名家｜打造基于CPS理念的智能MES系统

大家好！感谢主持人的介绍，非常高兴有这个机会与大家一起交流。

今天，我以《打造基于CPS理念的智能MES系统》为题，谈一下本人对CPS的基本认识以及基于CPS理念在数字化车间方面的实践，不当之处请大家批评指正。

一，CPS是企业实现智能制造的重要抓手

CPS的3C模型

CPS源于美国，却因德国工业4.0而风靡全球。CPS在我国也得到高度重视，在《中国制造2025》中明确强调：“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”，CPS已经成为智能制造的核心支撑技术与重要抓手。

2017年3月1日，工信部正式发布《信息物理系统白皮书（2017）》（以下简称“白皮书”），白皮书中对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述，并对CPS进行了三个层次的明确划分，即单元级、系统级、SoS级（系统之系统），分别以“网”、“平台”为标准，从功能范围上界定了CPS的分级。白皮书的发布对CPS在中国的快速发展起到了积极的推动作用。

白皮书对CPS三个层次的划分

笔者经过深入研究后认为，这种划分只是从横向上进行了一维的定义，在指导落地方面尚显不足，还应该从其他维度进行定义与划分，通过多维度定义、组合、演进，将CPS进行进一步分类，简化其复杂性，降低其落地难度，形成更多易于落地的解决方案，从而更好地指导、促进智能制造的发展。

 为此，笔者从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS，并衍生出九种CPS落地方案的方法，称之为“CPS二维九格定义法”。

CPS二维九格定义法

上面纵向的三个智能等级是依据笔者共同编著的《三体智能革命》一书中的定义，请见下图。

通过以上划分，我们就可以发现CPS在制造业的应用潜力是巨大的，下面举三个例子。

 恒定智能/单元级：如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化，基于知识的决策，在较小载荷的情况下自动增大进给速率，在较大载荷的情况下又会减少进给速率，达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点，并且具有不可再分割的特点，所以是一种恒定智能/单元级系统。这类CPS在智能产品中有很广阔的应用场景。

恒定智能/单元级：机床自适应切削系统

恒定智能/系统级：如智能车间/产线。通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、工业大数据分析与可视化展现，并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理，设备、物料、质量等出现问题时，系统会自动通知相关人员，甚至自动进行声光电等报警措施，实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策（准确地说，这里是部分自主决策，有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策）与精准执行，实现了设备等物理世界与MES等赛博世界的深度融合，可以算是一种典型的恒定智能系统级CPS。这种级别的CPS是智能制造中性价比较高且较易实现的CPS系统,是制造业应该重点关注的领域。

恒定智能/系统级：智能车间/产线

开放智能/SoS级：系统既具有自认知、自学习等高级智能特点，还具有多系统协同优化的特点，典型的如GE的PREDIX系统等。这是非常复杂、高级的SoS级CPS系统，这类系统具有很好的先进性、前瞻性，但对制造业而言，具有技术难度大、投资大、风险大等特点，建议制造业学习其先进理念，但不要盲目追风。

开放智能/SoS级：工业互联网

二，从6个方面打造基于CPS理念的智能MES系统

兰光创新自2002年成立以来，一直致力于数字化车间建设，在航天航空、军工电子、机械制造等行业有500多家客户，在CPS方面也做了很多的探索。下面与大家一同分享一下。

首先，德国工业4.0中的纵向集成实质上就是一套虚实融合的系统级CPS。

工业4.0中纵向集成的全称为“纵向集成和网络化制造系统”，是工业4.0的基础，这三部分实质就是一个虚实融合（设备物理实体与信息化赛博虚体）系统级的CPS系统，也可以称之为广义上的智能MES系统。

其次，兰光智能MES系统将以上理念完全体现在软件系统中。

在领先的数字化车间解决方案的基础上，结合工业4.0等先进理念，兰光创新在国内首次提出了“六维智能理论”，即从6个维度的“智能”打造中国特色的智能MES系统：智能计划排产、智能生产过程协同、智能设备互联互通、智能生产资源管控、智能质量过程控制、智能大数据分析与决策支持。

