【CPS】CPS应用案例集

2019 年 8 月 9 日 产业智能官

电子标准院

石化盈科在石化行业的CPS应用


	石化信息物理系统是智能工厂的基础设施，目的是构建一个以泛在感知和泛在智能服务为特征的新一代石化生产环境。通过将无处不在的传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、信息终端通过PCPS连接成一个智能网络，企业、人、设备、服务之间能够互联互通，并最大限度地开发、整合和利用各类信息资源、知识、智慧。

加快传统制造业转型升级，提高石化行业智能化水平

流程行业CPS是实现流程工业高效化和绿色化的必由之路，是支撑流程型智慧企业研发设计、生产制造、供应链管理、营销服务各业务环节的核心载体。石化行业CPS的技术方案可以归纳为：以人为中心，以数据和模型为驱动，具有信息物理实时监控与自动化控制、信息集成共享和协同、综合仿真和全局优化三项功能，全面态势感知、虚实共变、实时并行计算、知识自动化四个技术特征以及感知层、信息网络层、计算处理层、策略控制层、应用层五个应用层次。

PCPS的四个技术特征分别对应于信息物理系统的四大核心技术要素，在石化数据库和石化模型库的基础上通过状态感知、实时分析、科学决策和精准执行形成的闭环支撑PCPS三大核心功能模块。

石化CPS通过对物理过程进行感知和控制，实现石化信息空间与石化物理空间的无缝结合，其功能分为以下三个方面。

1.信息物理实时监控与自动化控制

石化CPS通过微机电技术、嵌入式技术和传感器等技术，升级为新型的石化智能制造单元，借助传感器网络和通信网络全面感知详细的物理系统和信息系统信息，通过处于分布式控制下的闭环运行系统实时分析并进行科学决策，确保所有参数可控。

2.信息集成、共享和协同

石化行业生产流程中产生海量数据的采集、存储、分析，对石化行业现有的信息化水平是巨大的挑战。实现海量数据流的传输、集成和存储是石化CPS重要功能之一，包括：感知集成分布于石化各业务子系统中的关键信息、全厂工程和设备等图档、视频、移动终端以及过程数据等，并保证不同地域、不同系统、不同业务环节中的信息物理设备能及时获得需要的信息以及远程实时协同分析，并通过决策算法、机器学习发现数据信息的价值，真正实现石化CPS的智能决策和执行。

3.综合仿真和全局优化

石化生产系统过程复杂、参数多、耦合性强、灵活性差，系统运行效率得不到保证，很难实现系统范围内的最优控制。与传统的实时监控相比，石化CPS不仅监控物理世界，它是将物理系统和信息系统作为一个整体进行综合分析和仿真，通过对基于物理设备中嵌入的计算部件感知采集信息进行实时分析，实现对综合生产指标→全流程的运行指标→过程运行控制指标→控制系统设定值过程的自适应的分解与调整，实现系统的全局优化。

依托智能工厂，打造传统行业与信息技术深度融合的新模式、新业态

石化CPS的智能工厂应用架构分为三层：SoS级PCPS、系统级PCPS和单元级PCPS。SoS级PCPS中主要进行决策和采购优化将结果下传到企业，企业据此进行计划和调度优化，计划和调度优化结果再分解到企业各个装置（常减压、催化裂化、连续重整和加氢裂化等），最终利用单元级PCPS中的实时优化系统实现优化目标。

智能工厂PCPS应用，实现了SoS级PCPS、系统级PCPS和单元级PCPS的整体贯通。以某试点企业为例，当市场价格出现波动时，SoS级PCPS根据市场价格变化优化采购和销售计划。系统级PCPS制定全厂计划和调度方案，并将方案分解到各个装置。单元级PCPS根据调度方案进行实时优化，计算出单装置（常减压、催化裂化、连续重整和加氢裂化等）最优操作参数，反馈给SoS级PCPS，使装置在最优操作参数的状态下运行。

建设石化CPS，引领流程工业智能制造发展方向

石化CPS的建设分为3个阶段：理论研究和单元级系统级CPS试点建设阶段、系统级CPS建设提升以及SoS级试点建设阶段、完善提升阶段。

理论研究和单元级系统级CPS试点建设阶段主要进行石化CPS的理论研究，此期间给出了石化CPS定义及理论框架，并在中国石化下属4家试点企业进行了单元级CPS和系统级CPS的建设。此阶段定义了CPS的理论体系，确定CPS是石化智能工厂的基础设施，通过将传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、信息终端连接成一个智能网络，实现企业上下游的互联互通，实现资源的优化配置。试点企业建成多个单元级CPS，包括实时优化（RTO）、先进控制（APC）、装置异常处置等单元级CPS模块，以及基于生产管控、供应链管理、能源管理、设备管理、安全管理和环保管理六大智能工厂业务域的系统级CPS建设。

