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论“新一代智能制造发展战略研究”

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四论“新一代智能制造发展战略研究”

“五论智能制造”之数控机床工具发展回顾

“五论智能制造”之数控系统现状解读 “五论智能制造”之数控机床主机令人堪忧

“五论智能制造”之数控系统及数控机床的扩展

“五论智能制造”之国产数控系统和数控机床何去何从？

六、智能制造的技术架构问题及实践模式

沈烈初

一、为什么提出“技术架构问题”

网络技术的发展对政治、经济、军事、文化及人民生活等带来极大影响，有的甚至是颠覆性的。推动制造领域出现了很多新产品、新模式和新业态。近二十年来网络相关的技术名词层出不穷，如“传感网”、“物联网”、“两化融合”、“互联网+”及“+互联网”、“互联网+先进制造业”。最近工业互联网又出现在人们面前，与之密切相关的智能制造，加上与智能制造相关联的机器人、大数据、云计算、人工智能等广泛的宣传，推动着又一波的新技术革命浪潮涌来，令人眼花缭乱。笔者受水平限制，对这些概念理不清头绪，对机械装备工业的发展的影响，也说不清楚。

当一项新的技术领域出现，尤其是复杂的、系统性技术，通常会研究其技术架构，如智能制造、工业互联网等。通过研究其系统架构，能界定对象的范围、主要内容和相关技术等，有助于后续开展研究、标准化等工作。

以装备为例，由于装备类产品（指整机），完成需求侧（即用户）功能的需要，品种极其繁多，笔者试着抽象化来描述装备类产品的系统架构：

——工作系统。直接完成需求方功能的需要，如汽车用作运输用的，工程机械的挖掘机是提供用户挖土、挖煤等功能用的，金切机床就是为用刀具切削加工零件用的等等，功能之不同就区分为不同的行业。

——动力系统。驱动运动部件，作功用的，但不包括一些静止而没有运动部件的器具，如变压器等。

——支承系统。其中包括：通用三基（基础零部件、基础工艺、基础材料），专用三基（专用装备特有的“三基”，如电工行业的绝缘材料、汽车的底盘）。

——人机界面。是使用者与机器之间互相传递信息的媒介，从而实现对机器的监控和管理，如汽车驾驶界面、电梯面板、银行自助服务终端、以及远程数据访问终端。

——传感系统。可对装备内部与外部有关状态进行准确的感知、检测，如被加工零件的几何形状的在线检测、刀具的磨损、环境温度的自动补偿等。

——控制系统。是把功能系统、动力系统、支承系统的运动进行协调，使用过程中各系统的信息进行采集、整理、管理及使用，可以是闭环，也可以半闭环及开环；可以是数字控制，也可以模拟量控制等。在信息及控制技术、人工智能等技术高速发展的今天，新一代装备普遍采用数字化、网络化及今后发展的智能化，与软硬件兼容控制，是现代装备的新的特征，是机电仪高度一体化的升级版。控制系统必须安装智能模块接口以便快速接入用户信息网络，利于互联互通。因控制系统技术发展速度远远快于装备本体发展的速度，将带动和促进本体的快速发展。为用户的“三化”制造及维保服务奠定应用的基础。

——执行系统。在“三化”时代，经过自感知、自学习、自记忆、自思考、自决策及自执行，因此执行系统非常重要，涉及电、液、气等各方面的技术集成，即控制系统自决策的信息变成物理量或化学量，改变装备本体的运动状态，趋向于目标值，越迅速越好，这就是“响应速度”。

图1 装备类产品的系统架构

一般来说系统架构有不同视图，从不同的视角看其系统架构内容是不同的。由于中国的特点，解放后就把强电与弱电分开，强电是传输电能用的，弱电是传递信息用的，其基本科学规律还是服从电气科学的一般规律（即定律），因应用不一样，强电与弱电也有各自的特殊规律，国外从高等教育上或研究院所内机构设置上，强弱电是不分的，世界有名的国际电工电子工程师学会IEEE，也是强弱电不分的，中国由于强弱电行业行政归口管理部门不同，强电归机械口，弱电归电子口，装备类归机械口，控制类（如硬、软件）又归电子口，在今天机电仪高度一体化的装备，互相渗透，强电驱动和弱电控制之间的界面分不太清楚下，但因视角不同，产生很多对同一概念的不同表述，如机械口称之为“智能制造”，电子口称之谓“两化融合”，发改委发出的文件又称“物联网”、“互联网+先进制造业”。而电子口最近又发布了“工业互联网”的文件，这与“互联网+”或“+互联网”有什么本质不同？过去还公布过“传感网”的文件。因此对“智能制造”也有不同表述，这引起智能制造的技术架构也有不同版本，机械口认同的是智能制造技术架构，电子口认同的是“两化融合”技术架构及工业互联网技术架构，还有一些学者认同“互联网+物联网”架构，本质上是一回事，大同小异，仅是表述不同而已。但基层企业有时弄不清楚，希望主管部门及高层院所，能弄清这些概念间的关系，不要概念到概念，企业希望来点“实”的。

