各類信息管理軟件。3）實現生產過程的集成優(yōu)化。包括網絡通信系統(tǒng)構建，不同來源的異構數據格式的統(tǒng)一以及數據語義的統(tǒng)一。數據的互聯互通，其目的是要利用這些數據實現整個制造過程各環(huán)節(jié)的協(xié)同。具體體現在產品數據管理（ProductDataManagement,PDM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）,企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（EnterpriseResourcePlanningSystem，ERP）等管理系統(tǒng)的協(xié)同功能。2、數字化階段2.4總結智能制造的提出數字化階段數字化網絡化階段數字化網絡化智能化階段12343、數字化網絡化階段

上個世紀末，互聯網大規(guī)模普及應用，網絡將人、流程、數據和事物連接起來。智能制造進入了以萬物互聯為主要特征的數字化網絡化階段。

數字化網絡化智能制造，是智能制造的第二種基本范式，也可稱為“互聯網+制造”，或第二代智能制造。3.1數字化網絡化的出現3、數字化網絡化階段3.2數字化網絡化舉例數控機床是將加工過程中需要的刀具與工件的相對運動軌跡、主軸速度、進給速度等按規(guī)定的格式編成加工程序，計算機數控系統(tǒng)即可根據該程序控制機床自動完成加工任務

互聯網＋數控機床實現對加工狀態(tài)的感知，并且可實現機床狀態(tài)數據的采集和匯聚和設備的互聯互通。數控機床互聯網+數控機床3、數字化網絡化階段3.3特征——三大集成數字化網絡化階段在制造方面的特征主要表現為三大集成，縱向橫向集成和端到端集成?？v向集成是一個組織擁有一個供應鏈各個部分的方法。主要解決企業(yè)內部的集成，即解決信息孤島的問題，解決信息網絡與物理設備之間的聯通問題，目標是實現全業(yè)務鏈集成，這也是智能制造的基礎A、縱向集成3、數字化網絡化階段3.3三大集成A、縱向集成

同濟-歐姆龍智能制造實驗室工業(yè)4.0產線貫穿設計、生產、管理、服務；信息深度自感知、智慧優(yōu)化子決策、精準控制自執(zhí)行；以制造環(huán)節(jié)智能化為核心；縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提高產品質量、降低能源消耗。該系統(tǒng)著力于展示智能制造體系中智能機器與智能終端間的縱向集成——實現機器生產層與用戶操作層的同步3、數字化網絡化階段3.3三大集成橫向集成代表的就是企業(yè)之間全產業(yè)鏈的集成，以供應鏈上下游之間的合作為主線，通過價值鏈以及信息網絡的互聯，推動企業(yè)間研產供銷、經營管理與生產控制、業(yè)務與財務全流程的無縫銜接。從而實現產品開發(fā)、生產制造、經營管理等在不同企業(yè)間的信息共享和業(yè)務協(xié)同，實現了生產過程的去中心化。B、橫向集成3、數字化網絡化階段航天科工面向全球正式發(fā)布工業(yè)互聯網云制造平臺——INDICS，面向社會各類大中小制造企業(yè)轉型升級戰(zhàn)略需求，基于公有互聯網，開發(fā)并成功運營了中國首個以生產性服務為主體的“互聯網+智能制造”的大型云制造服務平臺。INDICS云制造平臺實現的是全產業(yè)鏈集成，涵蓋從設計、供應鏈、生產、銷售、服務等環(huán)節(jié)，通過集成構筑了以工業(yè)互聯網為基礎的云制造產業(yè)集群生態(tài)，推動了集中制造向分散化、異地化、協(xié)同化制造方式的轉變。航天云網工業(yè)大數據平臺3.3三大集成B、橫向集成3、數字化網絡化階段3.3三大集成過去，產品交付到用戶手上以后，產品的使用狀況、維修管理等環(huán)節(jié)與生產制造是分離的，信息是不及時不透明的。所謂端到端集成就是把所有該連接的端頭（點）都集成互聯起來，通過價值鏈上不同端口的整合，實現從產品設計、生產制造、物流配送、使用維護的產品全生命周期管理和服務。通過端到端集成，客戶的需求和反饋可以直接與研發(fā)設計端相連，形成以產品為核心的互聯互通的業(yè)務閉環(huán)流程。C、端到端集成3、數字化網絡化階段3.3三大集成海爾互聯工廠智能化平臺COSMOPlat是面向智能制造的中國版工業(yè)互聯網平臺，從大規(guī)模制造轉型大規(guī)模定制，打造了定制生產的新生態(tài)。端到端集成表現在以下三方面：一是能夠實現用戶全流程的實時互聯。全球的用戶隨時隨地都可以通過他的移動終端來定制他所需要的個性化產品，全流程的參與設計、制造。二是要達到用戶和工廠的零距離。用戶的個性化訂單，可以直接下達到海爾全球的供應鏈工廠，這樣就可以減少生產和訂單處理的中間環(huán)節(jié)，把中間這部分價值讓渡給用戶。三是全流程透明可視。訂單生產及配送情況，可以實時的推送給用戶，實現用戶從他定制的訂單到工廠的生產，再到物流的任何一個環(huán)節(jié)的實時可視。C、端到端集成3、數字化網絡化階段3.5數字化特點通過數字主線等技術，統(tǒng)一數據源，與產品有關的數字化模型都采用標準開發(fā)的描述，可以逐級向下傳遞并回溯而不失真，在整個生命周期內，各環(huán)節(jié)模型都能夠及時進行關鍵技術的雙向同步和溝通。通過數字孿生技術持續(xù)地預測裝備或系統(tǒng)的健康狀態(tài)、剩余使用壽命和產品合格率，并預見關鍵安全事件的系統(tǒng)響應，加大了仿真系統(tǒng)對現實的模擬，減少物理樣機生產和實驗實踐。3、數字化網絡化階段3.5網絡化特點網絡化實現了生產信息的自動采集以及信息人與機器、機器與機器間的通信。企業(yè)層處理層控制層現場層上下級之間通信、協(xié)調效率不高自動化金字塔結構去中心化的網狀結構，并可以實現M2M網狀結構3、數字化網絡化階段3.5智能化特點目前智能制造的“智能”還處于Smart的層次，Smart字面含義是賦予企業(yè)快速響應內部和外部變化的能力?？焖夙憫灾匾?，是因為市場競爭日趨激烈，使得響應速度越來越重要，智能制造最重要的作用之一就是加快響應速度。智能制造系統(tǒng)具有數據采集、數據處理、數據分析的能力，能夠準確執(zhí)行指令，能夠實現閉環(huán)反饋。智能制造系統(tǒng)能支撐各自組織生產單元在分布的模式下自主地運行，并且由這些自組織生產單元構成的整個系統(tǒng)能夠以恰當的方式運行，使得企業(yè)整體能夠通過協(xié)調各級（公司級、工廠級、車間級）活動來獲得最好的運行特性。SmartManufacture3、數字化網絡化階段3.7總結數字化網絡化階段在產品、制造、服務三方面的特點：1）在產品方面，數字技術、網絡技術得到普遍應用，產品實現網絡連接，設計、研發(fā)實現協(xié)同與共享，實現了生產過程的去中心化。2）在制造方面，實現企業(yè)間橫向集成、企業(yè)內部縱向集成和產品流程端到端集成，打通整個制造系統(tǒng)的數據流、信息流。物/務聯網的應用為制造業(yè)的制造物聯提供了基礎。3）在服務方面，企業(yè)與用戶通過網絡平臺實現連接和交互，企業(yè)生產開始從以產品為中心向以用戶為中心轉型，通過遠程運維，為用戶提供更多的增值服務。包括智能服務和大規(guī)模個性化定制。

