賽博物理系統(tǒng)描繪航空制造業(yè)新藍(lán)圖

　　航空制造業(yè)具有技術(shù)密集度高、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)范圍廣、兩化融合程度深的特點(diǎn)，處于裝備制造業(yè)的高端位置。在新一輪工業(yè)革命浪潮下，各國(guó)普遍將航空制造行業(yè)列入重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。賽博物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems，CPS）技術(shù)作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，正在有力地推動(dòng)在協(xié)同開(kāi)發(fā)、智能生產(chǎn)、敏捷服務(wù)等領(lǐng)域形成新型集成化應(yīng)用范式，引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。在這種大背景下，加強(qiáng)CPS技術(shù)在航空工業(yè)應(yīng)用的分析和研究顯得尤為重要。

　　GPS是工業(yè)4.0的核心技術(shù)

　　從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0，每次工業(yè)革命的背后都有一項(xiàng)核心使能技術(shù)：

　　第1次是蒸汽機(jī)；第2次是電氣化；第3次是電子和信息技術(shù)；第4次則是CPS技術(shù)。

　　CPS技術(shù)本質(zhì)上是一種集成創(chuàng)新技術(shù)：多項(xiàng)新興技術(shù)融入到1個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)后，系統(tǒng)產(chǎn)生了新的技術(shù)特征，具備了更強(qiáng)大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力?；ヂ?lián)網(wǎng)+的應(yīng)用、智能產(chǎn)品和服務(wù)等都是這種集成創(chuàng)新模式最先取得的應(yīng)用成果。這種由從要素創(chuàng)新過(guò)渡到集成創(chuàng)新的發(fā)展方式，正是第4次工業(yè)革命和前3次工業(yè)革命的最大區(qū)別

　　GPS的演進(jìn)和發(fā)展

　　CPS的概念最早源自于幾十年前的嵌入式系統(tǒng)。在工業(yè)4.0的背景下，用系統(tǒng)之系統(tǒng)的視角重新審視CPS的演進(jìn)和發(fā)展，將會(huì)得到更加深刻的認(rèn)識(shí)。

　　圖1描述了CPS的演進(jìn)過(guò)程：從嵌入式系統(tǒng)到機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)電一體化，再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化CPS。在CPS的每次演進(jìn)中，系統(tǒng)都增加了新的元素，這使得系統(tǒng)產(chǎn)生了新的特征，帶來(lái)了生產(chǎn)力的巨大提升。如今的CPS呈現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)化的新趨勢(shì)，這些CPS可能是異域、異類和異構(gòu)的，多個(gè)CPS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接為1個(gè)新的CPS，形成了系統(tǒng)之系統(tǒng)（SystemsofSystems,SoS）的全新架構(gòu)，使得系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)通信、全部或部分的自治能力。CPS的5C架構(gòu)和特征分析CPS是使技術(shù)系統(tǒng)具有智能特征的核心所在。智能本來(lái)是人的固有特征，技術(shù)系統(tǒng)如果要具備智能特征，就必須具有辨識(shí)、適應(yīng)和執(zhí)行的能力。圍繞技術(shù)系統(tǒng)的智能化特征，結(jié)合如圖2所示的CPS的5C架構(gòu)，對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行如下分析。

　　連接層（Connection）：著重突出靈巧的特點(diǎn)，能夠按照SOA的思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用；被連接的對(duì)象包括設(shè)備、人、物料和軟件服務(wù)等，能夠借助無(wú)線和傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的自動(dòng)連接和自動(dòng)感知。

　　轉(zhuǎn)化層（Conversion）：能夠從大量的制造數(shù)據(jù)中，分析和提取出有價(jià)值的信息，其背后的支撐技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析技術(shù)；可以建立起萬(wàn)物的信息關(guān)聯(lián)模型，用于分析和預(yù)測(cè)設(shè)備健康、產(chǎn)品性能等。

　　賽博層（Cyber）：最重要的是建立系統(tǒng)中每個(gè)組件的數(shù)字雙胞胎，其核心技術(shù)是基于模型的技術(shù)；當(dāng)物理世界發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字模型也能夠跟隨變化，這需要連接層和轉(zhuǎn)化層提供支撐。

　　認(rèn)知層（Cognition）：能夠基于仿真和綜合推理，診斷出系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，并提供決策支持和參考；能夠通過(guò)遠(yuǎn)程可視化，提供協(xié)同工作環(huán)境，快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問(wèn)題。

　　配置層（Configration）：系統(tǒng)和系統(tǒng)中的組件能夠針對(duì)外界的變化做出快速和自主的調(diào)整，具體體現(xiàn)為面向彈性的自配置、面向變化的自調(diào)整、面向干擾的自優(yōu)化。

