我們談物理世界和數(shù)字世界的融合，就是要把通訊和計(jì)算技術(shù)深入地與物理實(shí)體融合，例如將馬達(dá)、閥門這樣一些基本的零件單元，與物理感應(yīng)和效應(yīng)有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成信息物理系統(tǒng)（CPS， Cyber－Physical System），為這些系統(tǒng)提供柔性化的能力，通過(guò)軟件的迭代發(fā)展，不斷地改善和增強(qiáng)功能和性能。（可參見(jiàn)工信部信軟司指導(dǎo)發(fā)布的《CPS白皮書》）

圖1 工業(yè)4.0管理殼與物理信息系統(tǒng)（CPS）

信息來(lái)源：德國(guó)工業(yè)4．0平臺(tái)

德國(guó)工業(yè)4．0在這方面作了深入的工作 ，非常值得關(guān)注。工業(yè)4．0為這樣一個(gè)信息物理系統(tǒng)單元，也就是工業(yè)4．0組件，制定了通用的架構(gòu)和界面，也就是RAMI4．0所定義的管理殼（Administration Shell）。

每個(gè)組件都有全球唯一的身份， 通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)界面，可以唯一性地被辨認(rèn)和訪問(wèn)。每個(gè)組件的屬性不管是其功能和性能的規(guī)格，配置、控制和狀態(tài)參數(shù)等都用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型（manifest）表達(dá)。對(duì)每個(gè)組件的交互也通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)界面（component manager）進(jìn)行。不管是一個(gè)CPS單元組件，還是一個(gè)裝備、一條生產(chǎn)線，甚至一個(gè)工廠，都可以通過(guò)這樣一個(gè)統(tǒng)一的界面來(lái)定義和交互。

還可以想象，不僅在一臺(tái)裝備里，而且在一條流水線上，在一個(gè)車間中，這些大大小小的信息物理系統(tǒng)連接交互，形成了一個(gè)小型的互聯(lián)網(wǎng)，其功效之強(qiáng)大，現(xiàn)在難以估量。如果成為一個(gè)開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)界面，這樣一個(gè)通用界面也將打破不同的私有界面的壁壘，大幅度地提高系統(tǒng)融合的效率，也為在制造環(huán)境里的創(chuàng)新建立了一個(gè)良好的框架。

CPS是數(shù)字化制造的一個(gè)非常重要的里程碑。

數(shù)字化制造也可以看作為建立在信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把設(shè)備實(shí)體、生產(chǎn)資源、流程、系統(tǒng)和人員連接起來(lái)，通過(guò)全面信息化轉(zhuǎn)型，以數(shù)據(jù)分析生成可執(zhí)行（actionable）的信息，優(yōu)化制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能工廠和新的制造生態(tài)系統(tǒng)。

作為對(duì)制造流程信息化討論的背景，本文給出了智能制造的三鏈模型，也是對(duì)制造業(yè)管理流程的數(shù)字化提出的三鏈模型。

盡管不同的制造細(xì)分行業(yè)，同一細(xì)分行業(yè)不同的企業(yè)，這些流程會(huì)有差異，作為一個(gè)概括，可以把重要的流程分為三大鏈：第一鏈，垂直的，是以ERP為首的價(jià)值鏈；第二鏈，水平的，是以PLM為主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈；第三鏈，也是垂直的，是資產(chǎn)鏈。

圖2 智能制造的三鏈模型

價(jià)值鏈，是回答生產(chǎn)什么、在什么時(shí)候生產(chǎn)、生產(chǎn)多少的問(wèn)題，包括了從產(chǎn)品訂單，到生產(chǎn)計(jì)劃、材料與供應(yīng)、制造、交付與分銷、及最后的客戶支持的整個(gè)業(yè)務(wù)管理流程，關(guān)注如何優(yōu)化這些環(huán)節(jié)，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。

管理流程要解決的問(wèn)題，除了保證成本、效率、質(zhì)量這些傳統(tǒng)生產(chǎn)要素能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)之外，還必須縮短交付周期、提高資源效率、和保障可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量柔性制造，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。

對(duì)大型或高價(jià)值裝備的制造商，在這個(gè)價(jià)值鏈的下游，有這樣的一個(gè)機(jī)會(huì)，即如何利用企業(yè)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部技術(shù)的深度把握，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，在預(yù)測(cè)性維護(hù)和資產(chǎn)績(jī)效管理方面，為客戶提供增值服務(wù)，不僅為企業(yè)創(chuàng)造新的營(yíng)收來(lái)源，也為企業(yè)的業(yè)務(wù)模式提升轉(zhuǎn)型，從單一的產(chǎn)品銷售模式向服務(wù)型模式、甚至成效型模式過(guò)渡提供了一個(gè)良好的機(jī)遇。