系统级CPS建设提升和SoS级试点建设阶段，此阶段将试点企业单元级CPS和系统级CPS的建设成果推广到中国石化下属的其他企业，并重点针对供应链优化、大机组监测和工业大数据分析领域进行SoS级CPS的试点建设。

完善提升阶段，此阶段主要进行SoS级CPS的完善和提升，将SoS级PCPS的应用成效推广到中国石化其他的下属企业，同时将PCPS的建设成果总结梳理成可以向其他行业推广的经验成果，为其他行业CPS建设提供参考。

推广意义

我国炼油能力，乙烯、尿素、PX、合成树脂、合成纤维、合成橡胶等多种化工产品产能均居世界前列，但是“大而不强”，亟需产业升级才能真正迈入石油强国行列。石化CPS将新一代信息技术与现有石化生产过程的工艺和设备运行技术以及人进行深度融合，已在中国石化智能工厂4家试点企业的能源领域、设备管理领域、安全环保等领域进行了应用实践。随着石化行业的发展及石化CPS应用研究的深入，石化CPS将在多家试点企业进行推广应用，同时将石化CPS的理论与应用研究成果和经验外延到其他工业行业，使CPS得到更好的发展。

浙江万向在汽车零部件大规模生产领域的CPS应用


	针对汽车零部件行业大规模混合式生产的新模式和需求，以万向精工汽车轮毂轴承单元智能制造工厂为载体，在生产及管理过程中通过实施数字化生产系统和车间物联网，并集成制造执行系统、工厂综合分析优化平台对生产全过程进行数据管理和优化。实现生产过程、生产管理的实时感知和通讯，并转化为数字信息进行分析处理和反馈执行，最终实现汽车零部件产品大规模混合式生产下的质量稳定控制与追溯以及生产全过程优化和智能决策。对加速CPS的技术创新，推动行业实施CPS具有重要的示范作用。

突破传统制造困局，开创行业新模式

汽车及汽车零部件制造作为国家支柱性产业，属于典型的离散型加工装配制造业，根据汽车制造企业混合式生产计划组织的特点，汽车零部件行业生产和管理也必须能够满足大规模混合式生产的需求，其主要特点为：一是按订单生产为主，生产计划制订与任务管理复杂；二是产品型号多样化，产品的设计迭代频繁；三是生产设备及模具等设施运行及管理要求高；四是产品质量要求严格，产品追溯系统复杂。

万向集团作为国内汽车零部件代表性企业，对深化制造业与信息技术融合发展有积极的内在需求和动力。针对以上行业特点以及企业需求，以万向汽车轮毂轴承单元智能制造工厂为载体，实施了一套汽车零部件行业系统级CPS应用体系。

以数据为驱动，实现大规模混合式生产下的产品质量稳定控制与追溯

通过建设数字化工厂并整合行业生产系统的大数据及优化方法，建立一套系统级CPS应用体系，以满足汽车零部件在大规模混合式生产下的产品质量稳定控制与追溯，其具体内容为：

1.搭建全自动轮毂轴承单元数字化生产线和车间物联网系统，实现车间生产设备的互联互通，并实时感知生产过程状态，构建数字化透明工厂。

2.建设大规模混合式生产计划调度系统，均衡生产过程中各种生产资料，在不同的生产瓶颈阶段给出最优的生产排程计划，实现快速排程并对需求变化做出快速反应。

3.建设智能设备管理和优化系统，对车间设备的运行状态实时进行监控与管理，把设备状态与生产情况有效地结合起来。

4.建设质量控制和管理优化系统，通过对生产过程的实时检测、跟踪和控制，实现生产工艺、设备、人员、时间的全过程可追溯。

建设数字化生产系统，引领未来生产模式

案例构建了一套数字化空间与生产系统实体之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环系统，运用数控系统自动控制和传感器自动感知、工业以太网、制造执行软件、工厂分析优化平台等核心技术，满足汽车零部件产品大规模混合式生产下的质量稳定控制与追溯以及生产全过程优化和智能决策，同时提高了车间设备、能源的配置效率，实现了车间资源的最大化利用。

