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第三章 软件定义企业新模式

第三节 “镜像世界”:制造系统的变革方向与高阶形式

浙江海利普电子科技有限公司 解光伟
 

前言

        2013年,德国“工业4.0”新制造概念在汉诺威工业博览会上被正式提出,很快便升级为德国的国家战略。2014年,美国通用电气、IBM等科技巨头成立工业互联网联盟,开发和制定全新的工业技术和标准,重新定义制造业。中国政府在2015年提出“中国制造2025”战略规划,明确了中国未来10至20年的制造强国战略的方向和途径。
        无论是“工业4.0”、“工业互联网”亦或是“中国制造2025”,无不透露着世界大国对制造业的重视以及对工业技术升级的渴望,传统的工业强国迫切希望抢先一步抓住制造变革的机遇。但无论多么渴望和急迫,我们都必须遵从制造系统发展的规律。只有从制造系统的内在结构和本质出发,才有可能寻找到制造系统中隐藏着的下一轮变革的关键点。

1 制造系统结构与发展

        1.1 制造系统PEC模型
        一直以来,我们都是通过人、机、料、法、环5个要素(4M1E)来认识制造系统。但真正对制造系统的性质和能力起决定性作用的是其内部的结构和联系。因此我们必须寻找一种能够体现制造系统内部结构和联系的基本模型。
        我们认为人体是由肌肉、骨骼、内脏和大脑等构成的,也可以认为人体是由运动系统、消化系统、循环系统和神经系统等构成。而后者对于系统性地认识人体的结构和运行机理更加有效。依据这样的逻辑,就能够得到制造系统PEC模型,如图1所示。所有类型的制造系统都在同一个框架和结构中运行,即制造系统由产品系统(Product system)、能量系统(Energy system)和控制系统(Control system)构成。需要说明一点,制造系统PEC模型是全文讨论的基础。下面我们将根据制造系统PEC模型简略地回顾一下3次工业革命的内涵。

制造系统PEC模型

图1 制造系统PEC模型

        1.2 制造系统的发展历程
        1785年,伟大的工业革命拉开了序幕,人类开始从落寞低沉的农耕时代走进大气磅礴的工业时代。澎湃的机器动力取代弱小的人工动力,成为制造系统最重要的能量来源。由于蒸汽机的使用为工业生产提供了源源不断的强劲动力,生产总量急速增加,大规模生产模式得以实现。由此可见,蒸汽机解决了PEC模型中的能量系统的能量体量问题。
        19世纪中期,随着各种电器的发明和应用,以及与之配套的各种电力设施的完善,人类快速地步入了电气化时代。先进的电气动力取代落后的蒸汽动力,逐渐成为能量系统的主体。电气动力系统最大的优势在于其极为优秀的可控性。其输出的能量可以直接用于改变产品系统的结构状态,即零件加工和原料生产。这直接引发了产品系统爆发式发展,产品系统变得极为丰富和复杂。第二次工业革命解决了能量系统精准度的问题。
        20世纪后半叶,随着电子计算机和通讯技术的迅猛发展,人类跨入了信息化时代。计算机控制技术的应用进一步提升了能量系统的精准度,使得高精度的零件加工和高纯度的原材料生产成为现实。尤其是通讯技术在工业领域中的应用,使得我们对制造过程的控制和协调的能力取得了极大的进展。制造系统的运行速度、成本和质量都得到了成倍的改进。毫无疑问,制造系统PEC模型中的控制系统的变革已经发生,制造系统已经开始从物理层面向信息层面蜕变。第三次工业革命将工业技术变革的领域延伸到了控制系统中。从3次工业革命的变革历程中,能够发现什么规律呢?