智能制造數字化網絡化階段是基于數字化階段發(fā)展而來，以網絡技術為支撐，以信息為紐帶，實現了人、現實世界及其對應的虛擬世界的深度融合。智能制造的提出數字化階段數字化網絡化階段數字化網絡化智能化階段12344、數字化網絡化智能化階段如果說數字化網絡化制造是新一輪工業(yè)革命的開始，那么新一代智能制造，即數字化網絡化智能化制造的突破和廣泛應用將推動形成新工業(yè)革命的高潮，將重塑制造業(yè)的技術體系、生產模式、產業(yè)形態(tài)。4.1概念4、數字化網絡化智能化階段4.2關鍵技術60年前，1956年，一批頂級專家在美國達特茅斯（Dartmouth）聚會，首次確定了“人工智能”概念：讓機器像人那樣認知、思考和學習，即用計算機模擬人的智能。60年來，人工智能技術幾起幾伏，頑強地奮斗，不斷地前進，但總體而言，還是屬于第一代技術，屬于“人工智能1.0”時代1956年達特茅斯會議地點4、數字化網絡化智能化階段4.2關鍵技術新一代人工智能呈現出深度學習、跨界融合、人機協(xié)同、群體智能等新特征，大數據智能、跨媒體智能、人機混合增強智能、群體集成智能和自主智能裝備正在成為發(fā)展重點。大數據互聯網多媒體、傳感器人機交互自主裝備AI+新一代人工智能大數據智能群體智能跨媒體智能人機混合增強智能自主智能系統(tǒng)20世紀90年代后，網絡技術的發(fā)展，加速了人工智能的研究，人工智能技術有了很大突破。1997年國際商業(yè)機器公司（簡稱IBM）深藍超級計算機戰(zhàn)勝了國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫4、數字化網絡化智能化階段4.2.1早期的人工智能4、數字化網絡化智能化階段4.3現在人工智能2017年10月26日，沙特阿拉伯授予香港漢森機器人公司生產的機器人索菲亞公民身份。作為史上首個獲得公民身份的機器人。2018年2月4日，索菲亞做客央視節(jié)目《對話》。新一代智能制造是一個大系統(tǒng)，主要是由智能產品和裝備、智能生產和智能服務三大功能系統(tǒng)以及智能制造云和工業(yè)智聯網兩大支撐系統(tǒng)集合而成4、數字化網絡化智能化階段4.4系統(tǒng)集成4、數字化網絡化智能化階段智能產品和裝備是新一代智能制造系統(tǒng)的主體，新一代人工智能的融入使得產品和裝備發(fā)生革命性變化。4.4.1智能產品和裝備現在的智能手機計算能力已經今非昔比，此外，最新上市的iPhoneX系列和華為mate10已經搭載了人工智能芯片，開始具備了學習功能。從智能手機的飛速發(fā)展，我們可以想象智能產品和裝備未來的發(fā)展前景。12344、數字化網絡化智能化階段4.4.1智能產品和裝備自動駕駛汽車（Self-drivingautomobile），又稱無人駕駛汽車，是一種通過系統(tǒng)實現無人駕駛的智能汽車。2009年谷歌首次展示自動駕駛汽車雛形。2009年自動駕駛汽車雛形4、數字化網絡化智能化階段4.4.1智能產品和裝備智能工廠是智能生產的主要載體，追求的目標是生產過程的優(yōu)化，大幅度提升生產系統(tǒng)的性能、功能、質量和效益。新一代人工智能技術與先進制造技術的融合將使生產線、車間、工廠發(fā)生革命性的大變革，企業(yè)將會向自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。4、數字化網絡化智能化階段4.4.2智能生產在“機器學習”、“深度學習”、“人工神經網絡”等算法的提出和發(fā)展背景下，人工智能技術進入高速發(fā)展階段，人工智能語義領域的任務型對話服務機器人應用在了客戶服務場景中。4、數字化網絡化智能化階段4.4.3智能服務新一代智能制造系統(tǒng)最本質的特征是通過深度學習、遷移學習和增強學習等技術的應用，使信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能，從而使得人類從繁重的體力勞動和簡單重復的腦力勞動當中解放出來，可以從事更有意義的創(chuàng)造性工作4、數字化網絡化智能化階段4.5總結Thankyouforlistening!謝謝聆聽!第二章信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)的內涵1信息物理系統(tǒng)的實現2信息物理系統(tǒng)的建設和應用31、信息物理系統(tǒng)的內涵1.1什么是CPS傳統(tǒng)制造是通過人對機器的直接操作控制去完成各種工作任務。1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.1什么是CPS與傳統(tǒng)制造相比,智能制造發(fā)生的最本質的變化是：在人與物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)（CyberSystem），信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)組成了信息-物理系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem)1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.2怎么理解“CPS”Cyber-PhysicalSystem——網絡和物理系統(tǒng)緊密結合在一起的系統(tǒng)。Cyber——通信和控制;離散的，邏輯型的，交換的計算。Physical——受物理定律的支配并持續(xù)運行的自然和人為系統(tǒng)?！?006年美國科學基金會（NSF）1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.3“CPS”的由來美國作家威廉·吉步森在1982年創(chuàng)造并使用了“cyberspace”一詞“Cyber”一詞最早可追溯至自希臘語單詞Kubernetes，意思是掌舵人1948年，諾伯特·維納在《控制論》中創(chuàng)造并使用了“Cybernetics”一詞“Cybernetics”由錢學森于1954年所著的《EngineeringCybernetics》所使用幾年后，錢學森在1958年發(fā)布的該書的中文版中，將“Cybernetics”翻譯為了“控制論”CPS這一術語最先是由美國國家航空航天局（NASA）在1992年提出的2006年，國際上舉行了第一個信息物理系統(tǒng)的研討會（NSFWorkshoponCyber-PhysicalSystems）1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.4CPS的定義CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現系統(tǒng)內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書（2017）》1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.4CPS的本質信息物理系統(tǒng)的本質就是構建一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性與不確定性,提高資源配置效率，實現資源優(yōu)化?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書（2017）》CPS本質1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.4CPS的本質狀態(tài)感知：對外界數據的獲取，如物理實體的尺寸、外部環(huán)境的溫度、液體流速、壓強等數據；實時分析：對顯性數據的進一步理解，是將感知的數據轉化成認知的信息的過程；科學決策：對信息的綜合處理，在這一環(huán)節(jié)CPS能夠權衡判斷當前時刻獲取的所有來自不同環(huán)境下的信息，形成最優(yōu)決策來對物理實體空間進行控制；精準執(zhí)行：對決策的精準物理實現，執(zhí)行的本質是將信息空間產生的決策轉換成物理實體可以執(zhí)行的命令。1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.5CPS的特征CPS作為溝通信息世界和物理世界的橋梁，它表現出六大典型特征，總結為：1.數據驅動：通過構建“狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行”數據的自動流動的閉環(huán)賦能體系，CPS將隱形的數據從物理空間中顯性得轉化到信息空間上，進而迭代更新匯集成知識庫。轉化過程中，狀態(tài)實時分析數據；根據數據做出科學決策判斷；精準執(zhí)行后，將數據作為輸出結果，展示出來。因此，數據是CPS的重中之重。2.軟件定義：工業(yè)軟件是對工業(yè)各類工業(yè)生產環(huán)節(jié)規(guī)律的代碼化，支撐了絕大多數的生產制造過程。作為面向制造業(yè)的CPS，軟件就成為了實現CPS功能的核心載體之一。3.泛在連接：網絡通信是CPS的基礎保障，能夠實現CPS內部單元之間以及其它CPS之間的互聯互通。隨著信息通信技術的發(fā)展，網絡通信將會更加全面深入地融合信息空間和物理空間，表現出明顯的泛在連接特征，實現在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信。4.虛實映射：CPS構筑信息空間與物理空間數據交互的閉環(huán)通道，能夠實現信息虛體與物理實體之間的交互聯動。其中，“數字孿生”是虛實映射的基礎。5.異構集成：軟件、硬件、網絡、工業(yè)云等一系列技術的有機組合構建了一個信息空間與物理空間之間數據自動流動的閉環(huán)系統(tǒng)。CPS能夠將異構硬件、異構軟件、異構數據及異構網絡集成起來，實現數據在信息空間與物理空間不同環(huán)節(jié)的自由流動。因此，CPS必定是一個對多方異構環(huán)節(jié)集成的綜合體。6.系統(tǒng)自治：CPS能夠根據感知到的環(huán)節(jié)變化信息，在信息空間進行處理分析，自適應地對外部變化做出有效響應。1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.5CPS的特征1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.6CPS的橫向對比由于CPS是一個復雜且較為綜合性的概念，因此在CPS的理解上存在著一些難點。因此就CPS系統(tǒng)和以往一些概念（物聯網、嵌入式系統(tǒng)）做對比，以澄清CPS系統(tǒng)與現有概念的差別與優(yōu)勢。CPS=物聯網？CPS=嵌入式系統(tǒng)？a）CPS與物聯網對比1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.6CPS的橫向對比CPS與物聯網在原理和工作重點方面的區(qū)別原理物聯網物聯網是基于無線連接實現感知的，其控制與計算的成分占的并不多。它往往是一個物理實體通過傳感器感知某項活動后，然后將狀態(tài)信息交給其他物理實體去決策與執(zhí)行的過程。CPS在完成信息傳遞的功能之外，還要負責協(xié)調物理實體之間的工作，并且其本身的計算能力也更加強大，從而最終能夠實現自治的目標。工作重點物聯網強調物物相聯與信息傳輸CPS強調物理世界和信息世界之間實時的、動態(tài)的信息回饋、循環(huán)過程CPS1、信息物理系統(tǒng)的內涵1.6CPS的橫向對比a）CPS與嵌入式系統(tǒng)對比CPS與嵌入式系統(tǒng)在概念和工作范圍方面的區(qū)別概念嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是用于嵌入式微電腦上的操作系統(tǒng)CPS系統(tǒng)是一個信息物理的混合系統(tǒng)，是一個跨學科跨領域的概念工作范圍嵌入式系統(tǒng)較為單一地工作在特定的嵌入式環(huán)境當中CPS系統(tǒng)不僅要監(jiān)控一個嵌入式設備的運作，還要負責不同嵌入式設備間的交互，并以他們之間的交互信息進行工作上的協(xié)調。通俗地說，CPS就是把嵌入式系統(tǒng)通過物聯網聯系起來，并協(xié)調其運作。CPS信息物理系統(tǒng)的內涵1信息物理系統(tǒng)的實現2信息物理系統(tǒng)的建設和應用32、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次CPS的三個層次