推广船舶行业新业态

随着汽车产业新模式以及人工智能、工业大数据、云计算等技术的发展，传统的汽车零部件制造与服务模式已不能满足当前的需求，以数据为驱动的大规模混合式生产新模式将成为行业的发展方向。万向汽车轮毂轴承单元智能制造工厂以85%以上的智能化关键装备为基础实施系统级CPS，从生产线数据自动感知、管理系统实时分析、优化平台科学决策、生产系统精准执行，实现制造过程数字化、智能化以支撑大规模混合式生产新模式，产品制造精度、环境适应性、可靠性等技术水平达到国内领先，国际先进水平。新模式实施的同时还可对伺服电机及驱动器、数字化控制系统、高精度检验设备、精密传感器、自动化装备等智能装备行业发展产生巨大的带动作用，进一步促进国家产业结构的调整和经济发展。

东风汽车在高效装备制造领域的CPS应用


	东风装备集团构建基于CPS的统一生产排程计划和制造执行系统，为东风装备提供统一的数据采集、数据共享、数据分析平台，提高东风装备各业务数据准确性、及时性和透明性，促进业务数据的有序共享和充分利用。通过采用“一硬”（感知和自动控制）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）这一闭环赋能体系构成的系统级CPS，实现了数字化车间的数据孪生建模，为东风装备管理层提供及时、准确的决策依据。

信息实时交互、打造智能工厂

东风装备公司在其旗下的通用铸锻厂、设备制造厂、刃量具厂、模冲公司等单位中，实施了高级排程系统（APS）、制造执行系统（MES）等解决方案，并与东风装备公司的战术系统（ERP）、设备数据采集系统（EDS）等进行了异构系统的集成，使用先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了信息空间与物理空间中的人、机、物、环境、信息等要素的相互映射、适时交互、高效协同的复杂CPS，为东风装备公司打造了集团级的目视化管理工具，实现了数据采集系统化，为生产管理者提供车间的全局视图和整体监控工具，实现了车间生产透明化，便于企业对过程作业绩效进行有依据的衡量和改进。

以数字化为核心，为装备制造（汽车零部件）保驾护航

东风汽车有限公司装备公司应用APS/MES等解决方案实现系统级CPS，本案例的创新性、先进性主要体现在以下三个方面：

（一）基于智能数据采集盒子等技术实现CPS的状态感知功能。系统通过工业以太网与车间底层设备自动化通讯，自动记录各个设备的故障状况、停机状况和检定周期，为维修部门提供预防性维修计划，减少设备停机时间，保证产品质量，实现了车间设备层面的透明化管理。

（二）通过SCADA监控平台控制系统以及高级排产算法，实现了定时、按单柔性生产、自动下达与分解任务，同时实现了多类型、多种配置的同时排产和共线生产，减少人工操作参与和失误，使全厂具有柔性化生产制造的功能，大幅度提高了生产效率，是CPS实时分析和科学决策的良好诠释。

（三）本案例也使中、高层管理人员从过去听人工汇报为主，到能够实时在线了解各产线生产状态，从而迅速、准确地做出决策。APS/MES与ERP、产品数据管理（PDM）等异构系统实现数据共享与物理连接，实现了规划、生产、后勤保障和资金流的协调一致，使企业的业务流程更高效，在更高的全局层级上实现了CPS的科学决策功能。

建设FlexEngine平台套件，引领装备制造转型升级

本案例的设计与实现，体现了系统级CPS的“一硬、一软、一网”的核心技术，核心技术点分述如下。

1)工业网络与系统服务器架构（一网）

根据业务需求，考虑到系统的扩展性、可靠性，系统服务器架构设计。

2)工业软件（一软）

案例中的APS和MES，是柔性制造核心的制造行业工业软件。

东风装备APS通过考虑设备、工装、刀具、检具、人员、物料、时间等多方面制约因素，实现了有限产能的工序级、设备级高级生产排程。

生产制造执行系统MES联通了设备、原料、订单、排产、配送等各主要生产环节和生产资源，实现了企业生产资源的纵向整合。在柔性制造中，MES系统对单个需求做出生产配送的响应。

3)状态感知及自动控制（一硬）

对于设备的数据采集，通过线边PC机信息扫描录入、机床数据采集（在设备上加载各类传感器，收集各类信号，通过数据转换程序从而实现设备自动采集数据）、ANDON信息采集达成相关数据采集。

