論從工業4.0到能源互聯網

曾樂才

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 工業4.0與工業互聯網

工業4.0被認為是制造業向網絡化、智能化發展的第四次工業革命。在技術層面上,工業4.0以信息物理系統(Cyber-Physical System,CPS)為標志,應用物聯網、互聯網技術,將人、物、服務和流程連接起來,應用于制造業[1]。工業4.0強調制造業的全過程和全方位的資源整合與共享,其本質是信息科技和傳統工業的深層次融合[2]。工業4.0發展如圖1所示。

▲圖1 工業4.0發展

信息物理系統實現產品生產制造管理過程中的信息實時感應、過程動態調節及生產信息綜合服務。

工業互聯網是連接工業全系統、全產業鏈、全價值鏈以支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施,是新一代信息技術與制造業深度融合所形成的新業態和應用模式,也是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體,其本質是以機器、原材料、控制系統、信息系統、產品及人之間的網絡互聯為基礎,通過對工業數據的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析,實現智能控制、運營優化等生產組織方式的變革。

多樣性價值和復雜性成本之間的矛盾是制造業面對的共性問題?；ヂ摼W+制造(工業4.0、工業互聯網、制造業2025)反映的是全球范圍信息經濟全面發展的大趨勢和工業業態升級的現實需求,它的本質是信息化。互聯網+制造的核心有兩方面,一方面是智慧化,另一方面是服務化[3]。工業4.0和工業互聯網的比較見表1[4]。

表1 工業4.0和工業互聯網的比較

工業互聯網平臺可以將云計算、物聯網,以及大數據的理念、架構、技術融入工業生產,如GE的Predix、西門子的MindSphere等。狹義的工業互聯網平臺一般可分為兩大類。一是資產優化平臺,聚焦設備資產的管理與運營,為生產與決策提供智能化服務。二是資源配置平臺,聚焦要素資源的組織與調度,提升資源的匹配效率。廣義的工業互聯網平臺除了具備狹義的內容外,還包括通用使能平臺。工業互聯網平臺類型如圖2所示[5],主要由信息與通信技術企業提供云計算、物聯網、大數據的基礎性和通用性服務。側重云服務數據計算存儲的有微軟的Azure、SAP的Hana、亞馬遜的AWS,以及阿里云、騰訊云等,側重物聯網設備連接管理的則有思科的Jasper、華為的OceanConnect等。此類平臺除了為工業互聯網提供技術支撐外,還廣泛服務于金融、娛樂、生活服務等產業。

▲圖2 工業互聯網平臺類型

工業互聯網平臺從技術角度看,其本質是一個工業物聯網平臺,也就是基于云的開放式物聯網操作系統。工業互聯網平臺一般包括應用層(Software as a Service,SaaS)、平臺層(Platform as a Service,PaaS)、設施層(Infrastructure as a Service,IaaS)、邊緣層。

2 能源互聯網與智慧能源

能源互聯網的定義為以互聯網技術為基礎,以電力系統為中心,將電力系統與天然氣網絡、供熱網絡,以及工業、交通、建筑系統等緊密耦合[6],橫向實現電、氣、熱、可再生能源等的多源互補,縱向實現源、網、荷、儲各環節的高度協調,生產和消費雙向互動,集中與分布相結合。能源互聯網概念架構如圖3所示[7]。

▲圖3 能源互聯網概念架構

在能源互聯網背景下,源包括石油、電力、天然氣等多種能源資源,網包括電網、石油管網、供熱網等多種資源網絡,荷不僅包括電力負荷,還包括用戶的多種能源需求,儲則主要指能源資源的多種倉儲設施及儲備方法。

橫向多源互補指電力、石油、供熱、供氣系統等多種能源之間的互補協調,突出強調各類能源之間的可替代性,用戶不僅可以在其中任意選擇不同的能源,也可自由選擇能源資源的取用方式。

縱向源網荷儲協調主要指兩方面。一是通過多種能量轉換技術和信息流、能量流交互技術,實現能源資源的開發利用和資源運輸網絡、能量傳輸網絡之間的相互協調。二是將用戶的多種用能需求統一為一個整體,使電力需求側管理進一步擴大,成為全能源領域的綜合用能管理,將廣義需求側資源在促進清潔能源消納、保證系統安全穩定運行方面的作用進一步放大。

能源互聯網主要特征是開放、互聯、對等、分享。能源互聯網借鑒了信息互聯網的相關特征,但同時也有區別,雙方在網絡功能、結構、協議、服務、設備、安全、服務對象等方面有類似和不同,見表2[8]。借鑒信息互聯網的發展趨勢,能源互聯網將朝著扁平化、分散式域控制,以及以能量為中心的網絡等方向發展。

表2 能源互聯網與信息互聯網對比

智慧能源是近年來提出的一個新興概念,也是一個開放式的,并且不斷豐富和發展的概念。中國智慧能源產業技術創新戰略聯盟與國家發展和改革委員會能源研究所等單位發布的《中國智慧能源產業發展報告(2015)》[9]認為,智慧能源是應用互聯網和現代通信技術對能源的生產、使用、調度和效率狀況進行實時監控、分析,并在大數據、云計算的基礎上進行實時監測、報告和優化處理,以達到最佳狀態的、開放的、透明的、去中心化和廣泛自愿參與的能源綜合管理系統。綜合智慧能源系統是能源互聯網的重要表現形式[10]。

