【亞洲流體網】我們談物理世界和數字世界的融合，就是要把通訊和計算技術深入地與物理實體融合，例如將馬達、閥門這樣一些基本的零件單元，與物理感應和效應有機地結合在一起，構成信息物理系統(CPS， Cyber-Physical System)，為這些系統提供柔性化的能力，通過智能制造軟件的迭代發展，不斷地改善和增強功能和性能，從而打造現代化的智能工廠。

圖1 工業4.0管理殼與物理信息系統(CPS)

德國工業4.0在這方面作了深入的工作 ，非常值得關注。工業4.0為這樣一個信息物理系統單元，也就是工業4.0組件，制定了通用的架構和界面，也就是RAMI4.0所定義的管理殼(Administration Shell)。

每個組件都有全球唯一的身份， 通過這個標準界面，可以唯一性地被辨認和訪問。每個組件的屬性不管是其功能和性能的規格，配置、控制和狀態參數等都用一個統一的數據模型(manifest)表達。對每個組件的交互也通過一個統一的服務界面(component manager)進行。不管是一個CPS單元組件，還是一個裝備、一條生產線，甚至一個工廠，都可以通過這樣一個統一的界面來定義和交互。

顯然，一臺大的設備可以由一系列CPS單元組件構成，這些組件通過物理和數字界面雙面交互，協同完成整機的功能。

還可以想象，不僅在一臺裝備里，而且在一條流水線上，在一個車間中，這些大大小小的信息物理系統連接交互，形成了一個小型的互聯網，其功效之強大，現在難以估量。如果成為一個開放性的標準界面，這樣一個通用界面也將打破不同的私有界面的壁壘，大幅度地提高系統融合的效率，也為在制造環境里的創新建立了一個良好的框架。

CPS是數字化制造的一個非常重要的里程碑。

數字化制造也可以看作為建立在信息物理系統的基礎上，把設備實體、生產資源、流程、系統和人員連接起來，通過全面信息化轉型，以數據分析生成可執行(actionable)的信息，優化制造過程，實現智能工廠和新的制造生態系統。

智能制造的三鏈模型：制造流程信息化

作為對制造流程信息化討論的背景，本文給出了智能制造的三鏈模型，也是對制造業管理流程的數字化提出的三鏈模型。

盡管不同的制造細分行業，同一細分行業不同的企業，這些流程會有差異，作為一個概括，可以把重要的流程分為三大鏈：第一鏈，垂直的，是以ERP為首的價值鏈;第二鏈，水平的，是以PLM為主的知識產權鏈;第三鏈，也是垂直的，是資產鏈。

圖2 智能制造的三鏈模型

智能制造的第一鏈，價值鏈

價值鏈，是回答生產什么、在什么時候生產、生產多少的問題，包括了從產品訂單，到生產計劃、材料與供應、制造、交付與分銷、及最后的客戶支持的整個業務管理流程，關注如何優化這些環節，為企業創造價值。

管理流程要解決的問題，除了保證成本、效率、質量這些傳統生產要素能達到預期的目標之外，還必須縮短交付周期、提高資源效率、和保障可持續性，實現多品種、小批量柔性制造，快速響應市場需求的變化。

對大型或高價值裝備的制造商，在這個價值鏈的下游，有這樣的一個機會，即如何利用企業對產品內部技術的深度把握，采用工業互聯網的技術，在預測性維護和資產績效管理方面，為客戶提供增值服務，不僅為企業創造新的營收來源，也為企業的業務模式提升轉型，從單一的產品銷售模式向服務型模式、甚至成效型模式過渡提供了一個良好的機遇。

這個流程中，我們不僅需要繼續將依賴于報表式的手工管理方式提升為完全數字化的過程(至少對部分企業而言)，而且還要關注如何把所有的環節無縫整合，自動交互，動態地響應客戶和市場的需求。

第二鏈，是以PLM為主的知識產權鏈

第二鏈，是回答怎樣生產的問題，關注如何優化從產品設計，到流程規劃、生產工程、和制造的創新管理流程，如何在越來越短的周期里推出更多樣的、更為高新和尖端的產品。

位于價值鏈與知識產權鏈交叉點的制造執行系統(MES)，是將知識產權轉為業務價值的樞紐，它管理的對象是作為制造業企業資產的核心的生產能力和資源，對實現企業價值起著舉足輕重的作用。MES在生產現場統籌管理生產計劃的執行、設備使用的績效、產品質量的保證、生產過程的追溯、工人的排班和激勵等多個方面。它所關注的是在車間的場景里如何對生產人員、設備、物料、能源的生產要素，實現動態的、精準的、優化的配置和調度，高績效、高質量、低成本地完成生產任務。由于其管理對象包括實體生產資源，MES與工業互聯網技術在多個應用方面相關性最直接，將與工業互聯網的實施相互配合，相互增強。

智能制造第三鏈，是資產鏈

主要關注在裝備部署和投產后，如何優化其運營和維護，以最低的成本，產生最佳的成效。

這也是在制造業外，工業互聯網應用的重要場景，如上文提到的風力發電機、采油設備等等。(當然，對于設備組件制造商，交付的下游是其它的制造商，而不是裝備運營商。)

數字主線與數字孿生

正如價值鏈一樣，知識產權鏈各環節之間也需要無縫整合，讓數據按需要在產品生命周期的過程中暢通地流動，從設計，到制造，到運維，甚至一直到退役報廢回收。簡單地說，數字主線(digital thread)就是這樣一個使能數據流動的連接和融合框架。如在離散制造的MBE過程中，實現完全基于三維的設計、仿真驗證、工藝設計、制造和運維的產品全生命周期管理，避免傳統過程中把三維的設計轉換成二維的工藝，然后再去制造三維的產品這種在中間環節之間繁瑣和不可靠的轉換。

在數字主線各個環節中所收集有關產品的數據，如設計規格、描述其幾何形狀、材料、組件和行為的工程模型、仿真驗證結果、工藝規程、每一個產品實體在制造過程中獨有的人、機、料、法，質量檢驗等數據、還有部署調試、使用和維護的數據等，構成了產品實體的在數字模型，也就是通常所說的數字孿生，或數字化雙胞胎。

這個產品數據模型，不僅僅是一個靜態的模型，它反映了每個產品，或裝備的設計、生產，使用和維護的完整歷史。利用每一個產品數字孿生的數據模型，可以在其生命周期內通過仿真，更有效地評估其當前和未來的性能。這不僅對預測性維護和優化運營績效，而且對根據產品使用的數據來改進產品設計和生產工藝都具有十分重要的價值。

圖3 數字主線

另外，數字孿生能夠提供對產品質量有效的追溯，特別是當產品因質量問題需要召回時，能追溯到影響每一個產品的質量具體因素，因而可以精確的決定召回的范圍，減小召回的成本。

主要的制造業管理流程，也就是智能制造的三鏈，不僅在每一流程內部的各個環節需要無縫連接融合，不同流程之間也將更緊密地交叉連通融合。

如MES作為交叉樞紐，把作為價值鏈業務管理流程和作為知識產權鏈的創新管理流程融合在一起。而數字主線則不僅把知識產權鏈各個環節打通，而且連貫價值鏈和資產鏈的環節，全面收集產品的設計、制造和運維數據，建立產品的數據孿生模型。要實現這些全面性的互聯互通，信息互流互用，僅僅依賴于目前現有的工業軟件的架構，通過多個環節點到點的相互連接整合，不僅工作量大，而且會相當脆弱，難以滿足各流程的全面化的互聯互通。因而，一個新的系統化的、在架構的層次上的解決方案可以說是勢在必行。