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对准工业革命制高点 构建战略转型新架构

2015-11-10 12:14:19 中国航空报 张新国

 

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图1 工业制造中的四个生命周期。

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图2 新一轮工业革命的核心

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图3 四次工业革命的特征表现。

 

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图4 IEC 62264 / ISA 95 标准——企业控制系统集成架构

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图5 应用基于模型的系统工程方法论


再工业化战略中另一个典型项目就是美国国防预研局(DARPA)发起的自适应运载器制造(AVM)计划。这个计划的目的是通过再造复杂系统的开发和制造方式,重新发明(Reinvent)制造业本身,解决防务系统开发过程中成本和进度频繁失控的问题,使防务系统的开发周期从10年下降至2年。借鉴集成电路(IC)开发和开源软件项目的做法来改变传统制造业,比如元(META)语言只用于描述产品的逻辑和功能而不是产品的物理实现,这样的描述最后让iFAB“代工厂”的指令和工艺自动生成。传统的外包制造是机械加工的外包和外部资源的利用,但是集成电路在设计的时候就是按照设备的工艺指令来设计的,在设计阶段就已经生成了制造需要的全部信息,这样就改变了传统机械制造的模式。将来的数字化制造是在前端的数字化设计阶段就引入工艺过程的知识、数据和指令并生成后续制造的大部分信息,而不是设计完再去编工艺,这是制造业要进行的一场革命,所以DARPA提出未来运载器的制造概念,就是从产品的元表达(功能和逻辑表达),到iFAB“代工厂”的工艺自动生成,再到机器指令的自动生成。重新发明制造业的本质就是设计模型化、工艺仿真化、制造分布式。

 

德国(欧盟):工业4.0

德国要保持和捍卫制造业的领先地位,在德国工程院、弗劳恩霍夫研究院、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下,工业4.0项目在2013年汉诺威工业博览会上被正式推出。这是一个高技术战略项目,以建立智能工厂为目标,其技术基础是赛博物理系统(CPS),其特征是自适应性、资源有效性、人机工效及其与客户和业务组件在业务和价值流中的整合,可以从四个维度透视其增值过程,即订单、产品、工厂和技术,通过水平和垂直集成,贯穿整个生命周期的工程连续性,所有的工具实现无缝集成 (如图1)。通过自优化、自重构、自诊断及对人的认知和智能支持,形成高度的客户定制化,这也是未来社会对工业的需求。

还有一个重要的变化是用信息技术来设计和仿真生产过程,也就是说,不仅仅用信息技术把产品设计和仿真出来,同时还要把生产这个产品的过程也设计和仿真出来,全面整合、优化产品生命周期和生产生命周期。

欧盟随即发起了IMC-AESOP计划,即智能监测与控制(Intelligent Monitoring & Control)——面向服务的过程监测与控制架构(Architecture for Service Oriented Process Monitoring& Control)计划。IMC-AESOP计划的合作伙伴包括施耐德电气、SAP、霍尼韦尔、微软等。研究内容主要是基于云的分布式异构系统的过程自动化,同时在这个层面研究、解决逻辑架构和功能架构,这和复杂系统工程是一样的。首先根据需求来设计逻辑架构和功能架构,最后再落实到物理网络架构来进行优化。所以未来工业设施的基本特点就是基于云的赛博物理系统(CPS),把在传统工业中自动化和信息化的各种方式联合起来,实现整个企业范围内的监测与控制。同时这个网络将要形成大规模的生态系统和大规模的协同,目的是使今天难以实现或者高昂代价实现的事在未来很容易实现。是否具备这种能力,直接决定着未来的战略竞争成败和生存能力。

结合德国工业4.0以及欧盟提出的IMC-AESOP计划来看,未来工厂设计运行面临诸多挑战,所以面向未来制造的赛博物理模型应采用的是“偶模型”法。从早期设计阶段构建数字图像,在产品设计阶段将系统信息和物理知识导入,在此基础上建立仿真模型以作为未来分析的参考,也就是建立“数字双胞胎”(digital twins)。所谓“数字双胞胎”,就是所有设备要有一个数字模型,先建立一个健康模型,同时经过实测不断地完善这个模型。在后续使用阶段,它能持续记录和跟踪设备的状况。仿真的模型被认为是真实环境的镜像。最终由于云计算技术的普适连接,这个“偶模型”为工厂管理者提供机器状况更好的可达性。今后的产品从设计之初,就要诞生一个“数字双胞胎”,在全生命周期内都跟着这个产品,任何时候对产品的分析判断都基于这个数字模型,产品在任何时候进行了维修,都会在这个模型中体现。

