浅谈智能制造的核心
——信息物理系统

任 强，徐 旻

(中国企业管理无锡培训中心，江苏 无锡 214081)

0 引言

国务院印发的《中国制造2025》[1]提出，“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”。随着制造业与互联网融合的不断发展，信息物理系统(CPS)正成为支撑和引领全球新一轮产业变革的核心技术体系。

当前，《中国制造2025》正处于全面部署、加快实施、深入推进的新阶段，面对信息化和工业化深度融合进程中不断涌现的新技术、新理念、新模式，对信息物理系统的起源、概念、构成、应用、发展进行探讨，以加强认识、形成共识，更好地服务于制造强国建设。现结合“两化”深度融合工作，就信息物理系统谈几点认识和体会。

1 信息物理系统是实现智能制造的综合技术支撑体系

面对“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的国家经济建设战略方针，完成从制造大国向制造强国转变的战略任务，构建支撑智能制造的综合技术支撑体系是重要工作任务。

信息物理系统通过集成信息、通信、自控等先进技术，在现实的物理空间与虚拟的信息空间之间将人、机、物、环境、信息等要素构建成为相互映射、交互、协同的复杂系统，通过信息技术与工业技术融合，将物理实体、生产环境和制造过程映射到虚拟空间并进行建模与控制，能快速实现全过程、全产业链生产范式的重构。

信息物理系统作为智能制造的核心，是实现智能制造的综合技术支撑体系，是通过打通两大空间(信息空间和物理空间)，在实现数据共享的四个过程(状态感知、实时分析、科学决策、精准执行)中实现资源的优化配置。图1为信息物理系统综合技术体系架构示意。

2 信息物理系统的四大核心技术要素

图1 信息物理系统综合技术体系架构

2015年5月，国务院印发了《中国制造2025》；2016年5月又发布了《关于深化制造业与互联网融合发展的意见》，提出“强化制造业自动化、数字化、智能化基础技术和产业支撑能力[2]，加快构筑自动控制与感知、工业云与智能服务平台、工业互联网等制造新基础”，并首次提出“新四基”(即一硬、一软、一网、一平台，分别指感知与自动控制的智能硬件、工业软件、物联网、工业云和智能服务平台)。《中国制造2025》涵盖了从2015年起三步走的实现中国制造强国目标30年发展规划。2015年至2025年是第一阶段，而“新四基”则是该阶段的基础。

我国的《中国制造2025》，与德国“工业4.0”以及美国的“工业互联网”有许多共同点；但与德国在传统工业领域的雄厚基础和美国在引领世界信息技术发展的先进技术的优势相比，中国制造业的转型发展不仅要解决提升工业基础、强化产品质量、实现制造业转型升级等问题，还要突破“新四基”。

“新四基”与《中国制造2025》提出的“四基”(核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础)，共同构建了实现我国制造强国的基石。

2.1 智能硬件

智能硬件用于状态感知和自动控制。状态感知是对外界状态的数据获取，生产过程中蕴含着大量的隐性数据，这些数据暗含在实际过程的各方面，如物理实体的尺寸、运行机理，外部环境的温度、液体流速、压差等。状态感知通过传感器、物联网等数据采集技术，将蕴含在物理实体背后的数据不断地传递到信息空间，使得数据不断“可见”，变为显性数据。状态感知是对数据的初级采集加工，是数据流动闭环的起点，也是数据自动流动的源动力。与人体类比，可以把感知看作是人类接收外部信息的感觉器官，提供视、听、嗅、触和味这“五觉”。

自动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的精准执行，精准执行是对决策的精准物理实现。在信息空间分析并形成的决策最终将会作用于物理空间，而物理空间的实体设备只能以数据的形式接受信息空间的决策；因此，执行的本质是将信息空间产生的决策转换成物理实体可执行的命令，进行物理层面的实现，输出更为优化的数据、使得物理空间设备运行更加可靠、资源调度更加合理，实现企业高效运营、各环节智能协同效果逐步优化。与人体类比，根据指令信息完成特定动作和行为的骨骼和肌肉，可以看作是控制的执行机构。

2.2 工业软件

工业软件是工业知识、经验积累、技术的载体，对工业研发设计、生产制造、经营管理、服务等全生命周期环节规律的代码化和模型化，是实现工业智能化和网络数字化的核心。工业软件也是对产业现实问题解决方案(即“算法”)的代码化、工具化。仿真工具、排产计划和企业资源计划的核心就是一套算法。工业软件的本质是要打造“状态感知—实时分析—科学决策—精准执行”的闭环，构筑状态处理的规则体系，应对制造系统的变化，实现制造资源的高效配置。与人体类比，工业软件代表了信息物理系统的思维认识，是感知控制、信息传输、分析决策背后的价值观和方法论[3]。

