智能制造的“核心”——CPS的发展

发布时间：2016-06-17 www.cechina.cn

　　美国国家标准与技术研究院（NIST）是美国政府振兴制造业战略的牵头单位，“先进制造国家计划办公室”（AMNPO）就挂靠于此，“先进伙伴关系”（AMP）、“国家制造创新网络”（NNMI）等战略计划都由NIST协调，因此，其对智能制造开展的研究可以说直接反映了美国政府对于智能制造的定位、需求，以及发展重点。
　　1.项目概述
　　为实现“智能美国”的目标，美国商务部国家标准与技术研究院的工程实验室（EL）智能系统分部和制造系统集成分部在2013年一起主持了一系列“智能制造”项目，其战略目标是通过先进测量科学为下一代制造提供使能技术，实现智能制造。项目的研究重点是加速前沿智能技术在美国先进制造领域的开发、应用与集成。
　　EL将通过延伸测量科学的界限、扩展当前测量与试验能力的范围，实现以下4个具体目标：面向智能制造和CPS应用，安全地增加智能机器人、自动化技术的多功能性、自主性以及快速任务重分配能力；实现智能制造系统的实时监测、控制和性能优化；通过先进制造工艺和设备，实现复杂、新产品的快速、敏捷和经济生产；促进复杂制造和建设网络中的工程信息系统的直接集成，提升产品、工艺的性能。
　　此外，针对智能制造的“核心”——CPS的发展，NIST于2012年3月资助了“信息物理系统创新基础”研讨会，识别美国在CPS创新与竞争上的前沿技术壁垒以及知识缺口，提出了面向21世纪的战略研发机遇。波音、范德比尔特大学、联合技术公司、霍尼韦尔、福特公司等是NIST委员会成员。2014年6月，NIST成立了CPS公众工作组（PWG），帮助定义并形成CPS研发的关键方面，加速其发展和实施。该工作组由5个初始小组组成：词汇与参考架构、使用案例、时间和同步、信息安全与隐私、数据互用性。
　　2.要点分析
　　NIST并没有提出智能制造的完整发展计划与路线，只是组织并承担了相关项目的研究工作，但这些项目定位清晰、需求明确，可以说代表了美国的重点技术研究方向与标准化目标。对于智能制造来说，主要的研究重点是：智能制造系统、机器人、增材制造、CPS，其中CPS并不在“智能制造”项目的研究范围内。
　　“智能制造”项目对基础的软硬件技术并无太多涉及，研究集中在通过先进测量技术进行集成应用上。在该项目中，对智能制造系统的研究则较为全面，涉及设计、建模、分析、控制、集成与安全等，包含使能技术、方法工具与保障手段。
　　3.CPS战略研发机遇
　　“信息物理系统创新基础”研讨会提出了CPS发展愿景、变革思路和挑战，包括在智能制造中应用的挑战。同时，研讨会也提出了在4个方面的战略研发机遇，它们涵盖了CPS的设计、开发、实施和使用。
　　（1）CPS发展的挑战
　　CPS发展的5个技术主题：可靠、安全和牢靠的系统；网络化、协同、与人交互的系统；跨越数字-物理界限的工程；CPS的架构与平台；教育、劳动力、培训和技术转化。
　　（2）CPS的战略研发机遇
　　CPS战略研发机遇包括4个方面：科学和工程基础方面，面向系统、基础结构的牢靠、有效的设计和构建；系统性能、质量和接收（系统工程）方面，面向计算、物理系统的性能与质量保证提升；应用开发与部署方面，面向有效、可靠的系统集成与互用性；CPS持续创新的劳动力方面，面向动态、多学科教育与培训。
　　（3）智能制造中的CPS应用挑战
　　实施CPS的部分重大挑战包括经济可承受性、网络集成以及工程系统的互用性。绝大多数企业在进行企业和工厂层级的智能制造投资论证时都遇到过困难，改变制造结构、组织和文化的过程非常缓慢，这妨碍了CPS技术的集成。前数字化时代的控制系统很少被替换，因为它们还能用，用CPS革新这些现有的工厂是困难且昂贵的，在新工厂设计中加入CPS则是更可行的。此外，挑战还包括：生产管理缺乏标准工业手段而导致软件的定制化或人工手段的使用，而且对于非同类的控制和通信系统还需要一个统一的理论。