智慧能源的核心在于信息化與自動化的深度融合,為生產者提供智能的供能方案,為用戶提供智能的能源服務方案。能源互聯互通是以電力系統為核心與紐帶,多類型能源網絡和交通運輸網絡高度整合,具有橫向多能源體互補、縱向源網荷儲協調、能量流與信息流雙向流動功能的新型能源供用體系。

泛在物聯指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互。泛在電力物聯網如圖4所示,這是泛在物聯網在電力行業中的具體表現形式和應用場景[11]。

▲圖4 泛在電力物聯網

泛在電力物聯網將電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備,以及人和物連接起來,產生共享數據,為用戶、電網、發電、供應商、政府和社會服務。泛在電力物聯網以電網為樞紐,發揮平臺和共享作用,為全行業和更多市場主體的發展創造更大機遇,提供價值服務。圖4中的堅強智能電網、泛在電力物聯網共同構建能源互聯網,兩者的融合構成了網絡化、智能化的信息物理系統。泛在電力物聯網不僅是技術的變革,更是管理思維的提升和管理理念的創新,對內的重點是質效提升,對外的重點是融通發展。

微能源網是集能源互聯、轉化、耦合和存儲等功能于一體的小型綜合能源供應系統,如圖5所示[12]。

▲圖5 微能源網

3 信息物理系統及實現方式

工業4.0的核心技術是信息物理系統,如圖6所示。2006年,信息物理系統由美國科學家提出,用以描述復雜產品和系統。作為新一代智能網絡控制系統,信息物理系統在環境感知的基礎上,通過計算、通信、控制(3C)等關鍵技術的有機融合與深度協作,實現現實世界與信息世界的協同和實時交互。信息物理系統的3C協同如圖7所示[13]。信息物理系統應用于工業系統,可以實現實時感知、動態控制和信息服務等功能[14]。

▲圖6 信息物理系統

▲圖7 信息物理系統3C協同

信息物理系統最基本的監測與控制功能邏輯單元如圖8所示。傳感器與執行器是物理和計算世界的接口,控制器根據控制規則來部署監測任務,傳感器將感知信息反饋給控制器,作為控制規則算法的輸入,經過計算得到控制指令,執行器根據控制指令操控物理對象[15]。信息物理系統的基本結構如圖9所示[12]。

▲圖8 信息物理系統最基本功能邏輯單元▲圖9 信息物理系統基本結構

信息物理系統架構可分為感知層、網絡層、認知層、控制層。感知層主要由具有自我感知和執行能力的物理設備組成,如各類傳感器、采集器、終端等,感知用戶感興趣的物理環境及屬性。網絡層的功能是連接物理世界和信息世界,實現數據信息的動態傳輸和實時網絡服務。在信息世界中,認知層對接收的感知數據完成各種計算任務,通過高級建模、分析和推理,更加深入地認識物理世界,并將認知結果傳遞給控制層。控制層形成智能決策并發布遠程指令,控制物理層的設備終端,改造物理世界。

信息物理系統的應用非常廣闊,小到智能家居、智能導航和智能機器人,大到工業過程控制、智能交通、航空航天等?；谛畔⑽锢硐到y與能源領域相融合的能源互聯網,將實現能源生產、傳輸、存儲、分享的協同聯動,重構能源產業價值鏈的新體系[13]。能源互聯網通過感知層、網絡層、認知層、控制層的緊密聯系,實現了能源生產、傳輸、存儲、分享的協同聯動。在能源生產環節中,感知層通過傳感網絡技術與物聯網的不斷融合,利用O2O(Online to Offine)理念,發展新能源與可再生能源的接入技術,推動向可再生能源的轉型。在能源傳輸過程中,網絡層通過電力技術與信息通信技術的結合,傳遞能源和數據信息,并對能源傳輸路徑實現動態優化。在能源存儲方面,認知層基于云存儲的大容量儲能技術,存儲間歇式能源,催生云能源,通過云計算,推動電力系統仿真技術的發展。在能源分享環節方面,控制層利用智能配電網技術,對在線離線數據、配電網和用戶數據等進行集成,實現對系統的監測、保護和配電管理,通過電網調度控制技術,實現可感可控和自我決策,讓能源在網絡中互聯共享。將信息物理系統引入微能源網中,可以更好地實現微能源網之間及微能源網內部多能源之間的耦合互動。

微能源網信息物理系統構架可以簡單分為三層:物理層、網絡層、控制應用層。其中,物理層是系統的基礎和依托,也是系統構架的最底層,由能源網絡及其監測設備、傳感器、執行器等物理組件構成[12]。

美國辛辛那提大學李杰教授提出一個在工業4.0環境下的信息物理系統五層構建模式,連接層進行高效和可靠的采集數據,轉換層進行信息內知識的挖掘,網絡層進行網絡化的內容管理,認知層進行信息識別和決策,配置執行層進行命令傳達和執行[16]。