　　航空工業(yè)CPS的架構(gòu)分析

　　CPS由物理空間和賽博空間組成。從系統(tǒng)的組成來(lái)看，CPS必須依托1個(gè)物理實(shí)體（或業(yè)務(wù)層次）存在，即在物理實(shí)體（或業(yè)務(wù)層次）上增加了一些新的要素。物理實(shí)體（或業(yè)務(wù)層次）是1個(gè)分層的結(jié)構(gòu)，每個(gè)層次都對(duì)應(yīng)1個(gè)CPS，上層的CPS由下層的CPS構(gòu)成，這些CPS可以是異域、異類、異構(gòu)的。從系統(tǒng)的組成元素來(lái)看，CPS包含4個(gè)基本要素：計(jì)算單元、總線單元、傳感器、驅(qū)動(dòng)器，其中計(jì)算單元和總線單元構(gòu)成了賽博空間，傳感器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了物理空間。

　　圖3給出了航空工業(yè)CPS的詳細(xì)解讀。在中航工業(yè)智能制造的架構(gòu)中，定義了企業(yè)聯(lián)盟層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層、控制執(zhí)行層共4個(gè)層次，每個(gè)層次都可以看作1個(gè)CPS，前兩層重點(diǎn)是要提取業(yè)務(wù)智能，后兩層重點(diǎn)是要提取制造智能。

　　在企業(yè)聯(lián)盟層，計(jì)算單元包括供應(yīng)鏈管理軟件、服務(wù)支持管理軟件等，總線單元是基于互聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng)的云平臺(tái)，傳感器是企業(yè)消息通信服務(wù)，驅(qū)動(dòng)器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在企業(yè)管理層，計(jì)算單元包括產(chǎn)品生命周期管理軟件、企業(yè)資源計(jì)劃管理軟件等，總線單元是基于內(nèi)部網(wǎng)的企業(yè)服務(wù)總線，傳感器是生產(chǎn)消息通信服務(wù)，驅(qū)動(dòng)器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在生產(chǎn)管理層，計(jì)算單元包括生產(chǎn)運(yùn)行管理軟件等，總線單元是基于內(nèi)部網(wǎng)的制造服務(wù)總線，傳感器是設(shè)備消息通信服務(wù)，驅(qū)動(dòng)器是流程引擎和服務(wù)調(diào)用；在控制執(zhí)行層，計(jì)算單元主要是嵌入式軟件，總線單元是基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線，傳感器是物理存在的傳感器和標(biāo)識(shí)器，驅(qū)動(dòng)器是數(shù)字控制驅(qū)動(dòng)器及其配套的機(jī)械動(dòng)力裝置。

　　應(yīng)用CPS技術(shù)的工作方法

　　01基于模型的系統(tǒng)工程

　　系統(tǒng)工程是應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)或產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最佳方法，能夠理想地應(yīng)對(duì)進(jìn)化式開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)復(fù)雜性。近年來(lái)，中航工業(yè)在系統(tǒng)工程應(yīng)用方面，基于邏輯開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)體系和建模語(yǔ)言體系，以模型為中心，構(gòu)建多專業(yè)多學(xué)科的共同語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的驗(yàn)證能力，從需求出發(fā)，走向正向工程創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。

　　智能制造系統(tǒng)是更復(fù)雜的系統(tǒng)，基于模型的系統(tǒng)工程方法同樣也適用于智能制造系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)。需要按照系統(tǒng)生命周期4個(gè)階段（需求、功能、邏輯和物理）開(kāi)展工作，針對(duì)CPS在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，按照流程重點(diǎn)思考：需求是什么？必須怎么做？應(yīng)該怎么做？如何能實(shí)現(xiàn)？按照系統(tǒng)工程的方法，建立航空制造智能的成熟度評(píng)價(jià)體系，已經(jīng)成為當(dāng)前實(shí)施航空工業(yè)CPS的首要任務(wù)之一。

　　02復(fù)雜組織體架構(gòu)

　　復(fù)雜組織體架構(gòu)方法也是應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種科學(xué)方法，與基于模型的系統(tǒng)工程方法有很多相似和可結(jié)合之處。復(fù)雜組織體架構(gòu)從業(yè)務(wù)架構(gòu)入手，深入到應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)，在充分分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)計(jì)未來(lái)藍(lán)圖和演進(jìn)路線圖。

　　中航工業(yè)在CPS應(yīng)用方面已經(jīng)設(shè)計(jì)了包括企業(yè)聯(lián)盟層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層的4層架構(gòu)，下一步應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入采用復(fù)雜組織體架構(gòu)方法，應(yīng)對(duì)各層次的管理復(fù)雜性，面對(duì)CPS的所有應(yīng)用場(chǎng)景，用“5W1H”的方式來(lái)描述完整概念，構(gòu)建不同視角，解決企業(yè)戰(zhàn)略、管理和執(zhí)行各層面的完整性、系統(tǒng)性問(wèn)題。

　　航空制造系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在航空工業(yè)應(yīng)用CPS技術(shù)的工作需要使用架構(gòu)方法進(jìn)行指導(dǎo)，從系統(tǒng)之系統(tǒng)的視角剖析CPS的技術(shù)架構(gòu)；務(wù)必堅(jiān)持問(wèn)題牽引、需求導(dǎo)向的方針，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法開(kāi)展各層次CPS的需求分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)工作，著重在生產(chǎn)管理層和控制執(zhí)行層提取制造智能，在企業(yè)聯(lián)盟層和企業(yè)管理層提取業(yè)務(wù)智能。