這個(gè)流程中，我們不僅需要繼續(xù)將依賴于報(bào)表式的手工管理方式提升為完全數(shù)字化的過(guò)程（至少對(duì)部分企業(yè)而言），而且還要關(guān)注如何把所有的環(huán)節(jié)無(wú)縫整合，自動(dòng)交互，動(dòng)態(tài)地響應(yīng)客戶和市場(chǎng)的需求。

第二鏈，是回答怎樣生產(chǎn)的問(wèn)題，關(guān)注如何優(yōu)化從產(chǎn)品設(shè)計(jì)，到流程規(guī)劃、生產(chǎn)工程、和制造的創(chuàng)新管理流程，如何在越來(lái)越短的周期里推出更多樣的、更為高新和尖端的產(chǎn)品。

位于價(jià)值鏈與知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈交叉點(diǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），是將知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)價(jià)值的樞紐，它管理的對(duì)象是作為制造業(yè)企業(yè)資產(chǎn)的核心的生產(chǎn)能力和資源，對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值起著舉足輕重的作用。MES在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)籌管理生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行、設(shè)備使用的績(jī)效、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、生產(chǎn)過(guò)程的追溯、工人的排班和激勵(lì)等多個(gè)方面。它所關(guān)注的是在車間的場(chǎng)景里如何對(duì)生產(chǎn)人員、設(shè)備、物料、能源的生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、精準(zhǔn)的、優(yōu)化的配置和調(diào)度，高績(jī)效、高質(zhì)量、低成本地完成生產(chǎn)任務(wù)。由于其管理對(duì)象包括實(shí)體生產(chǎn)資源，MES與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在多個(gè)應(yīng)用方面相關(guān)性最直接，將與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施相互配合，相互增強(qiáng)。

主要關(guān)注在裝備部署和投產(chǎn)后，如何優(yōu)化其運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，以最低的成本，產(chǎn)生最佳的成效。

這也是在制造業(yè)外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要場(chǎng)景，如上文提到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、采油設(shè)備等等。（當(dāng)然，對(duì)于設(shè)備組件制造商，交付的下游是其它的制造商，而不是裝備運(yùn)營(yíng)商。）

正如價(jià)值鏈一樣，知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈各環(huán)節(jié)之間也需要無(wú)縫整合，讓數(shù)據(jù)按需要在產(chǎn)品生命周期的過(guò)程中暢通地流動(dòng)，從設(shè)計(jì)，到制造，到運(yùn)維，甚至一直到退役報(bào)廢回收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字主線（digital thread）就是這樣一個(gè)使能數(shù)據(jù)流動(dòng)的連接和融合框架。如在離散制造的MBE過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)完全基于三維的設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、工藝設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維的產(chǎn)品全生命周期管理，避免傳統(tǒng)過(guò)程中把三維的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成二維的工藝，然后再去制造三維的產(chǎn)品這種在中間環(huán)節(jié)之間繁瑣和不可靠的轉(zhuǎn)換。

這個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，不僅僅是一個(gè)靜態(tài)的模型，它反映了每個(gè)產(chǎn)品，或裝備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，使用和維護(hù)的完整歷史。利用每一個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)模型，可以在其生命周期內(nèi)通過(guò)仿真，更有效地評(píng)估其當(dāng)前和未來(lái)的性能。這不僅對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)績(jī)效，而且對(duì)根據(jù)產(chǎn)品使用的數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝都具有十分重要的價(jià)值。

圖3 數(shù)字主線

整合產(chǎn)品生命周期功能環(huán)節(jié)， 集成數(shù)據(jù)， 建立產(chǎn)品數(shù)字模型（數(shù)字孿生）

另外，數(shù)字孿生能夠提供對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有效的追溯，特別是當(dāng)產(chǎn)品因質(zhì)量問(wèn)題需要召回時(shí)，能追溯到影響每一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量具體因素，因而可以精確的決定召回的范圍，減小召回的成本。

主要的制造業(yè)管理流程，也就是智能制造的三鏈，不僅在每一流程內(nèi)部的各個(gè)環(huán)節(jié)需要無(wú)縫連接融合，不同流程之間也將更緊密地交叉連通融合。

如MES作為交叉樞紐，把作為價(jià)值鏈業(yè)務(wù)管理流程和作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈的創(chuàng)新管理流程融合在一起。而數(shù)字主線則不僅把知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)打通，而且連貫價(jià)值鏈和資產(chǎn)鏈的環(huán)節(jié)，全面收集產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)孿生模型。要實(shí)現(xiàn)這些全面性的互聯(lián)互通，信息互流互用，僅僅依賴于目前現(xiàn)有的工業(yè)軟件的架構(gòu)，通過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)到點(diǎn)的相互連接整合，不僅工作量大，而且會(huì)相當(dāng)脆弱，難以滿足各流程的全面化的互聯(lián)互通。因而，一個(gè)新的系統(tǒng)化的、在架構(gòu)的層次上的解決方案可以說(shuō)是勢(shì)在必行。