將CPS劃分為單元級、系統(tǒng)級、SoS級（SystemofSystems，系統(tǒng)之系統(tǒng)級）三個層次。單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS總線）構成更高層次的CPS，即系統(tǒng)級CPS；系統(tǒng)級CPS可以通過工業(yè)云、工業(yè)大數據等平臺構成SoS級的CPS，實現企業(yè)級層面的數字化運營?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書》，20172、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（1）單元級CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元物理設備是實際存在的，可以通過傳感器可以感知外部信號，如聲、光、電、煙霧等，經過執(zhí)行器能夠接收控制指令并對物理實體進行控制。信息外殼（Informationshell）包括感知、計算、控制與通信功能，是物理設備與信息世界通信的接口與橋梁，能夠實現物理實體的“數字化”，信息世界可以通過信息外殼和外界實體進行感知和交互。2、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（1）單元級CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元單元級CPS的智能機床計算感知決策執(zhí)行2、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（2）系統(tǒng)級CPS——“一硬、一軟、一網”的有機組合系統(tǒng)級CPS由多個單元級CPS來構建，單元級CPS之間的交互是通過工業(yè)網絡（如工廠現場總線、工業(yè)以太網）來實現的，由此達到數據的大范圍、寬領域的自動流動。通過引入網絡，實現了多個單元級CPS間的協(xié)同調配，進而提高了制造資源配置的優(yōu)化廣度、深度和精度。硬件軟件工業(yè)網絡2、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（2）系統(tǒng)級CPS——“一硬、一軟、一網”的有機組合單元級CPS智能機床單元級CPS智能AGV…單元級CPS智能輸送線工業(yè)網絡產線CPS系統(tǒng)級CPS的產線2、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（3）SoS級CPS——多個系統(tǒng)級CPS的有機組合硬件軟件網絡工業(yè)互聯網、云平臺SoS級CPS的主要功能是實現數據整合，從而對內進行進行資產優(yōu)化，對外形成運營優(yōu)化服務。其主要功能有：數據存儲、數據融合、分布式計算、大數據分析、數據服務，并在數據服務的基礎上形成資產性能管理與運營優(yōu)化服務。2、信息物理系統(tǒng)的實現2.1CPS的三個層次（3）SoS級CPS——多個系統(tǒng)級CPS的有機組合