工業4.0和工業互聯網的建設需要著力突破信息物理系統的瓶頸技術與信息安全關鍵技術,努力打造兩化融合戰略的堅實基礎。此外,標準化建設要先行,工業4.0已制定并發布了標準化路線圖,而工業互聯網聯盟的成立,主要目標之一就是推動所有標準的兼容,發展出一個通用藍圖,使不同廠商設備之間可以實現共享和傳輸數據,進而加快物理世界與網絡世界的融合[4]。

4 數字孿生及應用

數字孿生(Digital Twin,DT)充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備全生命周期過程。

數字孿生是智能制造系統的基礎,包括產品數字孿生、生產工藝流程數字孿生、設備數字孿生。數字孿生模型具有模塊化、自治性和連接性的特點,可以從測試、開發、工藝及運維等角度,打破現實與虛擬之間的屏障,實現產品全生命周期內生產、管理、連接的高度數字化及模塊化。

產品數字孿生指產品物理實體的工作進展和工作狀態在虛擬空間的全要素重建及數字化映射,是一個集成的多物理、多尺度、超寫實、動態概率仿真模型,可用來模擬、監控、診斷、預測、控制產品物理實體在現實環境中的形成過程、狀態和行為?；诋a品設計階段生成的產品模型,在隨后的產品制造和產品服務階段,通過與產品物理實體之間的數據和信息交互,不斷提高自身的完整性和精確度,最終完成對產品物理實體的完全和精確描述。產品數字孿生是由目標、實現方式、數據組成、作用而組成的一個復雜體系,數字孿生將成為產品全生命周期和全價值鏈的數據中心。產品數字孿生的體系結構如圖10所示[17]。

▲圖10 產品數字孿生體系結構▲圖11 數字孿生驅動的故障預測與健康管理

目前數字孿生的研究還處于初級階段。如何通過在虛擬世界中全面映射實際產品的全生命周期過程,如何打通產品研制的數據流,確保模型與數據的唯一性,如何通過在運行維護過程中與信息物理的融合,實現基于數字孿生的產品運維,都需要研究。由此,提高面向產品全生命周期過程的感知反饋、精確控制、精準執行的能力,最終通過不斷迭代使數字孿生無限趨近物理實體[18]。

隨著數字孿生技術的發展,基于數字孿生的產品設計、虛擬樣機、車間快速設計、工藝規劃、車間生產調度優化、生產物流精準配送、車間裝備智能控制、裝配、測試與檢測、制造能耗管理、產品質量分析與追溯、故障預測與健康管理、產品服務系統等方面都將逐步應用數字孿生。

數字孿生驅動的故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)如圖11所示。物理設備實時感知運行狀態與獲取環境數據,虛擬設備在孿生數據的驅動下與物理設備同步運行,并產生設備評估、故障預測、維修驗證等數據。融合物理設備、虛擬設備的實時數據和現有孿生數據,根據需求精準調用與執行故障預測與健康管理服務,可保證物理設備的健康運行[19]。

數字孿生驅動的產品服務系統(Product-Service System,PSS)是一種向消費者提供不同物理產品和服務組合的價值提供系統。產品服務系統在數字孿生的支撐下,通過不同產品服務組合的智能分析決策、快速個性化配置、過程體驗與快速供給等,實現資源的優化配置與融合,有效支持復雜產品與服務生命周期的智能決策提供、快速供給、智能服務、價值與環境分析等。

信息物理系統和數字孿生都涉及物理世界和信息世界,但兩者并不完全相同。對于信息世界,信息物理系統和數字孿生各有側重點,數字孿生側重于虛擬模型,為一對一映射,而信息物理系統更強調3C功能,映射關系為一對多。借助虛擬模型,數字孿生提供了更加直觀和有效的手段,可以補充和豐富信息物理系統的組成和功能,因此可將數字孿生視為構建和實現信息物理系統的必要基礎,兩者各層次結構的對比如圖12所示[20]。

▲圖12 信息物理系統與數字孿生對比

5 結束語

互聯網+是全球范圍內信息化經濟發展的一個大趨勢,互聯網+制造、互聯網+能源等在國內外已經成為熱點,反映制造業、能源領域等與信息化融合的內在需求,如何推進實現深度融合是相關參與者面臨的共性課題。

未來全球產業將朝著數字化、網絡化、智能化方向發展,將形成以智能設備、智能分析、智能決策、智慧服務、高效低耗為特征的產業生態體系。我國需要重點突破四個方面的發展瓶頸。一是加強頂層設計,制定統一的數據格式、設備接口等標準,為全行業跨領域實現低成本高效率的互聯互通奠定堅實基礎。二是加快發展具有自主知識產權的高端傳感器、工業控制系統等智能設備與軟件,為建立起安全可靠的信息物理系統奠定堅實基礎。三是集中突破高端芯片、操作系統等信息通信產業核心關鍵產品,為信息與網絡安全保障能力的提升奠定堅實基礎。四是開發高級智能的數據挖掘軟件,打通產業與消費的供需渠道,為數據安全與數據價值挖掘奠定堅實基礎[4]。