制造系統(tǒng)的PEC模型

解光偉

摘要：制造系統(tǒng)模型是認識制造系統(tǒng)最為直觀的方式，也是構(gòu)建制造系統(tǒng)和改善制造系統(tǒng)能力的基礎。隨著工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣，智能制造和數(shù)字化工廠逐漸成為制造系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。制造系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要比傳統(tǒng)的4M1E更加系統(tǒng)化的模型，它能夠更好地描述制造系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聯(lián)系，更好地體現(xiàn)制造系統(tǒng)的運行方式和機理，能夠更好地解決系統(tǒng)性的復雜問題和結(jié)構(gòu)性問題。一個好的制造系統(tǒng)模型既可以解釋過去也能夠預測未來，解釋過去的發(fā)展進程，指導未來制造系統(tǒng)的構(gòu)建。

Abstract： Manufacturing system model is the most intuitive way to understand manufacturing system. It is the basis for building manufacturing system and improving the capability. With the promotion of Industry 4.0 and Industrial Internet， the intelligent manufacturing and digital factory has gradually become the development trend. The intelligent and digital transformation of the manufacturing system requires a more systematic model than the traditional 4M1E model， which can better describe the internal structure and connection of the manufacturing system， better reflect the operation mode and mechanism， and can better solve the complicated problem and structural issues. A good manufacturing system model can explain both the past and the future， explain the past development process and guide the construction of the future manufacturing system.

關鍵詞：PEC模型;制造系統(tǒng);工業(yè)革命;智能制造

Key words： PEC model;manufacturing system;industrial revolution;intelligent manufacturing

中圖分類號：TH165? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0184-03

0? 引言

一直以來，人們都是通過人、機、料、法、環(huán)5個要素來認識制造系統(tǒng)。這種方式便于分析制造系統(tǒng)的組成要素，因此它也成了解決生產(chǎn)過程中異常問題和構(gòu)建新制造系統(tǒng)的標準模型。在解決生產(chǎn)過程中的具體問題時，4M1E模型發(fā)揮了極大的作用。但系統(tǒng)要素只不過是基礎的構(gòu)成元素，真正對制造系統(tǒng)的性質(zhì)和能力起決定性作用的是其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系。因此對于制造系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聯(lián)系的解析和認識方式更為關鍵。尤其在當下，面對新一輪工業(yè)系統(tǒng)變革所帶來的制造系統(tǒng)智能化與數(shù)字化轉(zhuǎn)型，重新認識制造系統(tǒng)也許可以幫助企業(yè)找到正確方向[1-2]。

1? 制造系統(tǒng)PEC 模型

1.1 提出PEC模型

以人體為例，人體是由肌肉、骨骼、內(nèi)臟、大腦等構(gòu)成。據(jù)此，人們可以清晰認識身體的各個組成部分。但人體也是由運動系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等構(gòu)成。而以此來看，人體就成了一個功能完整的有機體。它的運行方式、控制原理和生理機能都可以清晰地體現(xiàn)出來。

制造系統(tǒng)也是如此，4M1E模型無法描述制造系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聯(lián)系。而制造系統(tǒng)應該也存在一套其他維度的模型來表示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聯(lián)系，體現(xiàn)其運行方式和機理[3-4]。從整體視角來觀察制造系統(tǒng)，一種基于功能維度的系統(tǒng)模型展現(xiàn)出來，即PEC模型，如圖1所示。P表示產(chǎn)品系統(tǒng)（Product system），E表示能量系統(tǒng)（Energy system），C表示控制系統(tǒng)（Control system）。

1.2 PEC模型的說明

產(chǎn)品系統(tǒng)是產(chǎn)品相關要素及其屬性的集合，是制造行為的規(guī)范標準，也是制造系統(tǒng)運行的最終目的。它不只是原材料、產(chǎn)成品，還包括相關的產(chǎn)品標準。產(chǎn)品的本質(zhì)不是實物，而是定義產(chǎn)品的標準的集合。

