智能制造与工业互联网.docx

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第一章数字孪生、赛博物理系统、智能制造、工业互联网
一、数字孪生(DT)
内涵:用赛博世界连接物理世界,数字形态传承;
实质:数据+模型+软件,基于数字体验而优化物理产品。
状态感知、数字体验、辅助决策、一次做优
数字孪生是在软件定义作用下,物理世界的各种人、机、物、数据、图文、语言、物理信息等各种实体要素数字化所形成的结果。因此数字孪生是一种经过长期发展形成的数字化通用技术。
是指物理实体与其数字虚体之间的精确映射的孪生关系;是将具有孪生关系的物理实体、数字虚体分别称作物理孪生体、数字孪生体。默认情况下,数字孪生亦指数字孪生体。
数字孪生是在“数字化一切可以数字化的事物”大背景下,通过软件定义,在数字虚体空间中所创建的虚拟事物,与物理实体空间中的现实事物形成了在形、态、质地、行为和发展规律上都极为相似的虚实精确映射,让物理孪生体与数字孪生体具有了多元化映射关系,具备了不同的保真度(逼真、抽象等)。数字孪生不但持续发生在物理孪生体全生命周期中,而且数字孪生体会超越物理孪生体生命周期,在赛博空间持久存续。充分利用数字孪生可在智能制造中孕育出大量新技术和新模式,推动智能制造和工业互联网的应用与发展。
数字孪生基本内涵和组成要素如图1所示。表示了“物理信息-比特数据-数字信息-数字知识-数字决策”的转换过程,也表示了“状态感知、数字体验、辅助决策、一次做优”的数字孪生作用机制。
模型和数据是评价数字孪生保真度的关键。数据是基础,模型是核心,软件是载体。
模型是构建数字孪生的核心,在机理模型上,可以由数/理/化模型、因果模型、功能模型、系统模型、详细设计模型、仿真分析模型等组合构成,在数据分析模型上,也可以由机器学习模型、经验模型、降阶模型、故障模型等构成。机理模型与数据分析模型的综合应用,构成了数字孪生的模型来源。
数据是体验数字孪生的基础。数字虚体藉由传感器等获得的数据,能不能实时、准确地反映物理实体设备的工作状态,如果网络有一定的时延,时延到底是多少?如果现场有一定的干扰,干扰数据能不能排除?等等,都是数字孪生技术需要研究和解决的问题。如果这些问题不能解决,体验就变成了表演,仿真也就成了“仿假”,数字孪生体也就变成可以人为设置的数字动画。
数字孪生所要达到的数字体验,必须要让人用五官感受到,其中最主要的感受是让人看到——即模型、数据的可视化,这个任务必须由而且只能由软件来实现。无疑,软件是数字孪生要素的载体。
在模型上,先有机理模型,后有基于数据采集与大数据分析的数据分析模型;在数据上,先有基于IT视角的模型数据化,后有基于CT视角的数据通信与传输。最终,模型+数据+软件,发展成为一种基于精准数据的数字体验技术。
二、赛博物理系统(CPS)
内涵:实现数物融合控制;
实质:以“感知-分析-决策-执行”智能闭环,精准控制物理系统的形与态。
状态感知、实时分析、自主决策、精准执行
CPS与数字孪生既有相似之处,也有明显不同。相似之处在于,CPS也会像数字孪
生一样,建立颗粒度不同的虚实对应的映射关系;明显不同在于,在数字孪生中数据是单向从物理实体到数字孪生体的,没有以数据“控制物理设备”的行为发生,而在CPS中,控制指令从数字孪生体下行到物理实体设备,与上行数据形成闭环。另一个明显不同在于,在经过“感知、分析”之后,数字孪生体在软件定义下实现了自主决策,直接操控了物理设备的运行结果。
CPS是智能制造和工业互联网的基本运行机理的抽象与提炼。在智能制造和工业互联网中,一定会发现CPS的身影
三、.智能制造(IM)
内涵:优化配置制造资源;
实质:实现企内链、价值链和价值网,构建新制造生态。
状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升’
智能制造,基于CPS技术构建‘状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升’的数据闭环,以软件形成的数据自动流动来消除复杂系统的不确定性,在给定的时间、目标场景下,优化配置资源的一种制造范式
智能机理:状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升,系统按照场景而不是按照固定程序来自主工作;
操作对象:数据(信息与知识的载体);
使能:软件中的算法与规则(数字化知识);
本质:数据自动流动,并因自动流动而形成信息/知识泛在;
目的:消除工业复杂系统的不确定性;
约束:给定时空场景;
价值:优化配置制造资源。
四、工业互联网(IIOT)
内涵:优化配置工业资源;
实质:基于云的新价值链网,构建新工业生态。
在对工业互联网的内涵理解上,赛迪研究院和工业互联网研究院也提出了“三全”的思路:全要素,全产业链,全价值链。虽然术语和解读有所不同,但是都是在试图突出工业互联网基于云的新价值链网,各方对工业互联网基本内涵的理解上总体上是趋于一致的。
工业互联网因为大范围联接了更多的工业要素,情况会比智能制造稍微复杂一些。海量数据,泛在联接,优化配置工业资源,是工业互联网的基本内涵,全国大范围、社会大尺度、跨行业大协作(“三大”)是业界对它的基本期待。