打造装备制造业智能制造标杆

东风装备生产制造模式在机械加工行业是典型的多品种、小批量生产特点。该案例的多个子方案中，通用铸锻厂的冲压、铸铁是典型的离散型生产加工特点，低压铸造是典型的流程型加工特点，设备制造厂的机床、焊装、保全属于典型的项目型制造生产特点，刃量具厂属于离散和流程结合的生产加工特点。本案例通过APS/MES解决方案的实施建立柔性化系统级CPS，解决了机械加工行业多品种、小批量，多种制造模式共生的局面，达到了降低成本、提升效益、制造过程透明化、智能化的管理目标，越早在机械加工全行业推广这一案例模式，将会越快使整个行业实现产业升级。

博深工具在轨道交通制动装置质量检测领域的CPS应用


	本案例通过对13个单元级CPS的建设，导入标准协议兼容、物理单元建模、数据互操作、异构系统集成等CPS共性关键技术、实现了在制品全流程的跟踪，生产过程数据的标签化，全流程工艺跟踪、全车间装备和生产信息的在线监测，通过实时的调度装备来控制生产，提升效率、提高生产柔性、提高资产利用率和提高产品产量、改善了生产流程和产品质量，成效显著。

互联互通实现工厂信息全方位打通

高铁闸片作为高铁组的重要消耗性关键零部件需求量较高，出厂合格率要求达到100%，目前该部件的生产模式仍处于手工或半自动化状态，博深工具在行业内率先进行了CPS的应用探索。首先，通过对产品生产全过程中产品质量、设备状态及加工环境的感知来实时采集实际工况的生产信息；其次，通过信息系统对实时工艺参数及加工信息的分析，生成优化策略，为最终决策提供科学依据；最后，通过控制器、执行器等硬件设备实现对决策的精准执行及反馈响应。本案例案通过对生产中的各个智能加工单元有机组网，实现互联互通，构成智能工厂，实现无人生产；物料及产品通过唯一条码标识，实现全程流转追溯，最终实现制造过程的质量防错、追溯、分析及预警等。

CPS助力生产透明高效

本案例目前已经建成有自动化设备群、智能物流、在线检测系统和以MES为代表的信息系统，不仅实现了机器换人，减少劳动成本而且实现了高铁闸片智能化、柔性化生产。通过导入CPS关键技术实现了生产制造流程与物流流程透明、高效、智能的管理，并与设备互相联接通讯，结合大数据、云计算等先进理念与技术手段实现了智能决策、智能调度、智能管理。同时提升了产品的质量，提高生产效率，减少了材料的浪费，具有客观的经济和显著的社会效益。打破国外企业对我国高铁闸片市场的垄断，提供了更优质的产品和服务，推动国内高铁闸片行业的发展。

建设CPS智能工厂实现全过程优化

本案例基于CPS关键技术，实现高铁闸片的柔性生产制造，核心技术点如下：

1）生产信息的实时感知

为生产加工设备加装智能数据采集网关，实现生产设备的IP化和智能化改造，构建成智能生产单元，赋予生产设备通信能力。通过智能数据采集网关可以从设备中读取实时的生产信息，实现现场生产工艺信息和设备状态信息的采集。

2）实时数据的存储

由于设备数量较多，实时采集的数据量庞大，将采集到的实时数据存储到时序数据库，连同时间戳一起存入数据库，作为历史记录保存，以便后续的数据分析使用。

3）数据的分析利用和决策支撑

本案例实时采集的数据包含：AGV运行状态数据和坐标信息、机械臂负载和位置信息、立体仓库堆垛车的运行状态信息、闸片的在线检测质量数据等。通过对实时数据的分析，来判断设备的健康状况、质量的稳定性、工艺的合理性等。

4）智能单元的精准执行

云平台上工业软件经过计算之后给出决策指令，通过智能网关完成指令的下载，实现云平台对智能装备的控制，完成整条自动化生产线的智能化、柔性化生产。

5）生产信息的透明化

建立PC客户端和移动客户端，可在多种终端设备中查看生产信息，通过曲线图、趋势图、柱状图和饼状图等图表，展示设备信息、质量信息和作业绩效信息，让工厂的运营人员及时地、远程地了解工厂的生产情况。

