赛博物理系统描绘航空制造业新蓝图

　　航空制造业具有技术密集度高、产业关联范围广、两化融合程度深的特点，处于装备制造业的高端位置。在新一轮工业革命浪潮下，各国普遍将航空制造行业列入重点应用领域。赛博物理系统（CyberPhysicalSystems，CPS）技术作为新一轮工业革命的核心技术，正在有力地推动在协同开发、智能生产、敏捷服务等领域构成新型集成化应用范式，引发了工业界的广泛关注和研究。在这类大背景下，加强CPS技术在航空工业运用的分析和研究显得尤为重要。

　　GPS是工业4.0的核心技术

　　从工业1.0到工业4.0，每次工业革命的背后都有一项核心使能技术：

　　第1次是蒸汽机；第2次是电气化；第 次是电子和信息技术；第4次则是CPS技术。

　　CPS技术本质上是一种集成创新技术：多项新兴技术融入到1个复杂系统后，系统产生了新的技术特征，具备了更强大的创新驱动力。互联+的应用、智能产品和服务等都是这类集成创新模式最早获得的应用成果。这种由从要素创新过渡到集成创新的发展方式，正是第4次工业革命和前 次工业革命的最大区别

　　GPS的演进和发展

　　CPS的概念最早源自于几十年前的嵌入式系统。在工业4.0的背景下，用系统之系统的视角重新审视CPS的演进和发展，将会得到更加深刻的认识。

　　图1描述了CPS的演进过程：从嵌入式系统到机械系统、电机一体化，再到现在的络化CPS。在CPS的每次演进中，系统都增加了新的元素，这使得系统产生了新的特征，带来了生产力的巨大提升。如今的CPS呈现出了络化的新趋势，这些CPS可能是异域、异类和异构的，多个CPS通过络连接为1个新的CPS，形成了系统之系统（SystemsofSystems,SoS）的全新架构，使得系统具有了络通讯、全部或部分的自治能力。CPS的5C架构和特点分析CPS是使技术系统具有智能特征的核心所在。智能本来是人的固有特点，技术系统如果要具备智能特点，就必须具有辨识、适应和执行的能力。围绕技术系统的智能化特征，结合如图2所示的CPS的5C架构，对CPS的内涵进行以下分析。

　　连接层（Connection）：着重突出灵巧的特点，能够按照SOA的思想，实现装备的即插即用；被连接的对象包括装备、人、物料和软件服务等，能够借助无线和传感络，实现对它们的自动连接和自动感知。

　　转化层（Conversion）：能够从大量的制造数据中，分析和提取出有价值的信息，其背后的支持技术是数据发掘和数据分析技术；可以建立起万物的信息关联模型，用于分析和预测装备健康、产品性能等。

　　赛博层（Cyber）：最重要的是建立系统中每个组件的数字双胞胎，其核心技术是基于模型的技术；当物理世界发生变化时，数字模型也能够跟随变化，这需要连接层和转化层提供支持。

　　认知层（Cognition）：能够基于仿真和综合推理，诊断出系统中的潜在风险环节，并提供决策支持和参考；能够通过远程可视化，提供协同工作环境，快速发现系统中的问题。

　　配置层（Configration）：系统和系统中的组件能够针对外界的变化做出快速和自主的调剂，具体体现为面向弹性的自配置、面向变化的自调剂、面向干扰的自优化。

　　航空工业CPS的架构分析

　　CPS由物理空间和赛博空间组成。从系统的组成来看，CPS必须依托1个物理实体（或业务层次）存在，即在物理实体（或业务层次）上增加了一些新的要素。物理实体（或业务层次）是1个分层的结构，每个层次都对应1个CPS，上层的CPS由下层的CPS构成，这些CPS可以是异域、异类、异构的。从系统的组成元素来看，CPS包含4个基本要素：计算单元、总线单元、传感器、驱动器，其中计算单元和总线单元构成了赛博空间，传感器和驱动器构成了物理空间。

　　图 给出了航空工业CPS的详细解读。在中航工业智能制造的架构中，定义了企业联盟层、企业管理层、生产管理层、控制履行层共4个层次，每个层次都可以看做1个CPS，前两层重点是要提取业务智能，后两层重点是要提取制造智能。

　　在企业联盟层，计算单元包括供应链管理软件、服务支持管理软件等，总线单元是基于互联和内部的云平台，传感器是企业消息通信服务，驱动器是流程引擎和服务调用；在企业管理层，计算单元包括产品生命周期管理软件、企业资源计划管理软件等，总线单元是基于内部的企业服务总线，传感器是生产消息通讯服务，驱动器是流程引擎和服务调用；在生产管理层，计算单元包括生产运行管理软件等，总线单元是基于内部的制造服务总线，传感器是设备消息通讯服务，驱动器是流程引擎和服务调用；在控制履行层，计算单元主要是嵌入式软件，总线单元是基于工业控制络的现场总线，传感器是物理存在的传感器和标识器，驱动器是数字控制驱动器及其配套的机械动力装置。

　　应用CPS技术的工作方法

　　01基于模型的系统工程

　　系统工程是应对复杂系统或产品开发的最佳方法，能够理想地应对进化式开发和系统复杂性。近年来，中航工业在系统工程应用方面，基于逻辑开放式的标准体系和建模语言体系，以模型为中心，构建多专业多学科的共同语言，实现连续的验证能力，从需求动身，走向正向工程创新驱动。

　　智能制造系统是更复杂的系统，基于模型的系统工程方法一样也适用于智能制造系统的规划和建设。需要依照系统生命周期4个阶段（需求、功能、逻辑和物理）开展工作，针对CPS在智能制造领域的应用，按照流程重点思考：需求是什么？必须怎么做？应该怎么做？如何能实现？依照系统工程的方法，建立航空制造智能的成熟度评价体系，已成为当前实行航空工业CPS的重要任务之一。

　　02复杂组织体架构

　　复杂组织体架构方法也是应对复杂系统设计的一种科学方法，与基于模型的系统工程方法有很多类似和可结合之处。复杂组织体架构从业务架构入手，深入到应用架构、技术架构和数据架构，在充分分析现状的基础上，科学设计未来蓝图和演进路线图。

　　中航工业在CPS运用方面已设计了包括企业同盟层、企业管理层、生产管理层和控制执行层的4层架构，下一步应当继续深入采用复杂组织体架构方法，应对各层次的管理复杂性，面对CPS的所有应用场景，用“5W1H”的方式来描述完全概念，构建不同视角，解决企业战略、管理和执行各层面的完整性、系统性问题。

　　航空制造系统是一个复杂的系统，在航空工业应用CPS技术的工作需要使用架构方法进行指导，从系统之系统的视角剖析CPS的技术架构；务必坚持问题牵引、需求导向的方针，应用系统工程的方法展开各层次CPS的需求分析、规划设计和建设工作，着重在生产管理层和控制执行层提取制造智能，在企业联盟层和企业管理层提取业务智能。