COSMOPlat是海爾推出的具有中國自主知識產權、全球首家引入用戶全流程參與體驗的工業(yè)互聯網平臺。海爾利用COSMOPlat將用戶需求和整個智能制造體系連接起來，讓用戶可以全流程參與產品設計研發(fā)、生產制造、物流配送、迭代升級等環(huán)節(jié)，把以往“企業(yè)和用戶之間只是生產和消費關系”的傳統(tǒng)思維轉化為“創(chuàng)造用戶終身價值”。SoS級CPS的COSMOPlat2、信息物理系統(tǒng)的實現2.2CPS的關鍵技術（1）感知和自動控制A.智能感知技術傳感器技術是智能感知技術的核心。傳感器（Sensor）是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置。B.自動控制技術CPS虛實融合控制是多層“感知-分析-決策-執(zhí)行”循環(huán)，建立在狀態(tài)感知的基礎上，感知往往是實時進行的，向更高層次同步或即時反饋。包括嵌入控制、虛體控制、集控控制和目標控制四個層次。執(zhí)行實時感知分析決策空調自動控制室溫過程溫度傳感器溫度大于（小于）設定值降低（升高）溫度制冷（制熱）2、信息物理系統(tǒng)的實現2.2CPS的關鍵技術（2）工業(yè)軟件誰是世界上最大的軟件公司？微軟？谷歌？蘋果？如果僅看代碼行數，一直青睞工業(yè)軟件的美國最大軍火商洛克希德·馬丁公司早已超過微軟成為世界上最大的軟件公司。