推广意义

在高铁运转的过程中，安全是最重要的环节，闸片的产品质量和技术性能直接影响到高铁的安全运行，其要求非常严苛。产品需要通过CRCC产品认证、装车测试实验后方能成为合格供应商参与投标竞标。闸片在装车运行中如出现任何故障，则下架全线产品，并重新进行CRCC产品认证。博深工具自主研发的高铁闸片制造工艺，通过CPS技术的探索应用，实现产品的实时在线检测，率先完成高铁闸片的智能化无人生产，杜绝生产过程中因为人为干预而造成产品质量的偏差，确保生产系统的高效、稳定和产品质量的一致、稳定，使闸片的安全可靠性得到进一步提升，并且降低了人工成本。使中国高铁闸片产业从跟跑世界同行，到并跑，然后真正领跑世界行业。

西奥电梯在电梯制造领域的CPS应用


	杭州西奥电梯针对电梯行业特点，攻克电梯设计、制造环节之间模型和数据难以互通和集成的难题。基于CPS动态传感、数据采集等技术手段对电梯进行实时监测，及时发现故障，实现对电梯运行过程的远程、实时监测，将故障维修时间缩短，并通过分析关键部件的健康状态和剩余寿命，预测性地对部件进行更换和维护，形成了以智慧指挥中心统筹协调设计、生产、管理、安装、服务各环节的柔性制造模式。此外，通过将现场异构设备快速集成与互联互通，从而实现个性化订单生成、计划排产、生产制造的纵向集成，使得电梯产品在客户选配、设计、计划调度、制造达到了一体化集成，大幅缩短产品的设计、交付周期，有力支撑了高度个性化定制电梯的大规模生产模式。

消除电梯行业运营痛点，打造安全乘梯服务

针对电梯行业目前存在的难题，在现有生产系统的基础上，需要将数据、软件、网络等信息技术与人、机、料等底层制造因素做融合，构建一个数据流动的闭环赋能体系即信息物理系统（CPS）。通过CPS打通电梯从设计、生产计划、到制造的端到端集成，实现设计、制造一体化，减少人为参与，使系统根据用户需求自动生成产品设计图纸、快速转换设备程序，并根据生产单元和生产线的能力，自动调度生产任务。本应用案例从设计、制造、安装到服务的全流程数据采集、分析、监测与诊断，通过对全生命周期数据的积累与分析，优化产品设计、控制参数，并通过对电梯运行过程的远程、实时监测，大幅缩短故障维修时间，并通过分析关键部件的健康状态和剩余寿命，预测性地对部件进行更换和维护，从而减少电梯故障次数，提高电梯安全性和可靠性。

基于数据应用，实现流程剖析再造

电梯智能工厂规划设计的基础网络设施能够实现集中监控、控制、管理和运维并且能够应用于整个工厂业务系统。有线网络建设采用以太网物理接口主导工厂的有线连接，同时采用标准化的实时以太网进行工业现场总线的控制数据和信息数据的同口传输。应用IP技术将工厂级网络向车间级、现场级网络延伸，实现信息网络的IP到底。无线网络主要用于移动类设备及产品信息的采集，包括移动终端的网络连接。结合非实时控制网络Wi-Fi和面向工业过程自动化的工业无线网络WIA-PA，构建工厂无线网络。

电梯订单业务流程新模式、新业态

基于CPS动态传感、数据采集等技术手段对电梯进行实时监测，及时发现故障，实现对电梯运行过程的远程、实时监测，将故障维修时间缩短，并通过分析关键部件的健康状态和剩余寿命，预测性地对部件进行更换和维护，使电梯产品实现了远程监测与智能运行维护的新模式。

电梯制造行业作为离散型特种设备生产制造行业，在CPS的运用及推广上面有着更深远的意义。在订单的快速交付方面，电梯产品订单的全生命周期在各个不同阶段，都可以构建一个个CPS来帮助实现系统目标。通过CPS做出实时分析决策能够保证产品的正常运行同时最优化运维成本，从真正意义上实现并将传统制造模式转型为订单快速交付、服务快速响应的智能制造新业态。

预期社会效益

(一)制造交付周期测算

制造交付周期包括合同计划排产周期1天、合同工程技术图档设计BOM编制周期3天、工艺制定加工路线和制造BOM分解周期1天、采购定价周期2天、原材料采购周期3天、车间加工与装配周期4天、装车发运1天等周期构成，合计为15天，目前缩短为6天，减少60%。

（二）生产效率测算

导入专用折弯与焊接机器人、自动料塔技术、智能检测传感及控制技术、智能物流技术，从原先的人工单机作业建设成为集冲压、折弯、智能检测于一体的自动柔性生产线，将焊接加工从人工焊接生产方式建设成全自动焊接线，生产良品率提高至99.8%，人均生产效率提高60%以上。

