5.2 管理复杂的系统

2020年07月26日 374 本文共2222字,预计阅读时间7分钟

产品以及其相关的制造系统变得越来越复杂。这是由于功能的增加、产品用户特定需求增加、交付要求频繁变化、不同技术学科和组织日益融合、以及不同的公司之间合作形式迅速变化的结果。

建模可以作为一种手段管理这一日益复杂的系统。模型代表与正在考虑的问题有关的真实或假设的情景。模型的使用是数字世界的一个重要战略,对于工业 4.0 来说也是至关重要的。。

两类模型之间有着根本的区别:

  • 规划模型提供了工程师创造价值方面的透明度,从而使复杂系统的建立成为可能。规划模型的一个例子是由工程师通过示意图来解释,他或她如何实施适当的功能,以满足系统的要求。因此,该模型包含工程师的知识。
  • 解释性模型描述现有系统,以通过模型获得这一系统的知识。这通常需要采用不同的分析方法,如仿真。例如,它可以用来仿真计算一个工厂的能源消耗量。解释性的模型通常用于验证工程师的设计选择。

数字世界通过规划模型对现实世界的设计产生重要影响,而现实世界也通过解释模型影响数字世界中模型的使用。

模型通常包含形式化描述,这意味着它们可以通过计算机处理,让电脑接管日常工程任务,如执行计算或其他重复性工作。因此,模型的好处之一是它们允许体力工作实现自动化,并在数字世界状态下加以执行,而此前这些工作是在现实世界中操作的。

模型提供了巨大潜力,不仅用于工业 4.0。例如,它们允许在一个项目中通过早期检测错误或早期验证系统的要求和提出的解决方案来满足这些需求,减少风险。或者,他们可以提供一个透明的信息流,通过增强跨学科合作和促进更一致的工程数据,实现高效工程。

解释模型描述了现实世界中的交互和行为,不仅在开发和设计阶段起到验证作用。在未来,它们将主要部署在生产阶段,以检查生产运行平稳,检测磨损,无需停止生产或预测组件故障和其他干扰。

挑战

特别是在中小企业,仍然无法基于模型模拟使用标准的方式来配置和优化制造工艺。工业 4.0 的一项主要挑战是在更广泛的工程领域提高对模型潜力的认识,提供工程师方法和工具,使其能够在虚拟世界中使用适当的模型来描述真实世界的系统。(参见第 5.6 章)

有某些情景下(如化学物生产过程中的相互作用)不存在合适的模式或很难将他们描述为一个正式的模型。

与不明确使用模型相比,为工业 4.0 开发明确的模型在初期需要较高的资金支出。这是因为一种可以降低后期成本的增值活动被提到早期阶段。这立即引起了建模是否具有成本效益的问题。答案显然是要看它针对的是何种业务。在高产量行业(如汽车行业)或有严格安全标准的行业(如航空电子2行业),公司更有可能接受较高的初期投入。如果它们只生产小批量或个性化产品,则不太可能这样做。在这方面,客户的具体活动费用、客户无关的活动费用的比例,也起着重要作用。模型成功的关键是它们应符合成本效益,并且得到有效应用,不只是用于设计阶段, 而且也能用在随后的阶段,包括操作。

建模与仿真只能由合格的专家来实施。因此重要的是,有关企业应给这些专家提供合适的职业机会。目前,机械工程行业中小企业的员工,谁被认为在这个领域是合格的,往往很大程度上被视为“怪人”。

最后,一个全面的方法应是为工业 4.0“引进来”模型。首先,这将需要对产品和制造系统综合考虑,既要为他们配备模块化的设计,又要确保不同学科的参与(如制造工程,自动化工程及 IT)。其次,实际发生在工厂的开发、工程和制造工艺等过程也必须全面地考虑到。最后,建模需要高效的软件工具,进行优化和调整提供必要的功能,使它们能与现有的工具和流程集成在一起,并使其与推广战略相一致。

图 11: CPS 平台参考体系示例

建议采取的行动

工业 4.0 工作组建议在工业 4.0 平台下成立一个工作小组, 专门处理与建模管理复杂系统有关的问题,特别是在制造工程领域。工作组的职权范围应包括以下任务:

  • 有代表性的调查应瞄准建模领域最迫切的要求,以缩小这种非常广泛的学科领域,集中到执行中最重要的方面。
  • 最佳实践应实现共享,尤其是在中小企业间,以在从业者和决策者之间宣传建模的重要性。潜在的主题可包括模块化、虚拟新创企业或数字工厂。此外,应安排适当的活动,讨论进入壁垒和迁移策略(参见由专业协会所做的一项调查要求提供的更多信息,第 2 章)。还应为相关组织和专家团队提供协调服务,作为一个一站式服务点为(潜在的)用户回答模型建设问题。
  • 工作组应鼓励工具用户建立共同的用户群体,工具制造商(产品经理,建筑师)和培训人员,以期通过参与其中,更好地相互了解对方情况。根据工业 0 主要供应商,重点应该以“机器及设备制造”为目标用户群,为工具制造商提供一个平台,提供满足他们的需求最佳解决方案(如集成,端对端能力,缺点和潜力)。最好能邀请特定工程工具的用户群,参与相关的议题。
  • 此外,工作组应该建立适当的指导方针和行动建议。

除了平台的活动,在建模和系统工程方面应作出有针对性的努力,提供培训及持续职业指导(CPD)。这既为年轻工程师提供适当的培训,也为经验丰富的工程师提供适宜的持续职业指导措施。培训的内容应专门面向制造企业的要求(见第 5.5 和5.6 章)。

工作组还建议建立适当的旗舰项目,部署和测试现有的建模方法和工具,以说明在不同情况下建模的价值(工程与操作,大规模生产与小批量或个性化产品,制造业与加工工业,内部设计制造与公司间合作生产,生产与物流等)。