大家是否知道，當年NASA的碼農女神——軟件首席工程師瑪格麗特，給阿波羅飛船寫的導航和登錄程序代碼量有多大？打印出來的紙堆起來比她還高！正是這一堆打印紙上承載的瑪格麗特發(fā)明的“異步軟件”，讓阿波羅11號避免了登月前軟件程序混亂到近乎崩潰的“黑色三分鐘”，在月球表面成功著陸。她寫的代碼把人類帶上了月球。2、信息物理系統(tǒng)的實現2.2CPS的關鍵技術（2）工業(yè)軟件工業(yè)軟件（IndustrialSoftware）是指專用于工業(yè)領域，為提高工業(yè)企業(yè)研發(fā)、制造、生產、服務與管理水平以及工業(yè)產品使用價值的軟件。工業(yè)軟件是智能制造領域最為重要的一環(huán)。A.企業(yè)資源管理系統(tǒng)：ERP（Enterpriseresourceplanning）

ERP促進所有業(yè)務職能之間的信息流動，并管理與外部利益相關者的聯系。B.產品全生命周期管理軟件：PLM（ProductLifecycleManagement）

包括各類CAX軟件，如CAD、CAM、CAE、CAPP等，CAX軟件是CPS信息虛體（二維、三維模型、生產工藝等）的載體。信息虛體的原始要素定義，以及信息虛體之間接口的定義，都是通過CAX軟件實現。C.生產制造執(zhí)行系統(tǒng)：MES（Manufacturingexecutionsystem）MES是用于制造，跟蹤和記錄原材料到成品的轉換的計算機化系統(tǒng)，MES提供的信息有助于制造決策者了解如何優(yōu)化工廠現有條件以提高產量。ERPPLMMES2、信息物理系統(tǒng)的實現2.2CPS的關鍵技術（3）工業(yè)網絡信息從現場設備層，向上經由多個層級流入企業(yè)層，這是經典的工業(yè)控制網絡金字塔層次模式。盡管這一模式得到了業(yè)界的廣泛認同，但其中各層次之間的數據流動并不順暢。CPS中的工業(yè)網絡技術將顛覆傳統(tǒng)的基于金字塔分層模型的自動化控制層級，轉而尋求基于分布式的全新范式，既去中心化的網狀結構。2、信息物理系統(tǒng)的實現2.3CPS王冠上的明珠——數字孿生數字孿生：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程?！吨悄苤圃煨g語解讀》（1）數字孿生（DigitalTwin）的定義數字孿生技術是CPS的虛實映射特點的基礎，為實現CPS提供了清晰的思路、方法和實施途徑。

智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒有Digitaltwin對現實生產體系的準確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法落實。2、信息物理系統(tǒng)的實現2.3CPS王冠上的明珠——數字孿生（2）數字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應用美國國防部最早提出利用DigitalTwin技術，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據結構現有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。數據流動與信息鏡像飛行器虛擬模型2、信息物理系統(tǒng)的實現2.3CPS王冠上的明珠——數字孿生（2）數字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應用三軸抓取機器人立體倉庫加工中心分檢設備虛擬世界狀態(tài)感知物理世界實時控制信息物理系統(tǒng)的內涵1信息物理系統(tǒng)的實現2信息物理系統(tǒng)的建設和應用33、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.1CPS的建設