（三）产品良品率测算

通过对生产线运行和产品自动检测，并将各项关键检测数据实时发送至品质监控系统，使设备自检率达100%，不合格产品自动筛选、分流返修。

（四）产品研制周期测算

通过深度集成CAD、CAE、CAM、CAPP等应用，实现数据间的自由流通共享。在柔性化设计能量提升方面，通过提高零部件重用性、降低设计变更次数，推进研发过程向产品系列化、零件通用化和功能模块化转变，提高产品快速换型和柔性化设计能力。

（五）公司的运营成本预测

从人员节约分析，通过生产线自动化改造升级，将原有人工操作工序改造成自动生产方式，大幅度节约了直接人力成本，如综合各车间的生产线自动化改造，效率提升和自动物料配送，预计直接人工将超过75人，人力成本节约超过35%。

和利时基于模型的数字孪生运行平台的CPS应用


	工厂万物互联正一步步成为现实，基于建模思想为生产制造过程中的设备、产线、工艺、文件、原料、产品和人等各类实体，分别建立虚拟世界里的数字孪生映射，现实中各实体之间的联系和作用在数字空间中用模型对象及对象之间的关系重构，实现数字化的虚拟生产过程，开启软件定义制造新时代。各类数据的自由流动可以激发出最大化的价值，未来企业信息系统架构的发展方向是扁平化、网络化。通过引入OPC UA用于企业的信息建模、动态交互和通信架构，实施工业信息物理系统CPS，实现ICT与OT的深度融合。

数字孪生运行平台基础要素

数字孪生是CPS中的核心概念，它是一套从微观层面对CPS（软件/硬件）的共性要素进行抽象与汇总的基本抽象单元。它的作用与化学领域的分子结构图和化学方程式相似：一组化学物质的特性可以通过对应的分子模型与化学模型进行定性描述；而在制造领域，一套CPS架构则可通过一组数字孪生的模型进行定性描述。

提升CPS业务定制开发效率的平台

信息物理系统（CPS）是HiaCube平台的核心设计理念，其中心思想是通过CPS的基础特性，构建一套具有丰富多样性的协同化系统。HiaCube平台具备以下核心特性：

（一）异构系统集成（一硬）：通过通讯框架，将不同通讯协议的硬件资源进行整合。

（二）数字孪生模型（一软+虚实映射）：对设备、资产、物料等实体资源以及算法、配方、工作流等虚体资源统一抽象为信息模型。

（三）互操作性（一网+泛在连接）：通过OPC UA解决水平信息协同与垂直信息整合实现CPS互操作问题；水平维度的互操作能够确保不同种类的系统与系统，系统与设备间的协作问题；垂直维度的互操作能够解决IT系统与OT系统间的集成问题。

（四）数字孪生开发环境（一软）：提供一套完整的SDK用于对框架资源进行调度，从而帮助不同行业的设计人员，根据实际项目需求高效的定制相应的数字孪生逻辑。

（五）数字孪生建模与编排工具（业务）：为设计人员与工程人员提供一套统一建模工具，用于定义与编排数字孪生。

HiaCube数字孪生的构建与开发流程

和利时HiaCube平台的整体架构，由以下几部分组成：

基础设施：提供服务部署、管理与运维等基础功能，以及与安全（证书、授权）相关的基础服务。

后台服务：由数字孪生运行平台、数据库、IT业务框架作为平台的基础功能支撑；其中数字孪生运行平台采用OPC UA统一框架作为数字孪生的落地技术，数据库与IT业务框架为互联网中通用的各类技术（如SQL，时序数据库，大数据分析框架等）。

中台服务：通过微服务通讯（如Restful， MQTT）及业务中间件将各个后台程序间的数据、业务进行串联、从而实现IT/OT的融合。

前台应用：为开发者与工程人员及最终用户提供一系列工具及可视化界面；其中设计&开发&工程组态&可视化组态为开发者、行业专家、工程实施人员提供了数字孪生建模、IT业务建模及可视化界面的设计与开发门户；经过上述参与者的开发与工程实施后，便形成了用户应用前台，可供最终用户进行使用。

应用效果

通过HiaCube平台的异构系统集成能力，将各种不同的生产设备、软件系统和工作人员无缝地集成到统一的框架系统中，并借助框架的互联互通特性，实现CPS内各种实体与虚体资源的协同工作，从而构建出多样性的业务场景。HiaCube实现了从工程技术、生产制造、供应链三个维度的综合集成，物流、信息流和控制流高效流动，生产运行管理达到全面数字化、流程化和智能化。

