“工业4.0”战略中CPS系统的挑战与前瞻

何廷润

【摘 要】论述了德国“工业4.0”战略的内涵和目标，提出了CPS（信息物理系统）是实现“工业4.0”战略核心技术的观点，分析了实现CPS系统所面临的诸多挑战及其未来的发展前景。

【关键词】“工业4.0” “两化”融合 CPS系统 物联网 智能制造

1 前言

2014年3月，国家主席习近平访问德国时提出了当前全球新一轮科技和产业革命呼之欲出的观点，而且重点提到了德国“工业4.0”战略。这实质上是希望通过提升工业领域的智能化和信息化水平从而升级国内的工业体系，作为强化国家优势的战略选择，这与我国的“两化”融合战略不谋而合。

德国“工业4.0”战略中的核心技术是CPS（信息物理系统），CPS技术的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展的网络，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。就CPS技术而言，当前仍存在着严峻的挑战。

2 美国“先进制造伙伴计划”和德国

“工业4.0”战略

早在2007年，美国总统科学顾问委员会在其提交的《面临挑战的领导地位》的科技前瞻性报告中提出，将CPS技术列为8个重点科技领域之首，从此引起了全世界的广泛关注。在这之后，美国先后制定了“重振美国制造业框架”、“先进制造伙伴计划”和“先进制造业国家战略计划”，并设立了国家增材制造创新中心、数字制造和设计创新中心等先进制造技术研发创新中心，之后又提出了工业互联网的概念，并由美国国家标准研究院牵头组织产业界制定工业互联网的标准架构，组建了工业互联网联盟。

2010年德国联邦政府制定的《高技术战略2020》中提出了“工业4.0”战略，2013年6月德国汉诺威国际工业博览会展出了“工业4.0”的样板，2014年“工业4.0”再次成为德国汉诺威国际工业博览会的中心话题。德国将“工业4.0”作为强化国家优势的战略选择，2014年4月，德国电气电子和信息技术协会发布了“工业4.0”战略的标准化路线图。德国“工业4.0”战略的核心是以智能制造为主导的第4次工业革命或革命性的生产方法，采用信息通讯技术与网络空间虚拟系统——信息物理融合系统CPS（Cyber-Physical Systems）相结合的手段，实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，推动制造业向智能化转型。德国“工业4.0”战略强调，未来工业生产形式主要包括：在生产要素高度灵活配置的条件下大规模生产高度个性化的产品，顾客与业务伙伴广泛参与到业务过程和价值创造过程中来，以及生产和高质量服务集成等。

在我国，装备制造业是制造业的脊梁，是国民经济的支柱产业，全球需求结构的变化对我国装备制造业的发展造成了较大的冲击，推动装备制造业转型升级已进入关键阶段。2014年9月，工信部部长苗圩指出：“两化”融合是新一轮科技革命和产业变革的制高点，是信息技术和传统产业相互交汇的必然趋势，要充分发挥物联网在“两化”融合中的重要作用，加快物联网在工业控制领域的应用。因此，德国“工业4.0”战略与我国“两化”融合战略具有很高的契合度。

3 CPS（信息物理系统）是“工业4.0”

的核心支撑技术

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS）作为计算进程和物理进程的统一体，是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。CPS是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化信息物理系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环机制实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。CPS也是一个分布式的异构系统，不仅包含了许多结构和功能各异的子系统，而且这些子系统可以分布在不同的地理空间内。CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。在此基础上，2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统列为重要的研究项目。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键信息技术，其中CPS位列首位。在CPS研究上扮演着重要角色的美国国家科学基金会（NSF）也认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将改变人们与物理世界的互动。欧盟计划从2007年到2013年在CPS系统技术研究上投入超过70亿美元，期望在2016年成为CPS系统的世界领袖。

由于CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体进行通信以及相互作用，淡化了现实世界与虚拟空间的界限，给信息世界与物理现实世界之间的相互作用关系带来了根本性变化，被称为是“工业4.0”的“实现技术”。未来，CPS技术在工业生产与国民经济生活中的基础性、全局性作用会日益增强，因此CPS（信息物理系统）成为实现“工业4.0”的核心技术。

4 CPS（信息物理系统）技术面临的挑战

当前，CPS系统发展面临的挑战包括以下4个方面：

（1）不同系统间协同处理的挑战

一是必须处理物理系统与计算系统之间的协同关系。CPS在面向物理环境感知时，具有空间和时间上的关系，所以计算系统必须保证在事件处理、决策和控制时是准确和实时的，确保在物理系统控制和操作的空间和时间上的正确性。