建設CPS的過程中要充分考慮信息物理系統(tǒng)的層級特征，不同的階段，應根據實際情況采取不同的應對措施。CPS的建設是循序漸進、逐漸深入的，其建設路徑可以分為如下幾個階段：CPS體系設計針對應用模式、層次架構、安全體系、標準規(guī)范體系等方面開展CPS建設相關的整體體系設計。單元級CPS建設提升感知外部環(huán)境信息、實現智能控制的關鍵能力。為制造工藝與流程數字化提供數據基礎與控制基礎。系統(tǒng)級CPS建設實現對多個單元級CPS之間數據的互聯互通，實現各組成CPS之前的協(xié)同控制能力。SoS級CPS建設實現多個系統(tǒng)級CPS的有機組合，在具體建設上應將大數據平臺、智能服務平臺的建設作為重點。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.1CPS的建設在CPS技術體系的建設和應用上，需要結合企業(yè)實際情況進行路線規(guī)劃和逐步開展建設和應用。具體執(zhí)行過程中，遵循五統(tǒng)一指導原則實體制造與虛擬制造的統(tǒng)一層次性與系統(tǒng)性的統(tǒng)一繼承性與創(chuàng)新性的統(tǒng)一理論性與指導性的統(tǒng)一階段性與演進性的統(tǒng)一3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景CPS在制造業(yè)應用概覽目前，CPS受到工業(yè)領域的廣泛關注，并已在多個環(huán)節(jié)得到應用和體現。從智能設計、智能生產、智能服務、智能應用這四個方面，結合CPS的關鍵特征和關鍵技術實現對CPS的應用場景進行闡述和說明。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景1.智能設計隨著CPS不斷發(fā)展，在產品及工藝設計、生產線或工廠設計過程中，企業(yè)流程正在發(fā)生深刻變化，研發(fā)設計過程中的試驗、制造、裝配都可以在虛擬空間中進行仿真，并實現迭代、優(yōu)化和改進。CPS在生產線上的設計

在生產線設計方面，首先建立產品生產線的初步方案，初步形成產品的制造工藝路線，通過采集實際和試驗所生成的工時數據、物流運輸數據、工裝和工具配送數據等，在軟件系統(tǒng)中基于工藝路線建立生產線中的人、機械、物料等生產要素與生產線產能之間的信息模型。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景2.智能生產

CPS是實現制造業(yè)企業(yè)中物理空間與信息空間聯通的重要手段和有效途徑。從資源管理、生產計劃與調度來對整個生產制造進行管理、控制以及科學決策，使整個生產環(huán)節(jié)的資源處于有序可控的狀態(tài)。柔性制造應用場景CPS結合CAX、MES、自動控制、云計算、數控機床、工業(yè)機器人、RFID射頻識別等先進技術或設備，實現整個智能工廠信息的整合和業(yè)務協(xié)同，方便設備、人員的快速調整，提高了整個制造過程的柔性,為企業(yè)的柔性制造提供了技術支撐。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景3.智能服務CPS在健康管理、智能維護、遠程診斷、協(xié)同優(yōu)化、共享服務等方面提供智能服務。建立個體與群體（個體）、群體與系統(tǒng)的相互協(xié)同一體化工業(yè)云服務體系，能夠更好地服務于生產，實現智能裝備的協(xié)同優(yōu)化。CPS在預防維護中的應用應用建模、仿真測試及驗證等技術，基于裝備虛擬健康的預測性智能維護模型，構建裝備智能維護CPS系統(tǒng)。裝備智能維護CPS系統(tǒng)依據各裝備實際活動產生的數據進行獨立化的數據分析與利用，提前發(fā)現問題并處理，延長資產的正常運行時間.3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景4.智能應用