中建钢构在无人工厂领域的CPS应用


	中建钢构基于系统自治技术的H型钢结构制造CPS项目，是在传统制造业面临困境与挑战的背景下提出的面向装配式建筑H型钢结构产业的系统级CPS。该系统集成了高档数控机床与工业机器人设备、智能物流与仓储设备、智能传感与控制设备等先进智能制造设备，建成了国内独创、世界领先的新型装配式建筑结构材料研发、设计、生产及装配一体化的智能工厂。本案例建成后不仅实现了钢结构智能化、柔性化生产，而且提升了产品的质量，提高了生产的效率，减少了材料的浪费，具有可观的经济和显著的社会效益。

以底层数据为基础，建设无人工厂

通过CPS的建设实现了生产制造流程与物流流程透明、高效、智能的管理，通过对加工设备、物流设备、原材料和在制品暂存等多个生产单元的状态感知、信息交互，对所得大量数据进行实时分析、计算、对下料、焊接、组对生产工艺进行优化。经过调整后的工艺直接下达至相关生产单元实现对生产过程的管控，同时生产过程的信息以报表的形式反馈给管理人员直接辅助决策，构建了从感知、交互、分析、决策到精准执行的闭环CPS，实现了对整个系统的智能控制。

通过工业互联网将状态感知、传输、计算与制造过程融合起来，实现对焊接机器人、变位机、叉车式AGV等生产单元之间数据的互联互通，进一步对整个生产过程的实时、动态信息进行分析和控制，实现钢构生产过程中信息可靠感知、数据实时传输、海量信息数据处理，最终实现各组成单元之间的协同控制。

建立无人生产线，引领建筑行业新发展

中建钢构H型钢构无人智能制造生产线具有CPS的全过程管控特性，该生产线由切割加工设备、各类机器人工作站、分拣设备、AGV物流设备和立体仓库等单元组成。该方案中CPS通过打通信息空间和物理空间，实现了更大范围、更宽领域的数据自由流动，实现了各单元级CPS之间的互联互通、协同控制，实现了对生产数据信息的实时分析，实现了经过精准计算判断的辅助决策和资源的优化配置。

（1）以智能单元为单位实现生产的感知和控制

本案例将共同完成一道生产工序的一组或者单台设备定义为一个生产单元，生产单元中的立库、激光叉车、“牛腿”搬运机器人、焊接机器人、变位机自身都装有光电传感器或者力传感器用以感知产品的信息，同时使用控制器来采集这些生产单元的设备运行状态数据和产品的生产工艺数据。控制器根据生产单元内各组成部分的时序逻辑实现本地的控制。

（2）MES作为本方案的大脑实现了对生产的控制

本案例中MES为焊接机器人提供了参数化编程，焊接程序可以通过工厂MES下载和导入任意一台机械手，也可通过现场输入参数的方式生成。根据焊缝坡口形式、坡口角度、焊缝长度、根部间隙、工件规格等参数的输入，编程软件自动生成机器人焊接程序，实现箱型主体焊接程序批量化生产。可实现连续焊缝和不连续多段焊缝同时编程功能。

（3）通过工业PON和工业物联网搭建车间工业网络

本案例在充分理解H型钢构件生产和制造瓶颈的基础上，实现了工业物联网和工业信息网的部署，通过软件和互联互通的方式实现生产的优化。为了追踪H型钢构件的工单的生产进度，对每一个托盘使用RFID做标识，实现零件的流转追溯和工艺管控。通过部署智能网关实现了“牛腿”搬运机器人、焊接机器人、激光叉车、变位机和立库等设备的信息采集和标准协议兼容。

（4）工业云和智能服务平台

本案例应用工业大数据平台，开展工业云服务。通过智能牛顿网关、能效管理系统实时采集车间现场的工控设备及外接传感器等设备的运行状态数据和设备运行环境参数数据，再通过接口协议，将数据完整及时传输到工业云平台的大数据库中，同时通过数据接口，将其他业务系统的数据集成汇总，最后实现通过计算模型和科学分析方法生成H型钢构件的工业云应用功能。

实施成果

通过使用智能化系统、自动化设备，不仅能够实现机器换人，减少劳动力成本而且实现了钢结构智能化、柔性化生产。通过信息系统建设实现生产制造流程与物流流程透明、高效、智能的管理，并与设备互联互通，结合大数据、云计算等先进理念与技术手段实现工厂的智能决策、智能调度、智能管理。通过CPS技术的探索应用，实现了智能终端控制下的自动化生产，并在全局信息化的基础上建立精益生产和精益管理的持续改善机制。