二是必须处理物理系统与信息网络系统的协同关系。信息网络系统实现了无处不在的通信接入，使得物理设备能够进行信息交互。所以，必须建立物理系统和信息网络系统之间的协同模型，定性和定量地分析物理系统和信息网络系统之间的协同关系。endprint

三是必须处理计算系统与信息网络系统的协同关系。由于物理系统中物理设备的安全性、面向对象性和可靠性需要和通用的计算系统中的部件存在着本质上的差异，因此必须研究物理系统的动态性、计算的离散性和时序性，重构计算和信息网络的抽象体系。

（2）CPS建模与模型融合的挑战

一是CPS建模需要刻画计算进程与物理进程之间如何交互以及融合时所表现的行为。典型的CPS建模需要考虑到物理环境、软硬件平台和网络模型以及需要进一步考虑软件调度、网络延时、功耗等一系列功能与非功能的因素。

二是由于CPS既包含物理部件又包含计算部件，因此CPS系统牵涉到多种不同类型的计算模型。由于计算进程采用的是离散的逻辑时间，而物理进程采用的是连续的物理时间，计算世界里的事件通常指的是消息、异常或者中断，而物理世界的事件可能指的是位置、形状以及状态等物理属性的变化。如何在统一的框架下使用多种计算模型来同时对CPS进行建模是CPS领域的一大难点。

三是建模语言。传统的建模方式在计算部件的建模方面有着较强的优势，有研究者已经扩充了已有领域模型的语义，在原有模型的基础上支持针对CPS特性的建模，但描述CPS的不确定性方面尚存漏洞。

（3）CPS中集成的挑战

一是异构组件的集成。如何设计灵活的接口来支持不同异构组件的即插即用模式，以及如何支持组件间的自适应组合是研究热点之一。

二是方法的集成。CPS涵盖许多领域，由于每个领域都有自成体系的一套模型、语言与方法，提取异构系统之间的共性技术用于CPS的开发非常困难。

三是工具的集成。CPS的设计与开发需要一套完整的工具链来全面支持CPS的建模、分析、综合以及各计算与通信组件的设计、开发与部署。

（4）CPS验证与测试的挑战

不同异构组件的组合使得CPS的行为极为复杂，作为使命与安全攸关的系统，CPS需要经过充分的验证与测试，以确保系统设计满足各方面的要求。但目前尚缺乏该领域的成熟案例。

5 “智能制造”的发展前瞻

未来以CPS为核心技术的“智能制造”是经济增长的亮点，是下一次信息化技术革命的浪潮。未来CPS将以人类无法想象的形式，对人类生命安全、工作效率、生活舒适度、健康水平等做出贡献。CPS涉及各行各业，是一个庞大的综合性、复杂性系统，所以对CPS的研究必须着眼于现在，展望于未来数十年或更长时间进行的系统设计、构造、实现、优化和跟踪。

德国已经将推进“工业4.0”作为国家战略的一个重要环节。2014年4月，德国电气电子和信息技术协会已经发布了“工业4.0”的标准化路线图。2014年8月，德国联邦政府2014～2017年的数字议程专门强调加强网络基础设施，为“工业4.0”提供动力，目标是在2020年让德国成为CPS的主要市场。德国发达的嵌入式系统、CPS的有关技术与经验，将为德国工业引领“工业4.0”提供极佳的机遇，使德国成长为CPS相关领域的全球市场领袖。预计至2025年，德国的CPS技术在智能制造、智能电网、网络化的机动性、远程治疗以及远程诊断等领域取得明显的成就。

我国工业和信息化部部长苗圩指出：必须紧跟新一轮产业互联网浪潮，推动互联网与工业的深度融合，加快转型升级，实现弯道超越，打造新的竞争优势。2013年，工业和信息化部发布了《信息化和工业化深度融合专项行动计划（2013-2018年）》，其中特别指出要深化互联网在工业中的应用，推动中国制造向中国创造转变，其目标是实现制造业服务化、定制个性化、组织分散化、制造资源“云化”，从而加快互联网与工业融合模式的创新及应用推广。

6 结束语

CPS是实现“工业4.0”战略的核心技术，是物联网产业的科技前沿，是以智能制造为代表的物联网产业发展的基础和后盾。因此CPS的有关成果和经验，将为我国引领“两化”深度融合与发展提供极好的机遇与借鉴。

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