制造業(yè)全產業(yè)鏈的信息物理融合和價值共同創(chuàng)造，將設計者、生產者和使用者的單調角色轉變?yōu)樾聝r值創(chuàng)造的參與者，并通過新型價值鏈的創(chuàng)建反饋到產業(yè)鏈的轉型，從根本上調動生產流程中各個參與者的積極性和創(chuàng)造力，最終實現業(yè)態(tài)融合的制造業(yè)轉型。船舶、飛機等重資產裝備，普遍操作難度大，安全性要求高，CPS很好的解決了裝備智能化的問題。通過裝備狀態(tài)感知和實時計算，學習認知裝備操控過程知識，建立無人智能設備，同時構建CPS智能膠囊，在同類型的裝備上進行模型移植，實現設備智能化能力的低成本快速推進。無人裝備應用場景3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用1智能交通CPS背景CPS如何改善這種情況基礎設施城際交通每年發(fā)生大量交通事故，原因是長途交通，高速運行。車載網絡系統(tǒng)車輛間互聯通信路況報告汽車收集路況和傳感器信息汽車用手機或WiFi網絡向服務器傳遞信息用戶登錄服務器可瀏覽實時路況、個人駕駛習慣。路——壓力傳感器、無線通信基站(wifi)、用于計算的后端服務器；車——無線通信設備、顯示和視頻設備；司機——用于接收SMS的手機。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用1智能交通CPS1.車輛進入高速公路的入口，并加入網絡2嵌入式傳感器檢測到的交通信號（速度，狀態(tài)）3.數據庫連接和操作4.為車輛準備有用信息5.消息將發(fā)送到網絡中的每個節(jié)點：無線電臺，手機6.加入該網絡的車輛，將定期收到通知，并顯示在輸出設備7.接收服務器傳輸的蜂窩設備的短信3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用美國國防部推勵CPS技術進入到軍事領域，其無人機作站系統(tǒng)能夠在軍事基地控制數千公里外的無人機，對目標進行偵察、打擊，得益于美國無人機系統(tǒng)利用CPS技術隨時獲取了所需要的時空信息，對無人機偵察、打擊所需要的各種要素進行評估，并進行了數字化的展示。單元級CPS系統(tǒng)級CPSSoS級CPS2軍事應用CPSThankyouforlistening!謝謝聆聽!第三章智能制造系統(tǒng)架構及參考模型智能制造系統(tǒng)架構概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯網3中國制造202541、智能制造系統(tǒng)架構概述1.1參考模型的由來來自五湖四海的室友們在智能制造概念提出不久，智能制造獲得歐、美、日等國家的普遍重視，為促進相互理解和溝通，需要構建統(tǒng)一的模型來對關注問題的達成共識并確定參考模型所需術語及其定義，以方便理解與交流。1、CPS的概念IEC61970-2提供正在處理的問題空間的可視化的抽象結構，提供描述和討論解決方案的語言，定義術語并提供旨在獲得被解決問題相互理解的其他類似的幫助。IEC62443-1-1許多系統(tǒng)模塊和接口能以一致性方式進行描述的結構。ISO/IEC14543-2-1在系統(tǒng)和網絡結構中描述互聯的通用原則的模型。ISO/IEC14776-411用于以與實現無關的方式規(guī)定系統(tǒng)要求的標準模型。智能制造參考模型是一個通用模型，適用于智能制造全價值鏈的所有合作伙伴公司的產品和服務，它將提供智能制造相關技術系統(tǒng)的構建、開發(fā)、集成和運行的一個框架，通過建立智能制造參考模型可以將現有標準（如工業(yè)通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、設備集成、數字工廠等），擬制定的新標準（如語義化描述和數據字典、互聯互通、系統(tǒng)能效、大數據、工業(yè)互聯網等）一起納入一個新的全球制造參考體系。1、智能制造系統(tǒng)架構概述1.2參考模型的定義2.智能制造參考模型將有助于行業(yè)推廣工作3.智能制造參考模型建立將指導智能制造相關標準梳理和布局1.對智能制造概念及范圍進行界定目標1、智能制造系統(tǒng)架構概述1.3參考模型的建設目標序號模型名稱制定組織1工業(yè)4.0參考架構模型RAMI4.0德國工業(yè)4.0平臺2智能制造生態(tài)系統(tǒng)SMS美國國家標準與技術研究院NIST3工業(yè)互聯網參考架構IIRA工業(yè)互聯網聯盟IIC4智能制造系統(tǒng)架構IMSA中國國家智能制造標準化總體組5物聯網概念模型ISO/IECJTC1/WG10物聯網工作組6IEEE物聯網參考模型IEEEP2413物聯網工作組7ITU物聯網參考模型ITU-TSG20物聯網及其應用8物聯網架構參考模型OneM2M物聯網協(xié)同聯盟9全局三維模型ISO/TC184自動化系統(tǒng)與集成10智能制造標準路線圖框架法國國家制造創(chuàng)新網絡AIF11工業(yè)價值鏈參考架構IVRA日本工業(yè)價值鏈計劃IVI1、智能制造系統(tǒng)架構概述1.4智能制造相關的現有參考模型1、智能制造系統(tǒng)架構概述1.5智能制造相關的現有參考模型對比分析智能制造系統(tǒng)架構概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯網3中國制造202542、德國工業(yè)4.02.1德國工業(yè)4.0參考架構模型RAMI4.0

“制造+互聯互通”的RAMI4.0（ReferenceArchitectureModelIndustrie4.0）模型是從產品生命周期與價值鏈、層級和企業(yè)架構三個維度，分別對工業(yè)4.0進行多角度描述的一個框架模型。它代表了德國對工業(yè)4.0所進行的全局式的思考。有了這個模型，各個企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個體系中，尋找到自己的位置。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第一個維度是層級，構建了面向工業(yè)制造智能化的6個功能層，對企業(yè)的虛擬資源進行了劃分，各層具有相對獨立的功能，下層為上層提供接口，上層使用下層服務。具體包括資產、集成、通信、信息、功能、商業(yè)。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第二個維度是生命周期與價值鏈，劃分為原型設計和產品生產兩個階段，強調不同階段考慮的重點。原型設計階段指從初始設計到定型，還包括各種測試和驗證；產品生產階段指產品的規(guī)?；?、工業(yè)化生產。工業(yè)4.0中，每個實物的產品就是原型的一個實例。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第三個維度是企業(yè)架構，是在IEC62264企業(yè)系統(tǒng)層級架構的標準基礎之上補充了產品的內容，并由企業(yè)拓展至“互聯世界”，從而體現工業(yè)4.0針對產品服務和企業(yè)協(xié)同的要求。2、德國工業(yè)4.02.3RAMI4.0的特征（1）基于歐洲標準化委員會和歐洲電工標準化委員會制定的智能電網架構模型；（2）三個維度：層次結構、生命周期和價值鏈、類別；（3）強調三個集成：企業(yè)內網絡化制造體系縱向集成、企業(yè)間橫向集成、全生命周期端到端工程數字化集成；（4）智能工廠是實現RAMI4.0的最小單元；（5）嵌入式智能：所有制造單元都是帶有本地軟件的嵌入式設備或系統(tǒng)、所有制造單元都具有自組織的計算和通信功能、大量部署各類傳感元件實現信息的大量采集、自動化技術實現智能制造單元間的集成；（6）“智能”產品：產品上的電子標簽具有制造過程中各階段所必須的全部信息（標識、位置、狀態(tài)、路線）；（7）“自治”制造系統(tǒng)：互聯制造單元的自組織（自組織生產）、制造步驟根據訂單情況靈活定制（自組織工藝）。智能制造系統(tǒng)架構概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯網3中國制造202543、美國工業(yè)互聯網3.1工業(yè)互聯網參考架構的提出