中国:中国制造2025

为了应对一系列变化带来的深刻影响,推动制造业实现由大变强,中国正式发布了“中国制造2025”,这是第一次从国家战略层面描绘建设制造强国的宏伟蓝图。从其中规划的目标和内容来看,高端装备制造业是重中之重。实施好“中国制造2025”,要以创新驱动发展为主题,以信息化与工业化深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向。

综上所述,美国的再工业化战略主要包括国家制造创新网络(NNMI)计划、先进运载器制造(AVM)计划、工业互联网,德国工业4.0主要是智能制造、赛博物理系统(CPS),中国制造2025是两化融合、工业转型升级。所以,制造强国与制造大国方向一致,殊途同归,新一轮工业革命的共同基础就是赛博物理系统(CPS)。

新一轮工业革命的新特征

聚焦新一轮工业革命的核心技术领域,分别涉及数字制造(数字化和自动化)、智能制造(智能化)和工业互联网(网络化),在复杂系统工程和复杂组织体架构的支撑下,提取制造智能传递给赛博物理系统(CPS)。

赛博物理系统

赛博物理系统(CPS)就是采用信息技术(计算机、软件和网络)去引导物理过程和系统的通信与控制。赛博(Cyber)这个词来源于Cybernetics,主要指通信与控制,现在也泛指计算、信息、网络、电磁空间。中文没有特别准确的词能够代替,所以采用音译比较严谨。赛博物理制造系统包括从计算单元、总线单元、传感器、驱动器的技术分类和从控制执行层、生产管理层、企业管理层和企业联盟层的企业分层。从架构分析赛博包括计算单元和总线单元,物理包括传感器和执行器,制造智能覆盖生产管理层和控制执行层,业务智能涵盖企业联盟层和企业管理层,所以需要从各个方面和各个角度来勾画赛博物理系统(CPS)的架构。

赛博物理系统(CPS)是异构系统的连接,比如飞机上的机内系统有航电系统、机电系统、飞控系统等,它们是基于总线连接起来的。而机外系统,比如机场的空中交通管理(ATM)系统,各种飞机跟地面站、地面站之间的联系;还有无人机系统中地面站跟飞机、卫星之间的联系,也都出现了跨系统连接。多种设备和系统在网络上的协同作用,这种形态早已出现,只是现在要把这种形态转移到制造现场去。因为计算机连接的时候,它的总线、协议、接口都是定义了的,所以容易连接。而现在要把已有的设备、未来的设备、不同厂商、不同的协议、不同的嵌入式计算机、不同的接口进行连接,应该有相应的工业标准来描述,采用各种工业技术来支撑。而且如果没有一个顶层架构去描述,这么大的复杂系统也容易产生混乱。因此,各种物理设备、机器连接起来面临的挑战将是巨大的,需要先进的方法论去支撑。

智能制造

实施好“中国制造2025”,要以智能制造为主攻方向,以工业互联网为重要支撑,推动制造业数字化、网络化、智能化,实现提质增效、转型升级。新一轮工业革命的核心就是智能制造(如图2)。

数字化是表达方式,是把之后的物理过程能够进行虚拟表达,提前仿真;自动化是把执行的规则交给机器,智能化则是把主动学习、主动记忆及一些决策的规则交给机器;网络化是实现机器的互联。

学习、记忆及决策过程包括识别、判断和选择,所以智能制造的前提是挖掘制造智能。智能的本身,实际上是人对事物整个过程的全面深刻的理解,而我们现在先需要回答:对制造体系智能的理解到了什么程度?我们怎么把它表达出来?然后再把设备连接成网络,从智能加工、智能库存到智能配送。在这个过程中,所有设备进行联网和组织,都是要可以智能进行的。制造智能是将方法、工具、过程和识别、分析、判断以及选择能力进行全面的理解和掌握,全面掌握了知识并具有控制、预测、管理整个过程的能力的时候才形成了智能。我们对加工过程、制造过程中的制造智能提取后交给机器,机器才能实现智能制造。

但不是把所有事情都交给机器,人应将主要精力聚焦于复杂性判断、沟通、决策。因此,德国提出将来每个工人旁边都配有机器人,人与机器人一起工作,人思考更高层面的事情,监控机器人,不断优化和改进机器人的工作。智能制造是个很广泛的话题,将会成为目前工业发展和制造业进步的重大变革。

