2.3　基于CPS的网络物理生产系统

2.3.1　从大规模定制1.0到大规模定制2.0

如前文所描述的，工业4.0认为，权力分散和自我组织的程度与系统的复杂性呈正相关性。而在工业4.0的愿景中，人们面临着更加复杂的制造系统。按照传统的做法，解决复杂系统的做法是建立流程，对流程进行梳理并使之标准化。大量的管理技术是建立在这个主导思想下的。这种统一化和标准化的做法相当于是对未来事件进行预测的尝试，其目的是在这件事情真的发生时，能够用标准化的行为模式来应对它们。而这种统一化和标准化无疑反映了集中式控制的思想，即对一个事件的应对逻辑或者流程的流动去向，最好都在事前进行精密的勾画，并放在一台服务器和一套系统中。

然而在工业4.0时代，随着要求和标准的提高，必须要处理更加个性化的客户需求、更加灵活的生产工艺、更加精密和敏感的机器设备、更加多变的环境变化，其背后是更多的数据，以及更多的预测和判断。由于预测和判断结果的组合与信息量一样呈指数增长，人们已经无法完备地穷尽所有的可能，因此得到了这样一条原理：“越详尽地预先定义一个流程，这个流程越不可能按照之前计划好的形式和预计时间出现”。在工业4.0的环境中，对业务流程的控制将不再是基于事先完备的定义，而必须要通过自组织的分布式决策系统来实现。

我们以汽车的生产为例来说明这一问题。如图2-19所示，现今的汽车生产组织依旧沿袭了福特制流水线的做法，所能实现的大规模定制是一种对传统的流水线生产方式的增强——我们把它称为“大规模定制1.0”。

对于这种大规模定制1.0，打个形象的比喻，它就像一个由能工巧匠制作的八音盒，在一个金属圆柱体表面上，十分精密地打上凸起的小孔。然后让圆柱体按照恒定的转速，在精确的时间和位置上拨动音叉，发出美妙的声音。这种发音的方式整齐划一、可重复，但实现一套曲目的过程同时也很僵化和漫长。八音盒的原理其实和目前大规模定制1.0下的汽车生产如出一辙。如图2-20所示，客户可以在订单中配置自己想要的车辆，每一张订单对应一个客户的定制车辆。这些订单在生产之前要进行精密的排序，然后在生产线上按照排好的顺序依次移动，而反映客户定制要求的零部件也会按照订单的顺序，提前运到生产线，然后被依次装到车辆上，其顺序与事先安排的一模一样。

这种生产方式存在明显的缺陷，例如：

·生产线上各道工序的布置是固定的，车辆必须在这些工序之间依次移动。如果客户的定制化车辆需要有特殊的工序，则难以对生产线进行调整加以满足。

·生产订单和客户订单是一一对应的关系，其排序需要考虑生产线的节拍平衡，以及供应商的供货能力。关于排序计划需要提前与供应商进行沟通。一旦生产订单的实际顺序发生异常变化，就需要有一定的缓冲时间和库存来调整。

·员工的工作内容单一，缺乏参与和创造力。

总的来说，大规模定制1.0带来的是高成本下的有限定制能力（固化的硬件投资、有限的产品配置选项、对外界执行误差的低容忍）。到目前为止，制造工艺，包括加工顺序和路线、工作中心分配等，始终作为固化的前提条件，限制了大规模定制生产进一步提高柔性和降低成本的可能。

为了解决这些问题，按照工业4.0的理论，办法是分散的智能主体相互协同。也就是说，分散、委托责任及建立自主的主体是绝对必要的。

图2-21形象地展示了智能工厂中使用CPS技术后的全新生产方法。在这里，被加工的产品可以看作是一种CPS（称为“智能产品”），它可以被唯一地标识，也可以在任何时间和地点被定位，并像一个具有“智能”的人一样，知道自己的历史、当前的状态，以及为了实现目标可以准备备选的加工路线。工厂里的嵌入式制造系统也可以被看作是一种CPS（称为“智能设备”），它不仅在企业内部实现垂直的网络连接，而且还在跨企业的价值网络之间实现水平的连接，从而实现实时的管理——从下订单的那一刻起，一直到对外交付。通过智能产品与智能设备、智能设备与智能设备之间的协商，动态地确定出一条加工路线。这种基于CPS理论的生产系统称为网络物理生产系统（Cyber Physical Production System，CPPS）。