2017年1月，美國工業(yè)互聯網聯盟IIC（IndustrialInternetConsortium）發(fā)布了工業(yè)互聯網參考架構IIRA（IndustrialInternetReferenceArchitecture）V1.8。3、美國工業(yè)互聯網3.2工業(yè)互聯網參考架構視圖工業(yè)互聯網參考架構中定義四個視圖，分別為：業(yè)務視圖、使用視圖、功能視圖和實施視圖。這四個視圖構成了對IIoT（IndustrialInternetofThings，工業(yè)物聯網）系統(tǒng)中每個視圖的關注點分析的基礎。3、美國工業(yè)互聯網3.2工業(yè)互聯網參考架構視圖業(yè)務視圖：如果將IIOT系統(tǒng)作為業(yè)務問題解決方案，必須對業(yè)務價值、預期投資回報率、維護成本和產品責任等面向業(yè)務的關注點進行評估。3、美國工業(yè)互聯網3.2工業(yè)互聯網參考架構視圖使用視圖：使用視圖解決系統(tǒng)使用過程中遇到的關注點，這些關注點的利益相關者一般包括系統(tǒng)工程師、產品經理和其他利益相關，例如參與定制IIoT系統(tǒng)規(guī)范的個人和在最終使用時代表用戶的人。3、美國工業(yè)互聯網3.2工業(yè)互聯網參考架構視圖功能視圖：功能視圖側重于IIoT系統(tǒng)中的功能性部分。這些關注點的利益相關者一般包括系統(tǒng)和組件構架師、開發(fā)者和集成者。3、美國工業(yè)互聯網3.2工業(yè)互聯網參考架構視圖實施視圖：實施視圖涉及實施功能性組件、通訊規(guī)劃和生命周期過程的技術。涉及的利益相關者一般為系統(tǒng)和組件構架師、開發(fā)者、合成者和系統(tǒng)操作員。3、美國工業(yè)互聯網3.3工業(yè)互聯網參考架構說明

幾個視圖的排序反映了各視圖之間的一般互動模式，一般來說，高層次視圖的決策能夠指導下級視圖并對其提出要求。另一方面，下層視圖中對關注點的思考能夠驗證甚至修改上層視圖的分析和決策。架構關注點不僅局限于系統(tǒng)設計階段，還需要在整個生命周期予以考慮和關注，參考架構通過不同的視圖為IIoT系統(tǒng)生命周期流程的概念設計提供指導。智能制造系統(tǒng)架構概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯網3中國制造202542015年

12月，中國國家智能制造標準化總體組發(fā)布了智能制造系統(tǒng)架構IMSA。智能制造系統(tǒng)架構通過生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能三個維度構建完成，展示了智能制造的全貌。智能功能包括5個方面：資源元素、系統(tǒng)集成、互聯互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)。智能制造系統(tǒng)架構產品生命周期維度從一張設計圖紙開始，經過生產、物流和銷售；系統(tǒng)層級有下到上由設備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層組成，協(xié)同表示了整個價值鏈上的協(xié)同活動；4、中國制造20254.1中國智能制造系統(tǒng)架構IMSA4、中國制造20254.2生命周期維度生命周期是指從產品原型研發(fā)開始到產品回收再制造的各個階段，包括設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創(chuàng)造活動。生命周期維度4、中國制造20254.3系統(tǒng)層級維度

系統(tǒng)層級維度自下而上共5層，分別為設備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。智能制造的系統(tǒng)層級體現了裝備的智能化和IP（網絡協(xié)議）化，以及網絡的扁平化趨勢。系統(tǒng)層級維度4、中國制造20254.4智能功能維度

在智能功能維度，自上而下包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯互通、信息融合、新興業(yè)態(tài)。特別的，以互聯互通為目標的工業(yè)互聯網作為一個重要的基礎支撐，實現了物理世界和信息世界融合，與業(yè)界廣泛討論的CPS不謀而合。智能功能維度4、中國制造2025智能制造標準體系結構包括“A基礎共性”、“B關鍵技術”、“C行業(yè)應用”等三個部分，主要反映標準體系各部分的組成關系。智能制造標準體系結構中明確了智能制造的標準化需求，與智能制造系統(tǒng)架構具有映射關系。智能制造系統(tǒng)架構三個維度與標準體系中B關鍵技術進行了分別映射。智能制造標準體系結構圖系統(tǒng)架構各維度與標準體系B關鍵技術映射4.5標準體系架構4、中國制造20254.6架構位置舉例工業(yè)機器人位于智能制造系統(tǒng)架構生命周期的生產和物流環(huán)節(jié)、系統(tǒng)層級的設備層級和單元層級，以及智能特征的資源要素。工業(yè)互聯網位于智能制造系統(tǒng)架構生命周期的所有環(huán)節(jié)、系統(tǒng)層級的設備、單元、工廠、企業(yè)和協(xié)同五個層級，以及智能特征的互聯互通。4、中國制造20254.7IMSA應用舉例

以航空工業(yè)智能工廠系統(tǒng)架構建設為例進行說明。全新的航空工業(yè)采用先進生產模式、先進制造系統(tǒng)、先進制造技術和先進組織管理方式，其主要特征和主要途徑是加工過