全生命周期信息物理融合的智能制造系统

秦　威

上海交通大学机械与动力工程学院

讲师

1　运行原理与关键技术

1.1　智能制造系统运行原理（见图1）

智能制造系统将信息物理融合系统（Cyber-Physical System, CPS）的概念和技术贯穿制造系统的整个生命周期，形成从产品设计、工艺、物料供应、制造装配到运维全流程的智能制造。通过使用物联网技术、无线传感器、智能设备和控制器，实现贯穿车间、跨越企业的制造业数据集成，将各车间、工厂互连，协调制造生产各个阶段。应用云计算平台进行制造系统全生命周期内的建模、仿真和数据集成。为了节约能源、优化产品的制造交付，整条生产线和全车间将实时、灵活改变运行速度。同时，广泛应用信息技术来改变商业模式，消费者习惯的100多年的大规模生产工业供应链将完全颠覆。灵活可重构工厂和最优化供应链将改变生产过程，允许制造商按个人需求定制产品，客户会“告诉”工厂生产什么样式的汽车，构建什么功能的个人电脑，如何定制一款完美的牛仔裤。在基于CPS的智能制造系统中，通过3C技术的有机融合与深度协作，计算、通信与物理系统的一体化设计，实现复杂制造系统的实时感知、动态控制和信息服务。

图1　智能制造系统运行原理

1.2　关键技术

1）CPS技术

CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统（见图2），通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，可使系统更加可靠、高效、实时协同。

图2　信息物理融合网络体系

图3　大数据驱动的智能制造系统体系架构

2）大数据技术

在智能制造系统（见图3）中，CPS通过M2M（Machine-to-Machine）通信在机器之间实现信息交换、运转和操控，被制造的产品可以与机器交流，机器可以自组织生产，智能工厂能够自行运转。大数据正是由这样一个工业体系催生出来，是制造业智能化的必然结果，也是制造业智能化的必要条件与基础。

2　应用领域与前景

全生命周期信息物理融合的智能制造系统是一种高度网络连接、知识驱动的制造模式，它优化了企业全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、能源可持续利用、高经济效益目标。它通过工业自动化与信息技术的融合，从根本上改变产品研发、制造、运输和销售过程，极大提升工厂的生产灵活性，并可节约能源、保护环境、降低成本、提高质量和人身安全。