2 制造系统的新变革

        2.1 制造系统变革的领域
        从上述制造系统的发展历程可以看出,PEC模型中的能量系统的发展模式是从无到有、从小到大,从粗放到精准。蒸汽机引发的第一次变革完成能量系统体量的飞跃,电气化引发的第二次变革实现了能量系统精准应用的飞跃。通过这两次变革,能量系统基本上已经完善了,未来再发生巨大变革的可能性不大。当然制造自动化、无人化、高端机器人、3D打印技术等新能量系统模式会进一步促进能量系统发展,但这种进步还远达不到工业革命的程度。
        从某种程度上来说,制造系统的发展其实就是一个不断摆脱人工能量系统限制的过程。人工动力推出能量系统的进程就是工业自动化的进程,而其退出控制系统的进程则是制造智能化的进程。可以预见,未来的制造系统将会进一步加速人工动力从能量系统中退出的步伐。人作为制造系统中最重要的组成要素将会逐渐从能量系统转移至控制系统,并最终退出整个制造系统。
        经过了20世纪的第三次工业革命,控制系统得到极大的发展。但是它还没有实现真正意义上的革命。它必须像能量系统一样,只有经过体量和精度的两次变革才能得以完善。未来制造系统的变革一定会在控制系统中发生,也一定是发生在控制系统精准度的维度上。
        控制系统包括信息感知系统、信息传输系统和决策系统。第三次工业革命是信息技术革命,它相当于完成了信息传输技术的变革。我们推测第四次工业革命可能发生在剩下的两个领域:工业态势感知和综合智能决策。而我们知道要想实现精确的工业态势感知和准确的综合智能决策,必须通过工业软件来实现,这也是工业软件的发展方向和必然之路。那么工业软件如何才能实现制造系统的第四次飞跃呢?
        2.2 制造系统变革的方式
        在大多数人看来,制造系统与物理层系统几乎是等价的,控制系统中信息不过是附属在实体之上。但实际上信息层才是决定制造系统存在和性质的决定性要素。制造系统中的有用信息可以分为两类:状态信息和控制信息。通过状态信息掌握制造系统的状态,再通过控制信息对系统状态进行调整,从而实现对制造系统的控制。
        信息层更重要的作用在于它可以对制造系统进行模型化重构和结构化解析。例如,不需要对生产线上的设备、工具和人员进行实际地分配和组合,根据已知信息预先就能够对各种生产要素进行需求解析,合理地配置产品-机器-人员的组合。我们甚至可以通过信息汇总和分析,确定未来一段时间的客户需求、资源配置、生产计划、投资组合等。
        制造系统的信息层是由物理层抽象出来的所有信息构成的集合。信息产生于物理层,但它并不附属于物理层。它可以被完全分离出来,透视整个制造系统。对信息层进行分析和建模会极大地提升我们对制造系统结构和运行机理的认识,将我们对整个制造系统的调控程度提升到一个全新的高度。
        信息层发生于物理层又反作用于物理层,信息层即可以分离于物理层又能够透视物理层。由此可见,物理层和信息层同处于一个闭环的系统框架下,即分离通道、整合模块和融合通道。简单地说,制造系统的物理-信息架构必须能够实现物理层与信息层的分离、整合与再融合。信息的分离与融合通道用于制造系统状态信息和指令信息的分离和再融合过程,整合模块用以透视和分析制造系统的运行过程。制造系统的物理层与信息层的分离、整合与再融合便是制造系统新一轮变革的关键途径。而只有工业软件具有现实制造系统物理层与信息层分离、整合与再融合的能力。
        如今很多大型制造企业的工厂里都运行着ERP、MES等工业软件。然而遗憾的是,几乎所有的工业软件都只具备对制造系统和过程进行记录、提示、存储和汇总等工具性的功能。我们并没有看到其系统性地对物理层和信息层进行分离、整合和再融合。换句话说,当下的工业软件只是物理层的附属,它并没有彻底地将信息层分离于物理层并将其充分模型化,那么它也就无法透视整个制造系统。工业软件设计与开发必须改变现有的思维模式,突破制造系统物理层的限制,以更高的视野定位物理-信息架构,构建真正能够透视制造系统的“镜像世界”。那么什么是所谓的制造系统“镜像世界”呢?