经理论测算，信息化管控水平的提高可以实现产品生产效率提高20%以上、运营成本降低20%以上、产品研制周期缩短30%以上、产品不良品率降低20%以上、能源利用率提高10%以上，大幅度提升产品的质量、提高生产的效率、减少材料的浪费，具有可观的经济和显著的社会效益。

推广建筑行业新业态

中建钢构在无人工厂领域的CPS应用通过使用信息化管理和智能控制，实现了钢结构智能化、柔性化生产和实时精准的辅助管理。本案例的实施既帮助企业完成了业内首个较为完整的钢结构制造智能化工厂建设，带来了可观的经济效益，同时也为行业的智能化尤其是基于CPS技术的信息空间与物理空间融合在钢结构行业的应用实践和实施树立了一个样本示范。

兰光创新在离散制造领域的CPS应用


	北京兰光创新科技有限公司的CPS解决方案是基于十多年数字化车间系统研发的基础上，借鉴工业4.0/智能制造、精益生产等先进理念，通过设备泛在连接与异构集成等先进技术，实现数据在生产设备、信息化系统之间的有序流动，体现状态感知、实时分析、科学决策、精准执行等特点的系统级CPS。该解决方案可提升企业生产过程的智能化、精细化、精益化管理水平，有效促进精益生产在企业的进一步落地。

改变传统粗放型管理构建智能型数字化车间

（1）市场竞争加剧，成本快速上升，倒逼企业转型升级

（2）智能制造等新理念推动企业转型升级

（3）车间已成为企业竞争力短板，亟待改造与提升

数据有序流动，虚实一体化智能生产新范式

该解决方案有三条建设主线：

一是对机床、机器人、测量测试设备等组成的自动化设备与相关生产设施互联互通，实现生产过程的精准执行，这是数字化车间的物理基础。

二是以MES为中心的智能化管控系统，实现对生产过程的数字化、网络化、智能化管控。

三是在设备互联互通的基础上，并以之作为桥梁，嫁接起赛博空间的MES等信息化系统以及机床等物理空间的自动化设备，实现了赛博、物理两个世界深度融合。

六维智能，打造CPS理念的智能工厂

该解决方案以CPS理念为指导思想，根据数字化车间的特点，拓展为连接、管理、控制、协同、优化、交互等六个维度。通过数字化、网络化、智能化等技术手段，建成设备的互联互通以及计划、文档、物料、工具等相关工作协同生产的制造环境，实现了设备等物理实体与信息系统赛博虚体之间的深度融合。

智能互联互通——实体联接赛博

智能资源管理——赛博管理实体

智能生产协同——赛博协同实体

智能计划排产——赛博优化实体

智能质量控制——赛博控制实体

智能决策支持——赛博交互实体

应用效果

（1）设备互联互通，使“哑设备”聪明起来将设备由以前的单机工作的模式，变为数字化、网络化、协同化、智能化的管理模式，实现了设备由“哑”到“智”的质变。

（2）车间各工种协同，实现全面的数字化管理

通过系统中的计划、排产、派工、物料、质量、决策等模块，以信息化为手段，实现了各种信息的共享与协同，做到了车间层面精准的计划、精益的库存、精细的管理。

（3）虚实融合，开启智能制造新模式

改变了传统粗放的制造管理模式，做到了“虚拟世界与物理世界深度融合，虚实精准映射、相互促进”。

（4）机器学习，设备预测性维护助力无忧生产

可在设备重大故障发生前提前预警，便于企业准确的维护，避免因为宕机造成的更大损失，企业实现一种无忧的生产模式。

（5）经济效益明显

使用本系统后，企业日常的管理工作将会得到显著改观，可提升生产效率30%以上。

推广意义

该解决方案适用于航空航天、军工电子、汽车制造、机床装备、工程机械、五金模具等离散制造行业，可以有效解决企业数字化设备互连互通，生产过程的精细化、数字化、网络化、智能化管控等问题，对缩短交货期、提升产品质量、降低生产成本、快速响应市场，实现企业智能化转型升级具有促进效果。

2019年5月，由中国电子技术标准化研究院编著出版了《信息物理系统（CPS）典型应用案例集》，该案例集共收录了28个CPS领域优秀案例，近期将通过本公众号对案例的主要内容进行分享，如对案例内容感兴趣请详细阅读《信息物理系统（CPS）典型应用案例集》。

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