显然，在CPPS中，如果要让生产线更加柔性化，加工中心不仅要“智能”，还需要更加“万能”。实际上，这也正是机器人可以扮演的角色。如图2-22所示，机器人目前就具有实现柔性化工艺的实现手段。如果配以人-机互动，则可以在柔性化的水平上更上一个台阶。

如图2-23所示，也就是在德国工业4.0报告中阐述的基于CPS技术建立的自适应网状柔性生产线在汽车生产上的应用。传统的工业2.0/3.0的生产线是刚性的，具有固定的生产节拍、固定的生产工艺，产品的任何变化都需要适应现有的生产工艺。在工业4.0中，产品-机器、机器-机器、人-机器都可以作为CPS进行分布式控制的场景，从而可以实现自适应网状柔性的生产线。

实际上，在德国工业4.0的报告中，有这样一段描述：“智能产品能够理解它们被制造的细节以及将如何使用，它们积极协助生产过程，回答诸如‘我是什么时候被制造的’‘应该用哪组参数处理我’‘我应该被传送到里？’等问题”。在这里，会很自然地产生一个问题：在生产过程中，只要生产系统知道产品的这些信息就可以了，为什么要让产品本身也知道呢？事实上，智能产品的这些信息是放在生产系统的计算机（或云）中的，它是系统数据库中的一个“对象”。所谓“产品知道”，是系统能够通过解析“对象”的内容而得之，而产品位置和生产工序的变化都被记录在这个“对象”中了。

无疑，在工业4.0下的大规模定制2.0具有巨大的潜力，包括提高柔性（提高产品的定制化水平、缩小生产批量直至一个流、加快交货速度），以及提高生产效率、降低生产成本等。如图2-24所示，它能够使个体客户的需求得到满足，这意味着厂商即使是生产一次性的产品也能够获利。

实际上，为了支持“让产品自己决定下一步的生产”，需要在很多新技术上取得突破。如图2-25所示，这种大规模定制2.0有很多新的特点，例如：

·订单的生产顺序可以由产品和设备自行决定。

·每一张订单的生产路线可以灵活、智能地进行调整。

·相应的原材料和零部件的供应需要实时适应生产的变化。

·物流不再遵循固定的路线，需要灵活地调整，并具备一定的智能。

为此，需要有很多新的技术来配合，包括在线半成品辨识、生产订单数据抽取与工艺转换、动态生产顺序和路线组合、动态生产零部件供应、动态生产物流、在线产品质量检测等。这些技术在工业4.0的研究中都是重要的课题。

2.3.2　CPPS下的新系统架构

如前所述，在工业3.0时代，采用的是对福特制固定流水线的增强来实现大规模的汽车定制。与这种固定流水线的结构对应，其制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）也是按照生产线的布局和硬件的配备实现的静态系统——这是一种典型的“集中式生产自动化金字塔”，如图2-26所示。

在这种金字塔的架构下，信息流沿着自上而下的方向进行流动：

·上层：总是发起通信（作为客户端）。

·下层：应答（作为服务器）。

·数据传输依赖于多道转换，从“电气信号”到“数据”，再到“功能”，最后到“服务”。

应该说，这种金字塔型的集中控制架构是2000年左右工业3.0的产物。实际上，从20世纪70年代开始，计算机技术和通信技术在制造企业中的应用就被分为两条主线——信息技术（Information Technology，IT）和操作技术（Operation Technology，OT）。IT的发展经过了主机应用、ERP诞生和ERP各个模块成熟、互联网等阶段；OT的发展经过了直接数字控制（Direct Digit Control，DDC）、远程I/O、现场总线协议等阶段。这一时期的IT/OT架构被称为IT/OT分散的架构。到了2000年左右，出现了IT与OT的集成架构——金字塔型的分层架构。在这个架构中，上下层之间实现了数据的交换、传递和集成。这种集成架构从2000年左右成型发展到现今，围绕着ERP又出现了一系列业务条线（Line of Business，LoB）产品，如产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）、供应商关系管理（Supplier Relationship Management，SRM）、客户关系管理（Customer Relationship Mnagement，CRM）等。但是，随着CPS的引入，特别是前文提到的基于服务和支持实时运行的CPS平台架构的出现，传统的金字塔模型将会逐渐解体，如图2-27所示。