工业互联网

美国通用电气(GE)公司提出的以工业互联网为创新特征的第三次浪潮已经成为新一轮工业革命的特征之一。第一次浪潮是工业革命,机器和工厂的出现,推动经济的进步和范围的扩大;第二次浪潮是互联网革命,计算机技术和分布式信息网络的崛起;第三次浪潮是工业互联网,机器、设备组和设施,通过互联网、大数据、分析技术的整合。

虽然互联网已经诞生多年,各种互联网技术迅速发展并已成为一种生活方式,但是新一轮工业革命应该是在互联网的支撑下,对物质和能量进行连接。人类没有信息可以活着,有了信息可以活得更好,但没有能量和物质是无法生存的,所以互联网最后要连接物质和能量,这是人类发展的必然趋势,也是赛博物理系统的本质。

现在的物联网和电商采购并没有改变物质的形态,只是传送信息,从制造工厂到仓库再到销售,这个形态是不发生变化的。而工业互联网是要改变物质的属性并且消耗能量,从物联网到工业互联网,实际上是从信息网到物质网、能量网的一个转变。当然能量网不是现在才有的,电网和石油网都是能量网,这些都是单向的,工业互联网是信息网、能量网和物质网的一个融合,是所有设备的连接,这就是说网络的连接从信息网扩展到能量网、物质网,所以就变成了广义技术。其实,4次工业革命产生的蒸汽机技术、电气技术、网络技术等,都属于广义技术,因此广义技术的进步才是推动工业革命和经济社会发展背后的逻辑。

 

应对策略

现状分析

在思考如何应对新一轮工业革命的挑战时,首先需要弄清楚我们自己在哪里,目前的发展现状处于哪个阶段(如图3)。

我们没有完整地经历过科学革命和工业革命,所缺的课是需要补上的。科学精神最重要的是实证主义,就是基于事实和证据的科学分析。工业文明就是把做事的方式显性化、结构化、标准化,并让机器辅助和代替人来完成某些工作。工业2.0的主要特征就是电气化和自动化;工业3.0的主要特征是全自动、精益化和柔性化。我们这几年也实现了部分的精益化和柔性化,包括精益化准时生产、价值流分析、六西格玛和柔性工装,但是一些企业还需要补工业2.0的课,大部分企业要补工业3.0的课。工业4.0主要特征是数字化、网络化和智能化,我们少数企业可以根据实际情况先行开展试点工作,逐步形成示范带动效应。所以未来我们将是一个混合型的进化过程。

复杂系统的顶层设计

——架构方法论

“中国制造2025”提出,通过两化融合发展来实现从制造业大国向制造业强国的历史性跨越。装备制造业是重中之重。航空工业处于装备制造业高端地位,具有技术密集度高、产业关联范围广、军民融合性强、辐射带动效应大、工业化和信息化融合程度深等特点,是国家工业基础、科技水平、综合国力、国防实力的重要标志和综合体现。

现阶段,信息化正在推动航空工业各个领域隐性的知识显性化,显性的知识结构化、标准化,进而实现知识的自动化。但是,推进信息化不仅是在工程与制造领域,还有组织与管理领域。而且,随着新一轮工业革命的发展,仅仅依靠纯信息系统是不够的,信息、物质和能量要实现融合,只有信息化和工业化相融合,才能真正实现工业结构的转型升级。面对航空工业这样复杂的大系统,要实现两化融合,我们需要一个顶层架构来牵引和引导,否则,随着自下而上的发展,很容易出现混乱。

架构(Architecture)是一个系统的基本构成,表现为系统的要素、要素之间的相互关系、要素与环境之间的相互关系以及指导其设计和演进的基本原则。它主要回答要做什么以及有什么可用的方法和技术能实现这个目的,核心特征包括蓝图和路线图。架构方法已被国际上著名大型企业、军队组织、政府所采用,产生了大量优秀的架构实践,形成了相应的标准和工具。国际一流企业的业务模型、业务流程几乎都是显性化、结构化、标准化的,而且在描述复杂系统时都采用架构方法。架构的应用始于描述,但其价值实现在于科学的决策和有序的执行,使战略与业务对准。IEC 62264 / ISA 95 标准(企业控制系统集成架构)(如图4)从生产过程,感知与作动,监测、监控与控制,制造运营与管控,业务规划与后勤等5个层次定义了企业控制系统集成架构,反映了复杂组织体架构(Enterprise Architecture, EA)= 战略(S)+业务(B)+技术(T)。