3 制造系统的镜像世界

        3.1 制造系统的镜像
        想象一下,如果信息层与物理层完全分离,会是一个什么样的场景。制造系统会不会一分为二,形成一个物理实体的制造系统和一个软件的虚拟映射。物理实体生成的所有信息被投影到一个虚拟模型上,形成一个全息状态的“镜像世界”。我们可以在这个“镜像世界”中对物理实体进行完全模拟。这不仅仅是因为“镜像世界”可以对物理世界的实时状态进行超高精度的软件表达,它甚至可以直接影响物理世界的发展。信息的字符与物质的原子将实现一一对应。在物理世界中改变物质原子,那么镜像世界中的信息字节也会相应地改变;在镜像世界中改变信息字符,那么物理中世界的物质原子也可能随之改变。这就是说,在镜像世界中进行规划、设计、控制和优化等活动近似等同于在物理世界中进行相同的活动。“镜像世界”是制造信息化的最高级形式。当然不可能实现100%的镜像程度,但也许只需要20%的镜像程度足以改变制造业的形式,彻底实现我们对制造的所有想象和期望。
        3.2 “镜像世界”的设想
        实际上,企业现在所有的管理运营的框架,尤其是基于计算机和互联网技术的企业管理和运营都是在构建一个“镜像世界”。只不过这个镜像的程度太低,低到我们无法意识到这是一个镜像世界。如果能够构建一个镜像程度很高的“镜像世界”,将其命名为VRW系统,那么试想一下未来的制造场景。
        客户订单在制造系统中的执行过程将完全映射到VRW订单处理模型中。客户可以随时随地通过VRW系统客户端查看订单处理的进度。未来的制造模式会极大地缩短订单的交付周期,客户订单可以进行实时处理。因此,订单在VRW系统中的流动过程(订单处理、定制设计、原材料采购、组装测试、物流交付等)可以实时反馈至客户端。
        如果客户希望进一步了解自己的产品是如何生产出来的,VRW系统可以提供实际生产过程的3D虚拟场景。这个虚拟场景提供实时生产过程的虚拟映射,而是不是模拟过程,即VRW将生产过程实时动态建模,使得客户看到的虚拟场景与现实生产过程完全相同,连每个零件和操作员的动作都是实时建模而成。客户就如同亲自站在生产线边观看自己购买的产品的生产过程。甚至客户可以直接在“镜像世界”中实时地对生产过程提出要求。
        VRW系统也可以实现制造过程的全息化和高度控制。VRW系统具有学习能力,它会根据所有运行过程的表现,实时动态地安排和调整当下和未来的生产计划、流程配合以及资源配置。这会使得制造系统每一刻都处于最佳的运行状态中。
        作业员可以通过VRW系统查阅任何任务相关的信息。当计划和过程出现变动时,VRW系统会自动生成警示信息或指令信息,使得执行者可以随时掌握上下游的实时状态。当每一个执行者都能随时掌握上下游乃至整个供应链的运行状态和指令要求时,VRW系统便实现了对生产过程的深度控制。生产过程中所有的时序问题、进度问题、协调问题、库存问题等也都会被彻底解决。
        此外,VRW系统会汇总分布于整个制造系统中成千上万个探测器生成的工业态势信息,并进行智能综合决策,预测制造系统中可能发生的故障风险,并自主和协调风险排除或计划调整。通过VRW系统管理者可以最大限度地掌控实时的过程状态、结果表现、异常情况以及潜在风险,以及通过VRW系统直接对物理的制造系统进行控制和操作。

4 结论

        根据制造系统发展的历程,我们推测下一轮工业革命必将发生在控制系统中。而“镜像世界”则是控制系统的高阶表现形式。要想实现制造系统的“镜像世界”,就必须通过工业软件构建制造系统的信息层,再造制造系统的物理-信息架构,最终实现制造系统超强的工业动态感知能力、数据计算与信息分发能力以及综合智能决策能力。