在迈向工业4.0的过程中，ERP与MES系统之间的界限会在工业4.0的环境下不断地淡化和融合，企业层的功能及应用会不断地被整合到车间的生产管理中，而车间层的功能及应用也会不断地被整合到企业层中。换句话说，IT与OT从上一时期的集成架构，将会走向IT/OT融合架构。MES系统中的一些典型功能将在ERP系统中执行，传统的ERP系统的计划任务也可以转移到MES系统的详细计划中执行。

总的来说，在工业4.0的环境中：

·设备会变得更加智能。

·ERP和MES之间的边界会更加模糊，ERP和MES都有可能直接访问设备。

·整个架构会变成一个智能系统的网络。

·以“服务到服务”的方式进行协作。

自动化金字塔固定等级划分的消失不意味着各个层面上的系统会变成多余，它更多的是让不同的层面实现无缝连接，以达到工业4.0所提出的要求。实际上，不仅是ERP与MES之间的界限会更加模糊，在IT/OT融合的大背景下，ERP、MES、SCADA和PLC之间的界限也会逐渐模糊（例如在第3章的案例分析中，还可以看到传感器厂家实现从传感器到SAP直接连接的例子）。最终，这些系统的功能会形成云端的多个服务节点，相互之间也可以更加灵活地组合、通信和交互，再配合前面提到的大规模定制2.0下的动态生产路线，进而实现更加灵活的制造流程（见图2-28）。

在实现过程中，ERP、MES、SCM等应用作为商品化软件仍将会存在很长一段时间。因此，一个比较现实的方案是在私有云或公有云的平台上搭建虚拟世界中的智能工厂系统，将ERP、MES、SCM等软件提供的功能，按照服务的颗粒度进行组合，并通过统一的制造服务总线，供物理世界中的设备和人员接入。这就是如图2-29所示的CPPS平台架构。

总的来说，CPPS包含机器、产品、对象、仓储系统和生产设施，它们相互之间可以自主地交换信息，独立地触发动作和实现相互之间的控制，其特点是端到端的垂直集成，涉及从入厂物流、计划到生产、营销、出厂物流和服务各环节。从广义上讲，CPPS的应用不局限于制造领域，也可以应用在其他场合。根据“供应链管理世界——MESA国际”的调查，从156个意见中，评选出了5个最有可能的用例：

·生产跟踪和远程工厂监控。

·跨供应链的跟踪和追溯。

·通过机器-机器之间的通信，实现扩展的工厂自动化。

·实时的绩效管理资产。

·电力与能源管理。

它们具有一些共同的特点，包括：

·能够通过集成的传感器和通信系统，实时地搜集数据。

·为了建模和分析的目的进行数据的保存和评估。

·通过物理世界/人与数字世界之间的数据交换进行协作。

·相互之间通过数字化通信装置进行连接，并接入物联网中。

2.3.3　CPPS的实现道路

IT/OT从分散走向集成，再到融合，不仅涉及技术和系统的升级，也包括对应的产品、设备、工艺、流程和业务的改造。目前大部分企业的现状距离CPPS的理想状态还有很长一段道路要走。

对于任何一个新技术来说，其在前期都会面临一个相对尴尬的情况——人们对其期望的高速膨胀，而技术的发展则仍处于相对不成熟的阶段。“集中式生产自动化金字塔”从建立到打破，再到建立分布式云端结构，需要仔细考虑其中的技术路线和策略——“自上而下”，还是“自下而上”，或是两者兼备，如图2-30所示。

目前对于大多数处于起步阶段的企业，其现状类似于一个“幼儿”的状态——既没有建立起完善的ERP系统（不发达的大脑），ERP与生产现场的MES之间也没有建立起充分集成的联系（不通畅的神经连接），这造成了完全依靠MES而不是ERP来进行生产和物流管理（类似于依靠神经末端反射来适应变化）的状况。

按照CPPS的理论，理想的目标状态应该是一个“青年”的水平——他既有通观全局的智慧大脑（位于云端的各种服务），也有一整套有感知、智能、可自主的手脚（制造现场的智能设备和高素质的员工），还有连接大脑和手脚的四通八达的神经（IT与OT的充分融合）。

从“幼儿”到“青年”，是一个逐次渐近的成长过程。其中间状态——“少年”，表现为ERP和MES充分集成并进行协同管理，具体可以描绘为有聪明的大脑、通常的神经连接和有感知与自主的手脚。CPPS的发展之路如图2-31所示。