2.3 物联网

物联网是连接工业生产系统和工业产品各要素的信息网络，通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术，能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系统的互联互通，以及物料、产品与人的无缝集成。物联网主要用于支撑工业数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行，是实现从单个机器、生产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工具，是支撑数据流动的通道[4]。与人体类比，物联网构成了神经系统，可以像神经系统一样传递信息。

2.4 工业云和智能服务平台

工业云和智能服务平台是高度集成、开放和共享的数据服务平台，是跨系统、跨平台、跨领域的数据存储、数据分析和数据共享中心。

与人体类比，工业云和智能服务平台构成了决策器官，其作用类似于人类的大脑，可接收、存储、分析数据信息并形成决策。工业云和智能服务平台，向下整合硬件资源、向上承载软件应用。图2为信息世界与物理世界交互作用示意。目前一些国际知名跨国公司正加快全球战略资源的整合步伐，抢占规则制定权、标准话语权、生态主导权和竞争制高点[5]。

图2 信息世界与物理世界交互作用示意

3 对信息物理系统建设的认识

信息物理系统通过数据、软件、网络、平台等信息技术，与人员、机器、物料、环境、供应链等制造要素的深度融合，构建一个物理空间与信息空间数据自动流动的闭环体系，实现生产制造的自主协调、智能优化和持续创新，推动制造业与互联网融合发展，应重点围绕以下几方面实现信息物理系统建设。

3.1 资源优化是目标

自工业革命以来，技术变革是永恒的主题，而不变的主题是对制造效率、成本和质量永恒地追求。企业是通过社会资源配置塑造自身能力、满足客户需求的一种社会组织。企业的竞争就是资源配置效率的竞争，是能力不断跃升的竞争。如何缩短一个产品研发周期、提高一台机床使用精度、提高一个班组的产量、提高一组设备的使用效率、提升仓储周转次数、减少一类部件库存数量、缩短客户服务的响应时间、降低资金使用成本等，这些都是如何优化资源使用效率。信息物理系统通过创造一个与实物制造相对应的虚拟制造空间，实现了研发设计、试验、制造、服务在虚拟空间的仿真测试和生产，形成人类认识和改造世界新方法、实现资源优化的新模式。

3.2 数据驱动是关键

数据普遍存在于工业生产的方方面面，其中大量的数据是隐性存在的，其背后潜在的价值尚未被充分的挖掘并利用。信息物理系统通过构建“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”数据自动流动的闭环赋能体系，将数据不断地从物理空间中的隐性形态，转化为显性形态，并转换、迭代、进一步形成知识库。在该过程中，状态感知、实时分析、科学决策、精准执行都是围绕数据进行的。因此，数据是信息物理系统的核心所在，数据在自动生成、自动传输、自动分析、自动执行以及不断地迭代优化中不断累积、螺旋上升，产生更为优化的数据，能够通过质变引起巨变，实现对外部环境的资源优化配置。数字化模型带来数据驱动的决策，构建出涉及产品设计、生产、运营、服务和管理的产品库、知识库、专家库，衍生出个性化订制、服务型制造和云制造模式，使其普遍存在于生产体系各环节。

3.3 工业软件是核心

工业软件是对各类工业生产环节规律的代码化，支撑了大部分的生产制造过程。作为面向制造业的CPS，软件就成为实现CPS功能的核心载体之一，从生产流程的角度看，CPS会全面应用到研发设计、生产制造、管理服务等方方面面，通过对人、机、物、法、环全面的感知和控制，实现各类资源的优化配置。这一过程需要依靠对工业技术模块化、代码化和数字化，并不断软件化而被广泛利用；从产品装备的角度看，一些产品和装备本身就是CPS。软件可以控制产品和装备运行，可以把产品和装备运行的状态实时展现出来，通过分析、优化，作用到产品、装备的运行，甚至是设计环节，实现迭代优化。

就实现“两化”融合而论，我国工业化水平和产业生态环境与国际水平还有较大差距，仅信息化水平接近国际水平。生产制造通常包含两种技术：生产技术(工艺技术)和制造技术(运营、管理技术，OT技术即Operational Technology)[6]。生产技术指直接改变毛坯零件的形状、尺寸和材料性能，使之成为成品，或把许多零件和部件按一定技术要求装配成产品的技术，这种技术各企业间差别不大。不同企业制造同样的产品时，在管理上会有很大的差别，制造技术是能够科学地运用设备、人员、材料的一种方法，它能够大幅度降低成本，基本包括企业的生产过程，从原材料到产品之间各相互关联的劳动过程和自然过程的生产技术以外的几乎全部组织工作。而工业软件技术恰恰是制造技术知识的积累和传递，将人的隐性知识算法化、代码化成为一种可执行的知识体系。我国在这方面基础比较薄弱，由于缺乏长期工业过程的锤炼、知识和经验积累有限，需加快开发出更好的工业核心软件。