二、几种信息技术架构及实践模式

（一）所谓智能制造的技术架构，以完成业务流程表述的架构

典型的由机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（以下称之为仪综所）欧阳劲松所长及刘丹、杜晓辉两位博士撰写的论文《制造的数字化、网络化、智能化思考与建议》（以下简称思考与建议），是比较完整的经典架构，与国际RAMI4.0接轨。分四个层次：

1.管理层：以PLM产品全生命周期管理、ERP企业资源计划、CRM客户关系管理、SCM供应链管理等企业级管理软件为主。

2.执行层：以制造执行系统MES、高级排产APS、实验室信息管理系统LIMS、仓储管理系统WMS、能源管理系统EMS等与生产执行和管理紧密相关的软硬件系统。

3.控制层：以ICS工业控制系统为主。

4.现场层：即设备层。

有的还附加一层，即传感层，各种实体、设备等信号的实时采集。

（二）所谓工业互联网的技术架构，即以信息采集、传输、存储、加工、应用为流程的架构

这是以电子口和信软部门的视角的信息技术架构。对这种架构又有很多视角，如工业云的视角架构、解决方案视角架构、操作系统视角架构、产业生态视角架构；各种架构正在进行中，要用实践来进行取舍与完善。分三层：

1.数据采集的边缘层，即通常所说的传感层。

2.数据存储加工的平台层，即工业PaaS。

3.加工后的数据作为管理或控制用的APP应用层（包括企业的管理层、执行层、控制层及设备层和实体层）

简称之，第一层“数据”+第二层“模型”=“服务”即第三层应用层。

（三）日本推行所谓“工业价值链参考架构（IVRA）及智能制造单元（SMU）”

结合日本的具体情况，以价值流程为核心的技术架构，它也是一种三维模型，即：

资产维度（含人员、过程、产品、设备）

管理维度（含质量、成本、交货期、环境）

活动维度（含计划、执行、检查、改善 即PDCA）

价值链或价值流程（即价值增值过程）与上面所说的业务流程、信息流程，都是智能制造中不可或缺的流程，三流必须融合，价值链就是为自己及用户创造增值的过程，价值流应该包括经济价值与社会价值，详见机械工业仪器仪表综合研究所欧阳劲松、刘丹及杜晓辉撰写的“制造的数字化、网络化、智能化的思考与建议”一文。

图2 工业价值链参考架构（IVRA）的智能制造单元

（四）技术架构的实践模式

1、大连光洋“智慧平台”的设想

大连光洋在新建的25万平方米地下恒温恒湿厂房采用国际国内已较为成熟且使用先进可靠的技术进行数字化、网络化、智能化管控。于德海总经理已经有了一个较为完整的设想，题目是“大数据+互联网+物联网+人工智能，实现数字化、网络化、智能化工厂管控技术研究”，已经过两次专家讨论，一次在北京仪综所，参加的有仪综所领导及多位专家博士，郑州第六设计院的领导专家，航天科工集团三院，清华大学的教授，机床工具协会的领导与专家。第二次在大连现场，参加者除上述人员外，还邀请机床工具协会前几任的领导参加讨论。领导及专家都提出很好的、值得思考的课题，而且都是具有前瞻性及实用性。有些设想已经在新厂房基本建设中开始应用，但必须慎之又慎，周密思考。

大连光洋提出的整个技术架构分四层：

1）感知层：包括四个部分：①环境相关的，②制造相关的，③管理相关的数据采集，④能源类。

2）网络层：全部采用光纤传递信息，即POL全光纤网、无源光纤局网（POL），由光交换机代替传统的交换机，并由光纤终端OLT、光线单元ONU、无源分配器ODN组成，扁平化网络接入。

3）光洋智慧平台层：数据的存储、加工，形成各种有用的模块化的软件包，包括私云。

4）应用层：①成熟度设计，②产品全生命周期管理PLM，③个性化定制，④数字双胞胎，⑤数字化生产，通过光洋自我开发的接入功能强大的物联网模块实现数控机床，数字化立体库，AGV搬运车，工业机器人，自动化工装，测量等系统的互联互通⑥人工智能，如采集单点的照明亮度，温湿度，根据最佳要求建立以点影响面的数学模型以最低的消耗达到最佳的要求，⑦实时成本计算，实现不同部门各种能源，物料的实时采集，达到成本在线统计，提高资金周转率，降底制造成本；⑧售后数据统计，建立售后数据库，遂渐建立有效的模型。