“六维智能”模型

以前，我们都是从MES角度讲解“6维智能”，今天我们用CPS的视角分析一下，兰光创新是如何基于CPS理念打造智能MES系统的。

 1）智能互联互通——实体联接赛博

通过实施设备物联网系统，将车间中的机床、机器人、AGV、热处理设备等数字化设备实现互联互通，包括加工程序的网络化传输、设备状态的远程自动采集、工业大数据智能化分析与可视化展现，生产设备由信息化孤岛变为一个个信息化节点，物理设备融入到赛博空间，构成了一个设备级的CPS系统，这是智能MES的物理基础。

2) 智能资源管理——赛博管理实体

通过MES系统对生产资源（物料、刀具、量具、夹具等）进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等管理，在赛博空间实现对物理空间的库存进行精益化管理，有效地避免因生产资源的积压与短缺，可最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误，也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本居高不下的问题。

3) 智能生产协同——赛博协同实体

早在2009年，兰光创新就提出协同生产的理念，通过信息化手段，以设备为中心，工人、库房、技术、检验等相关人员并行准备、协同生产，这样，通过智能化的生产协同管理，将串行工作变为并行工工作，从而明显地减少设备等待时间，提升了设备的利用率，缩短了产品生产周期。

包括象杨明波总著作《数字化工厂+工业维修服务体系》中所强调的，工业维修服务中的设备备件及维修人员的共享及协同等，也都是赛博协同实体的具体应用。

4）智能计划排产——赛博优化实体

通过APS高级排产算法，按照交货期、同一订单优先等多种排产方式，将每一道工序、分解到每一设备的每一分钟，可最大程度地减少交期延误，以及最大程度从整体上提升设备的有效利用率。只有从源头上做到计划的优化，才能保证生产过程的有序、高效。

5) 智能质量控制——赛博控制实体

通过对熔炼、压铸、热处理、涂装等数字化生产设备进行数据采集与智能化管理，对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等功能，可实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制，确保产品生产过程完全受控。

6) 智能决策支持——赛博交互实体

通过对生产过程中的设备、生产、质量、库存等多维数据的采集、分析、挖掘、展现，为各类人员提供科学、直观的各类图形、报表，在赛博空间实现对物理实体的同步展现与人机交互。

由于兰光MES模块众多，功能庞大，我们这里只是从6个方面以点带面地对CPS的一些理念进行了阐述。

我们通过进一步研究可以发现，在CPS视角中，兰光智能MES中的6个动词分别是联接、管理、控制、协同、优化、交互，如果用英文表达，可分别使用Connect（联接，包含通讯、采集等技术内容，也包含物与物的联接，如物联网，人与人的联接，互联网等，都属于联接范畴），Manage（管理），Optimize（优化），Collaborate（协同），Control（控制），Interact（交互），首字母可组合为COMICC，笔者称之为CPS COMICC模型。CPS传统的3C模型(Communication（通讯）、Computing（计算）、Control（控制）)总体上停留在技术层面，没有体现联接、管理、优化、人机友好等层面的含义，相对3C模型，笔者认为COMICC模型内容更丰富，应用场景更清晰，对制造业有更强的落地指导性。

CPS COMICC模型

兰光智能MES系统正是在以上理论的指导下，结合企业的实际情况，经过多年潜心研发而成，已经在众多单位得到成功应用，并荣获“2016年度工业大数据十大创新引领”、“2016年度中国工业软件优秀产品奖”等荣誉。实践证明，CPS这些理念对数字化车间及MES的建设是非常重要的，也是很有指导意义的。

三，结束语

以上是笔者对CPS的一些浅显的理解及具体实践，希望对大家有所启发。

笔者相信，随着大家对CPS认识加深与实践的深入，作为智能制造核心支撑技术的CPS，必将在中国智能制造转型升级中发挥越来越重要的价值。

谢谢大家！ 

（文章转自微信公众号《兰光创新》，原作者为兰光创新董事长朱铎先先生，转载请注明原作者和来源，本文工业4.0俱乐部推荐阅读！）

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