智能制造包含了智能化设计、智能化运营和智能化运维的全阶段，具备全阶段的高端工业软件是实现智能制造的保障。工业软件作为载体和工具，实现了制造过程物理空间与信息空间体系中运营规律的模型化和代码化，优化了物质世界的运行。如高端设计软件，体现在智能产品的设计中；高端生产管理软件将生产线和产业链集成从而构成智能工厂，为智能设备提供实际运行参数和健康状态分析的运维服务软件，形成智能化的生产线。高端工业软件控制着设计、制造和使用阶段的产品全生命周期过程，主导着制造业的发展方向。

工业软件的发展重点在于这几类系统：① 产品设计和全生命周期管理软件(如CAX，PLM等)建立了高度集成的数字化模型以及研发工艺仿真体系；② 生产制造执行系统(MES)是企业实现纵向整合的核心，联通了设备、原料、订单、排产、配送等各主要生产资源和生产过程；③ 企业管理系统(如ERP，WMS，CRM)为企业的业务活动进行科学管理，改变了企业管理理念和管理模式。从我国工业现实和发展看，我国工业软件发展重点在于智能化全阶段的设计和服务。

3.4 工业云是智能制造的信息中枢

在专业化分工日益细化的大趋势下，生产效率提升和成本降低不仅取决于单个生产活动的效率和成本，更取决于不同生产活动之间相互衔接的效率和成本。工业云平台建设为企业打造了“集成、开放、共享”服务平台，逐步成为企业“两化”深度融合新途径。同时，也为制造业和生产性服务业创新发展提供了新模式。

工业云促进软件与云服务相结合的模式创新，加快推进信息技术与产品设计、工艺优化、生产制造等技术的融合，并不断满足研发、设计、物流、商务等生产性服务业与企业个性化的需求。

工业云加快推动中小企业“两化”深度融合，降低了中小企业信息化门槛，集聚了大量行业共性知识、信息和资源，企业借助工业云平台可便捷获得专业技术和市场信息，推动了中小企业知识共享和协同研发，利于打通产业协同创新链条，不断提升创新能力。

工业云推动龙头企业面向行业提供专业化外包服务，加快推进企业向服务型制造转型，促进生产性服务业快速健康发展，顺应“互联网+”发展趋势，提供一个大众创业、万众创新的环境。

4 纺织智能制造中信息物理系统的构想

纺织行业作为国民经济发展中重要的民生产业、支柱产业和创造国际化新优势的产业，其定位是向科技和时尚融合、生活消费与产业用并举的方向发展。棉纺织行业作为传统制造业，应逐步突破传统劳动密集为主的发展模式，提升全行业科技创新能力，提升产品品牌和核心技术优势，减少对劳动力成本和劳动力资源的依赖度，减少对传统的低成本优势和人口红利优势的依存度。逐步走向价值链中高端。

棉纺织行业智能制造的方向，应延伸制造业企业服务链，改变过多依存提供产品的价值链，实现向提供产品和服务的服务型制造价值链方式转变。满足个性化市场需求的大规模定制生产与服务，这也将成为现代纺织企业主要的运营方式。纺织企业以拓展产品功能、提高交易效率、满足客户深层次需求为重点，为客户提供个性化产品设计和整体解决方案，推进先进业态和商业模式发展[7]。

纺织行业应全力制定纺织智能制造体系架构、数字化工厂模型、通用技术条件、评价验证等智能制造标准。应用物联网、网络技术、传感技术实现纺纱全流程自动化生产、数字化监控和智能化管理的智能化纺纱，开展以自动化和智能化生产、在线工艺和质量监控、工序间物料自动输送、自动输送包装、智能仓储管理、设备生产过程及故障远程控制诊断为主要特征的数字化、智能化工厂建设。实行高效扁平化的精益管理组织。以网络协同模式开展纺织生产，通过智能化生产和信息化集成管理，有效应用大数据，提高劳动生产率、提升产品质量稳定性、增强体系运行效率。推动信息化技术在纺织市场营销、生产、研发、管理、仓储、物流等运营和管理的运用。建立适应快速定制化生产方式的高效产、供、销信息化体系，使网络信息技术在全流程和产业链实现集成应用。

5 结语

作为智能制造的核心，可以用人体的结构来比拟物理信息系统，两者均包含物理空间、信息空间两大系统。健壮的身体、灵巧的四肢、敏锐的感官，人体便相当于一个嵌入无数传感器的物理系统；人的大脑和意识，赋予了人思考、社交和活动的能力，构成了一个完备的信息系统，控制和操纵肌体这一物理系统。

棉纺织行业推进智能制造，是传统制造业的发展之路。纺织行业应充分发挥物理信息系统优势，通过制定纺织智能制造体系架构，应用物联网、网络技术、传感技术等措施，极大地推进了纺织智能制造的步伐。