为实现大数据+互联网+物联网+人工智能方案设想，大连光洋试制出用热挤压制造H形铝合金桥架，上面安装弱电的传输信息用的光纤线缆，互联网，物联网模块，供电空开等。此外大连光洋已成功试制具有自主知识产权的MCU智能网关、铝合金热挤压空心异形母线、带有温湿度传感器，闭环控制的电动窗、空调送风及回风电动执行阀，自动调节的LED照明软硬件、无人驾驶的数控化天车配合机床工作台上的用于大型箱体类件自动定位，自动夾紧的自动化工装实现自动化生产。

放眼大连光洋，通过较长的努力，逐步完善化，并取得阶段性成果，以便结合搬迁，逐步适应新环境、新工艺、新装备的使用，关键是全员培训与业务流程科学化，创造新的生产力。

2、苏州未来电器的信息化架构的优化设想

去年我到苏州未来电器考察，董事长详细介绍了他们推进信息化的规划，该规划已列入省的“两化融合”计划中。通过现场讨论，我觉得他们的架构比较新颖，我把带回的PPT交给仪综所的专家讨论，并作了一个具体建议，我把他们的建议摘录如下：

“通过阅读苏州未来电器的PPT“智造+新常态下企业两化融合的建设”以及与沈部长在所内针对智能制造和两化融合的交流，我们经过讨论形成的几点意见如下：

1）苏州未来电器智慧工厂的架构：

智慧工厂的架构在管理系统（FMS）和ERP、APS、SCM、MRP、CAD/CAE/CAM之间增加了信息数据管理平台（IMP）。意义在于适应电器生产的多品种、小批量的特点。电器定制化订单信息经过信息管理平台（IMP）的整合、分析及分解下传给ERP、APS、SCM、MRP、CAD/CAE/CAM，形成的制造信息传送给MES，MES 通过智能设备管理平台以及物联网实现对检测设备、检测中心、生产线、注塑车间的管理和控制；

图3 苏州未来电器智慧工厂架构

2）智能制造本身必须有智能产品做支撑，没有智能设备和装备做基础、两化融合以及云计算、大数据都没有基点和支撑；

3）两化融合与智能制造的关系是先有自动化，然后是信息化，最后是智能化；

4）企业数据文化建设包括数据定义、数据采集、数据融合、数据分析。数据融合是把不同类型、不同格式的数据进行集成然后进行数据分析。同时企业需要建立企业数据库，利于对企业数据的管理、整合及分析。数据是电器智能工厂建设的基础；

5）不仅设计与制造集成，还应强调设计与制造的闭环，设计指导制造，制造现场收集数据进一步分析数据。形成两个闭环，企业内部：设计制造；企业外部：用户企业供应链；

6）企业内部系统集成是指PDM、ERP、MES与智能生产设备的集成与互联互通；外部集成是指用户与供应链的集成；

7）设备研发的理念是硬件模块化重构，软件重新定义实现模块化编程，以数据驱动为核心，通过系统集成技术实现物联网与设备的集成与互联互通。”

我个人觉得这个信息化技术架构，阐明了几种模式之间的互相映射，这是一种清楚的虚拟实体系统（CPS）的表述。

三、启示

（一）视角不同，产生不同的智能制造技术架构，实现方法与路径也会不同。要达到智能制造的目的，需结合国情和企业本身的情况，探索出自己实现“三化”的路线图，不强求形式的一律，鼓励创新和探索，创造适合大中小型企业的架构。生产过程的“三化”中优化管理是手段，加速信息流，带动与促进物流、资金流及价值流流动的速度，达到习近平新时代现代经济思想的体现，即供给侧结构性改革为主线，达到“质量第一，效率优先”，手段是通过“三化”优化生产要素的组合，这就必须采用“市场机制+政府导向”来引导。

（二）装备工业要培养自己的既懂企业工艺，又懂信息化技术的技术团队，特别要有若干有能力的软件人员，以后企业的很多KnowHow及专家的知识、高级工匠的技艺可以用软件或AR/VR固化起来，更好地传承与发扬。

（三）任何时候，人还是处在智能制造的核心地位，所谓“人在回路中”即“HCPS”，也就是“人+CPS”，这种概念还是十分需要的，要改善创新HMI即人机界面。

（四）“智造”不等于“创造”。但“智造”本身就是一种“创造”，因此还要在虚拟实体系统中紧紧抓住实体的“创造”，这也是推进高水平的CPS的发展，“虚拟是手段”、“实体是目的”，“虚拟”搞好了也可促进“实体”的创新，不要只在“虚拟中打圈圈走不出来”，得不偿失。

以上这些观点仅是本人的一些设想，有人可能觉得很奇怪，为什么提出这样的怪问题呢？就是抛砖引玉！引起业界同仁们指教。

本文经仪综所欧阳劲松所长、石镇山副所长、王麟琨副所长及贺毅处长修改帮助，在此表示感谢。

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