能量系統(tǒng)是制造行為的集合，是制造過程中所涉及的各種形式的能量傳遞與轉(zhuǎn)化的實體和過程，如電力、設備、工具和人員等能量要素以及機加工、電鍍、裝配等能量轉(zhuǎn)化的過程。能量系統(tǒng)包括人力能量系統(tǒng)和非人力能量系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是制造信息的集合，是指產(chǎn)品實現(xiàn)過程中指令信息與狀態(tài)信息的傳遞與處理所涉及的實體和過程，包括需求控制、生產(chǎn)控制、供應控制等。控制系統(tǒng)就如同人體的神經(jīng)系統(tǒng)，它控制著所有制造活動和過程，調(diào)節(jié)著生產(chǎn)系統(tǒng)的運行。

PEC模型所描述的基本過程為：在控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)品系統(tǒng)（輸入）經(jīng)過能量系統(tǒng)后形成新的產(chǎn)品系統(tǒng)（輸出）。在經(jīng)過能量系統(tǒng)之前，產(chǎn)品系統(tǒng)主要是指輸入的原材料和產(chǎn)品標準。當它經(jīng)過能量系統(tǒng)之后，就會轉(zhuǎn)變成最終產(chǎn)品和客戶滿意狀態(tài)。在圖1中，產(chǎn)品系統(tǒng)與能量系統(tǒng)之間的實線代表著物質(zhì)流，也是能量轉(zhuǎn)化與傳遞的過程和產(chǎn)品狀態(tài)發(fā)生變化的過程。圖中的虛線代表著信息流，是信息傳遞和控制的過程?？刂葡到y(tǒng)決定著產(chǎn)品系統(tǒng)實現(xiàn)過程的時序、速度和方式，其有效程度關系著生產(chǎn)制造系統(tǒng)的效率和可靠性。

2? 工業(yè)革命的解釋與預測

2.1 第一次工業(yè)革命的解釋

1785年，瓦特改良的“萬能蒸汽機”第一次取代水車驅(qū)動紡織機運轉(zhuǎn)，開啟了第一次工業(yè)革命的大門。憑借澎湃的蒸汽動力，英國成為人類歷史上第一個完成工業(yè)化的國家。顧名思義，第一次工業(yè)革命是一場工業(yè)的革命。那么工業(yè)發(fā)生了什么本質(zhì)性改變，才使得人類經(jīng)濟社會發(fā)生了翻天覆地的巨變。從根本上來說，第一次工業(yè)革命解決了困擾人類幾千年的一個大問題：如何生產(chǎn)足夠多的產(chǎn)品[5]。

按照制造系統(tǒng)PEC模型的機制，要想獲得更多的產(chǎn)品，能量系統(tǒng)就必須可以提供足夠多的能量。而瓦特的蒸汽機為工業(yè)生產(chǎn)提供了遠超人力的澎湃動力，從而使得工業(yè)生產(chǎn)的總量急速增加，大規(guī)模生產(chǎn)方式得以實現(xiàn)。第一次工業(yè)革命的本質(zhì)在于制造系統(tǒng)中的能量系統(tǒng)出現(xiàn)了巨大的發(fā)展，能量系統(tǒng)的“體量”取得了巨大飛躍。

2.2 第二次工業(yè)革命的解釋

由于蒸汽動力的精度、可控性和便利性都存在著嚴重的缺陷，因此無法實現(xiàn)更高水平的制造過程。而電氣動力既有巨大的體量，也可以做到極為精細的程度?！熬殹钡碾娔艿某霈F(xiàn)催生了大量新“功能”產(chǎn)品。從第二次工業(yè)革命開始，人類可以大規(guī)模地制造自然界本來沒有的“功能”。以前的產(chǎn)品無非是衣服、鞋子、刀劍等滿足人類生存的基本需求。之后的產(chǎn)品類型迅速擴大至電燈、電話、汽車、留聲機等。而這些產(chǎn)品的新“功能”徹底改變了人類的生活方式。