中航工业已经发布并持续推进实施集团公司统一IT架构,在航空装备系统工程全生命周期、企业全价值链和管理全业务流程多维度、多层次上推进架构统一,形成架构文件体系和最佳实践模型架构库;并规划构建涵盖规划、投资、标准、管理、基础设施与运营等领域的基于统一架构的IT治理体系,使统一架构落到实处。

中航工业通过加入国际架构推进组织The Open Group(TOG),获取了国际架构标准的翻译授权,参与国际架构标准的推进工作,取得了国内架构标准及应用的话语主导权。参照“开放组”架构框架(TOGAF)、国防部架构框架(DODAF)、联邦政府架构框架(FEA)等先进架构标准与实践的成功经验,基于国际架构建模标准Archimate,形成并发布了中航工业架构建模规范,推进总部、部分成员单位的架构方法实践,基于架构模型的企业持续治理模式逐步清晰,从而验证了架构方法是科学、系统推进企业变革的重要方法,并逐步形成了中航工业架构设计与应用的品牌效应。

“工业4.0”背后的逻辑和模式

——MBSE

过去我们等硬件制造出来并综合试验之后,才在需求层面进行确认。只能在物理领域里进行制造和装配仿真,也就是说设计完成之后,要制造物理样机进行物理测试。现在从需求阶段就使用“条目化的需求”,确保需求的精确性、完整性和可测试性,并用顺序图、用例图、状态图来描述功能和行为,实际上是在描述系统的运行场景,是从不同的侧面反映同一个整体。我们目前的电子样机仅仅是几何样机和部分的功能样机,今后要实现全部的功能和性能样机,进行虚拟试验,在数字领域实现了全系统工程过程。我们使用基于模型的系统工程(MBSE)方法论,从V型图的左边的虚拟数字世界里进行不断迭代,等认识过程完成后,到V型图的右边一次制造交付成功,这就是今后的研发模式,也是工业4.0背后的逻辑和模式(如图5)。

基于模型的系统工程重点解决两个问题:第一应对复杂性;第二应对变化。面对复杂系统,我们对需求的认知不可能一次完成,需求本身都是不断进化的,我们对需求的认知要不断迭代,这也是现在提出进化式(渐进式)采购的原因。从传统的基于文件到基于模型的转变,基于模型有助于从一开始就把复杂问题描述清楚,而且能够追踪全过程的变化和演进。

中航工业通过引进国际成熟的系统工程流程集和MBSE方法论,统一规划、统一组织、统一推进MBSE。通过导入MBSE方法论,促进航空产品开发模式转型升级。通过描述系统工程发展演进的基本图像,提出应对复杂性挑战的基本策略:以科律性的方法(结构化的过程知识)应对复杂系统结果的不确定性,以系统化的模型(结构化的元素关系)应对复杂系统工程的可演进性。中航工业在系统工程领域积极开展与IBM、达索系统、西门子和PTC的战略合作,建立与国际系统工程协会(INCOSE)对接的全球认可的培训和认证体系,并在行业内几十家单位开展MBSE导航和型号实施工作,快速达到全球系统工程知识体系和最佳实践经验的转移。目前已经培育形成了国内领先的系统工程技术支持能力。

结束语

基于模型已经成为一个广义的方法论,复杂组织体架构就是企业的顶层模型,业务模型属于中间层模型,业务流程是底层模型,一旦建立了模型,就为各种动态系统建立了描述的方法,能展示系统的结构和行为。统一复杂组织体架构,把业务模型描述清楚,业务流程结构化、显性化、标准化,推进基于模型的系统工程,塑造航空工业整体的竞争优势,最终实现基于模型的企业(MBE),从而真正实现信息化与工业化深度融合。

“中国制造2025”提出的第一条方针就是创新驱动,面对复杂性的挑战,如何引发变革实现工业转型升级?一方面是工程与制造,一方面是组织与管理。复杂组织体架构和基于模型的系统工程提供了解决问题的创新思路和途径,因此我们要在众多的知识和技术领域不断学习和实践,积极推进基于架构的组织治理和基于模型的系统工程,统一规划和构建中航工业智能制造的架构体系,这样才能为应对新一轮工业革命打好基础。

责任编辑:实习编辑 王婵