高度类似于智能制造,数字孪生、CPS都同时存在。但是不同之处在于,智能制造聚焦于制造领域,以智能工厂为单元,其所联接的终端以企业(不限于本地)边界内部的设备和在制品为主;而工业互联网的联接范围从一开始就不局限于企业边界,而是以价值链甚至是以价值网作为起点,直面“三大”需求,联接企业内外部要素,特别是在用工业品,向基于云的新价值链网发展:
工业互联网不断促进硬件/软件捆绑功能解耦,促进传统工业软件解构,基于微服务
和云架构而重构为工业APP,因此,在赛博空间就不再是与物理设备完全精确映射的数字孪生体,而是将原有数字孪生体打散后重组、重构,建立了新型联接关系的数字孪生体。
打造支撑制造资源泛在联接、弹性供给、高效配置的工业互联网平台,构建基于海量工业大数据采集、汇聚、分析的服务体系,形成新工业生态
共同点:四个术语都是由物理空间的物理实体与其在赛博空间映射出来的数字孪生体两大部分基本要素组成,都属于新工业革命的活动内容。
差异点:在内涵/实质上则是各不相同。数字孪生主要是在赛博空间对物理实体与业务流程等现实对象进行映射、仿真、优化和数据支持等数字形态传承类的活动,重在数字体验,以期最大幅度地通过优化数字孪生体而提升物理世界的材料、时间、能量、人力等作业效率与质量;数字孪生体与物理实体相融合,引入控制功能形成智能闭环后,形成了CPS,强化了对物理实体的形和态的精准控制;多个多级别的CPS彼此互联而构建了智能工厂,基于企内链、价值链、价值网络完成特定领域的工业要素集成与制造管控,优化配置制造资源,形成新制造生态智能制造;工业互联网则是将智能制造系统进一步离散化、解构与重构,实现海量工业要素的泛在联接,超越企业边界管控物理设备(特别是在用品),在更大的范围内优化配置工业资源,形成新工业生态。这是一种由企业内到企业外,由在制品到在用品,由价值链网到新价值链网,由新制造生态到新工业生态的数字化转型过程。表1列出四个术语之异同以及从左到右的数字化转型升级过程。
数字孪生体始于IT领域,赛博空间占比偏多;CPS强调数字虚体与物理实体深度融合,赛博、物理相对平衡对等;智能制造基于智能工厂,以CPS实现对物理系统的精确控制,物理空间占比稍高;工业互联网以基于云的新价值链网来泛在联接工业要素和强化工业数据的采集与处理,赛博空间占比略多。
工业互联网高校教育实训系统解决方案
一、前言
面对新一轮制造业数字化的技术浪潮以及引起的产业变革,高校的人才培养也面临着新的挑战,一方面是教育本身如何运用信息化技术升级?另一方面是如何抓住企业痛点,制定出适应性强的教学方案,培养符合产业需要的数字化人才,同时培养一批匹配新型技术要求的双师型教师,打造出特色学科提高学校的核心竞争力。
新一轮的技术变革不仅会引起制造业的变革,也会对社会的方方面面影响深远。尤其是对最具前瞻性的教育,将会是一场重大的挑战。同时,也瞬间催生出新的人才需求,既要掌握本专业行业知识,又要掌握OT、IT、DT等信息化技术的复合型人才。
高等职业教育要实现信息化融合面临以下四方面问题:
第一:课程培养体系与新型企业人才需求匹配问题;
第二:信息化变革背景下教学资源、实训设备缺失问题;
第三:为适应新技术要求的双师型教师培训问题;
第四:教育教学本身如何利用信息化技术问题。
为解决以上问题,首先在思想层面要充分认识本次技术变革的重要性和划时代的意义,其次要引入先进的信息化技术搭建匹配企业人才需求的课程体系,再次要升级实训设备,更新教学资源,加大信息化投入,最后还需要加大对教师的信息化素质培训。
本轮信息化技术变革以及其引起的产业变革,其内生动力,核心是利用创新提高效率,创造价值,进而提升企业的核心竞争力。其外在驱动是新兴技术的长足进步,尤其是工业互联网、5G、云计算、大数据、自动化、人工智能等技术发展以及成熟应用,使得制造业生产在线化、数字化,并衍生出一系列从原材料供应、生产管理、品质管理、工艺提升、仓储物流、产业链协同、售后维护的信息化应用工具,帮助企业实现降本节能、提质增效。
新型技术工业互联网平台是核心,网络是基础。工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化和智能化需求,构建起海量数据采集、汇集、分析的体系,是支撑制造泛在连接、弹性供给、高效配置的载体,其核心要素包括数据采集体系、工业PaaS平台即“平台即服务”平台、应用服务体系。
通过以上制造业的实际需求和未来技术演进路径,作为教育要具有技术先进性和前瞻性,培养出适应时代需求的优质学生,方案在技术上也需要遵循平台是核心、教学实训是基础、教学方法论是深度推行的保障。
二、方案概述
本方案主要包含三个部分:
1)基于数字双胞胎的教学实训工业互联网平台
本方案主要基于平台搭建一个教学实训的工业互联平台,平台架构基于数字双胞胎,可进行水平扩充,满足智能制造的典型应用场景,并能有丰富的数据接口,可以与MES、ERP、WMS等系统无缝对接。平台支持移动APP、大屏网页、支持实时监视、远程控制、边缘计算、数据分析等。
2)传统实训室的数字化改造
在教学实训工业互联网平台基础上可实现传统实训室的数字化改造,把原来实训室设备接入到工业互联网平台,进行工业互联网教学、实训、科研。
3)工业互联网实训系统
搭建一个涵盖工业互联网基础技术智能实训室,囊括OT、IT、DT等多领域知识。其中包括物联网技术、工业总线技术、协议转换、边缘计算、数据传输、无线网络技术、设备建模、工厂建模、手机APP开发、大屏开发、远程监控、数据统计分
析、远程运维、数字驾驶舱、数字工位、生产管理MES以及新一代工业互联应用的核心基础技术等。
系统方案架构图