從制造的角度來看，電氣動力最大的優(yōu)勢在于其極為優(yōu)秀的可控性。其輸出的能量可以直接用于改變產(chǎn)品系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，即精密零件加工和原料生產(chǎn)。自從英國化學家戴維使用電解法分離出金屬鈉之后，人類掌握制造原材料的新技術，例如電解鋁、電解銅。人類可以大規(guī)模低成本地制造鋁和銅等金屬材料意義非凡。可以說整個電氣時代就是建立在鋁和銅等材料的基礎之上。此外，與蒸汽動力系統(tǒng)相比，極小的體積和無需不斷增加燃料等優(yōu)勢極大地增加了電氣動力系統(tǒng)的應用范圍?？偠灾?，電能在精細程度、可控程度和便捷性上要遠超蒸汽能量，即電氣動力系統(tǒng)的“品質(zhì)”明顯地優(yōu)于蒸汽動力系統(tǒng)。因此，電氣技術變革才能催生出不亞于蒸汽機的第二次工業(yè)革命[7]。

2.3 第三次工業(yè)革命的解釋

上個世紀四五十年代，人類又經(jīng)歷了一場以計算機和通訊技術為基礎的第三次工業(yè)革命。信息技術革命的根因并不是它改變了人類交流的方式，而是其徹底改變了制造系統(tǒng)，從而使得人類可以制造出芯片、電腦、手機等這些前所未有的產(chǎn)品以滿足人類全新的生活方式?？梢哉f，如果沒有計算機和通訊技術，人類根本無法研發(fā)和制造如此復雜卻又如此高品質(zhì)的產(chǎn)品。

計算機控制技術的應用，極大地提升了能量系統(tǒng)的精準度，使得高精度的零件加工和高純度的原材料生產(chǎn)成為現(xiàn)實。通訊技術在工業(yè)領域中的應用，使得人類對于制造過程的控制和協(xié)調(diào)能力取得了極大的進展。制造系統(tǒng)的運行速度、成本和質(zhì)量都得到了成倍的提升。制造系統(tǒng)對于市場變化的快速響應變得更加敏捷。產(chǎn)品的更新?lián)Q代節(jié)奏前所未有，制造系統(tǒng)已經(jīng)與用戶聯(lián)系在一起了[7]。

而這些就是控制系統(tǒng)的作用。控制系統(tǒng)作為獨立的實體逐漸完善，它作為制造系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”開始發(fā)揮作用，為制造系統(tǒng)的高效運行保駕護航。因此，可以說第三次工業(yè)革命的成果是“控制系統(tǒng)”變革所帶來的。

以上我們用PEC模型解釋了工業(yè)革命之所以是工業(yè)革命的原因。這也反過來證明PEC模型的正確性和合理性。同時也表明PEC模型在高緯度、系統(tǒng)性現(xiàn)象的解釋上具有一定的優(yōu)勢。PEC模型能夠解釋過去，那么它能不能預測未來呢？

3? 預測未來的變革方向

3.1 第四工業(yè)革命的預測

在制造系統(tǒng)的發(fā)展過程中，能量系統(tǒng)的發(fā)展模式是從小到大，從量變到質(zhì)變。蒸汽機引發(fā)的第一次變革完成了能量系統(tǒng)體量的飛躍，電氣化引發(fā)的第二次變革實現(xiàn)了能量系統(tǒng)精準應用的飛躍。在經(jīng)過了20世紀的第三次制造系統(tǒng)變革后，PEC模型中的控制系統(tǒng)得到的極大的發(fā)展。但它還沒有實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。它應該會像能量系統(tǒng)一樣，經(jīng)過“體量和精度”的兩次變革才能得以完善。

理論上，控制系統(tǒng)包括感知系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。第三次工業(yè)革命是信息技術革命，實現(xiàn)了對信息的高效傳輸和處理。據(jù)此推測第四次工業(yè)革命可能發(fā)生在剩下的兩個領域：工業(yè)態(tài)勢感知和綜合智能決策。前三次工業(yè)革命的技術是隔代的，相比前一代，后一代的技術是劃時代的。電氣技術超越了蒸汽時代人們所能理解的范圍，信息技術也超越了電氣時代人們的想象。同樣的，第四次工業(yè)革命所應用的工業(yè)技術也應該是劃時代的。

從制造的角度來說，雖然不能確定當前流行的人工智能、超信息化、量子計算、可控核聚變和生命技術等技術是否會引發(fā)第四次工業(yè)革命。但可以確定的是其必須徹底改變“控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)制造系統(tǒng)的工業(yè)態(tài)勢感知和綜合智能決策?；蛘哒f一切可能使得制造系統(tǒng)飛躍的方向都有可能是第四工業(yè)革命的趨勢[8-9]。

3.2 未來制造的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是對由物理層抽象出來的信息集合進行處理的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過狀態(tài)信息掌握制造系統(tǒng)的狀態(tài)，又通過控制信息對系統(tǒng)狀態(tài)進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的控制。對控制系統(tǒng)的分析和建模會極大地提升我們對制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行機理的認識。此外控制系統(tǒng)還可以對制造系統(tǒng)進行模型化重構(gòu)和結(jié)構(gòu)化解析。例如，不需要對生產(chǎn)線上的設備、工具和人員進行實際地分配和組合，根據(jù)已知信息預先就能夠?qū)Ω鞣N生產(chǎn)要素進行需求解析，合理地配置產(chǎn)品-機器-人員的組合。

信息層發(fā)生于物理層又反作用于物理層，信息層既可以分離于物理層又能夠透視物理層。簡單地說，在構(gòu)建控制系統(tǒng)時，物理-信息架構(gòu)必須能夠?qū)崿F(xiàn)物理層與信息層的分離、整合與再融合。這是制造系統(tǒng)新一輪變革的關鍵途徑。無論是工業(yè)4.0還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都必須符合這一規(guī)律或?qū)崿F(xiàn)這一過程才能將工業(yè)制造推向新的高度[11]。現(xiàn)在幾乎所有的ERP、MES等工業(yè)軟件都只具備對制造系統(tǒng)和過程進行記錄、提示、存儲和匯總等工具性的功能。它們只是物理層的附屬，并沒有徹底地將信息層分離于物理層并將其構(gòu)建為一套真正意義上的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)最終形式將會是制造系統(tǒng)的“虛擬鏡像”。因此，很難講沒有明確以構(gòu)建控制系統(tǒng)為核心框架的工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就一定是第四次工業(yè)革命[10]。

4? PEC模型的應用展望

以往，在構(gòu)建一座工廠或者一條生產(chǎn)線時，一般是將工廠或者生產(chǎn)線按照4M1E將其分解成人、機、料、法、環(huán)等要素，逐項設計和配置，最終組合成一座工廠或者一條生產(chǎn)線。但是這種組合方式無法體現(xiàn)物理信息系統(tǒng)的層次，也無法體現(xiàn)如何規(guī)劃信息傳遞與控制方式。未來在構(gòu)建一個制造系統(tǒng)時，也許按照PEC模型更為符合智能化和數(shù)字化制造系統(tǒng)的要求。

按照PEC模型，應該將一個工廠或者生產(chǎn)線分解為產(chǎn)品系統(tǒng)、能量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個獨立系統(tǒng)來設計，然后再將其三個子系統(tǒng)融合成為一個整體制造系統(tǒng)。產(chǎn)品系統(tǒng)的設計包括物料與產(chǎn)成品規(guī)劃、標準與客戶需求設定。能量系統(tǒng)設計包括工具設備規(guī)劃、工藝流程設計。控制系統(tǒng)設計包括狀態(tài)信息的感知設計、信息分析和智能決策的系統(tǒng)規(guī)劃以及控制指令的執(zhí)行設計。然后將三大子系統(tǒng)鏈接到一起，形成一個以控制系統(tǒng)為中樞的工廠或生產(chǎn)線。當然這個過程需要借助先進的制造工程技術和制造信息技術[11]。

未來的制造形式不僅僅表現(xiàn)在自動生產(chǎn)、智能制造和數(shù)字工廠，更是一種“有意識”的互聯(lián)生產(chǎn)方式?？刂葡到y(tǒng)脫離物理層是新一代制造系統(tǒng)的設計前提。PEC模型將控制系統(tǒng)提煉出來與未來信息化的制造系統(tǒng)相得益彰，也能更好地指導規(guī)劃設計工作[12]。

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