图解工业4.0的核心技术

王喜文

摘 要：CPS概念最早由美国国家基金委员会于2006提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮。用以实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。

关键词：CPS；信息世界；物理世界

“工业4.0”的实质是基于信息物理系统（CPS）实现智能工厂，最终实现制造模式的变革。

CPS概念最早由美国国家基金委员会于2006年提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮。CPS主要指Computing、Communication、Control的融合。

信息世界指工业软件和管理软件、工业设计、互联网和移动互联网等；物理世界指能源环境、人、工作环境、局域通信以及设备与产品等。

CPS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、可扩展并且安全高效的CPS网络，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。CPS概念从上世纪80年代的嵌入式系统演变而来。经历1990年的泛在计算、1994年的普适计算、2000年的环境智能，直到2006年才发展成为信息物理系统。

据资料显示，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。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月美国发布《美国竞争力计划》，将信息物理系统CPS列为重要的研究项目。

根据英国电气工程师协会（U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备，机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机等通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，因此设计人员能对其进行优化，减小尺寸降低成本。

一旦基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间发生相互作用，必将诞生全新的系统功能性世界。例如智能手机囊括许多应用和服务，已远远超出设备本身的通话功能。由于全新的划时代应用和服务的提供商不断涌现，渐渐形成新价值链，所以CPS也将对现有业务与市场模式带来范式上的转变。

CPS是实现了多个软件对多个硬件控制的网络。其中网络功能主要实现控制目的，利用物联网、传感器的无线连接和感知功能，实现进一步管理和控制。

在“工业3.0”时代，传统的自动化系统是封闭的，许多嵌入式设备并未预留外部接口。“工业4.0”在自动化的基础上，通过网络功能对嵌入式系统进行扩展，使得汇集计算、通信和控制能力于一体的CPS成为智能工厂的核心。

中国科学院何积丰院士曾经指出：“CPS，从广义上理解，就是一个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物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环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一个物理实体。”

工业4.0进一步丰富了CPS的3C融合概念。在计算、通信和控制的基础上，增加了内容（Content，语义分析）、社群（Community，协同合作）与定制化（Customization，个性化定制）。即从3C到6C反映了制造业思维和制造业模式的变革。6C条件下的智能工厂通过网络协同制造，可实现全产业链的智能生产，实现生产的自律调整，生产出智能产品。

同时，6C条件下的智能工厂可以实现可视化生产，预测性制造管理。传统的制造过程中存在许多无法定量的因素，包括加工过程中的设备性能下降、零部件的突发故障、残次品的返工等。通过可视化实时监控生产数据，掌控不确定因素，使得智能工厂管理者能够客观评估制造和设备的使用状态，并通过管理实现预测性制造，起到降低成本，提升运行效率，改进产品质量的作用。

目前所说的制造业信息系统，首先强调CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAM （Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）等工业软件和PPS（生产计划控制系统）、PLM（产品生命周期管理）等信息化管理系统。主要应用于由上而下的集中式中央控制系统。

而“工业4.0”通过CPS实現生产工艺与信息系统融合，体现了生产模式从“集中型”到“分散型”的范式转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成为可能。同时，分散型智能利用代表了生产制造过程的虚拟世界与物理世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥着重要的作用。

未来，生产设备不再只是“加工”产品，取而代之的是智能化的生产设备通过网络形式紧密地联接在一起，而产品则通过网络通信向生产设备传达如何采取正确操作。更具动态性和灵活性，能挖掘更多优化的可能，提高生产效率。

CPS连接了信息世界与物理现实世界，使智能物体互相通信、相互作用，创造了一个真正的网络世界。生产设备中的嵌入式系统与生产线上的物联网传感器是构成CPS的要素之一，这些技术被称为“物理技术”。但CPS体现了相对当前嵌入式系统和物联网的进一步进化，与互联网或者网上可搜集的数据、服务结合在一起，实现更加广泛的基于创新型应用或过程的新物理空间，淡化了物理世界与信息世界的界限。即CPS通过提供构建物联网的基础部分，并且与“服务互联网”一体化，实现“工业 4.0”。使传统制造业中的物理技术就像互联网让个人相互通信、相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来新的、根本性变化。

在未来的智能制造业中，CPS对涵盖自动化、生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部门、应用领域具有非常重要的意义。CPS不仅可以降低实际成本，提高能源、时间等的效率，还能降低CO2排放水平，在保护环境方面发挥重大作用。因CPS而实现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。

智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在，将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约方面也颇具优势。智能工厂将按照重视可持续性的服务中心的业务来设计。因此，灵活性、自适应以及机械学习能力等特征，甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。

智能工厂的设备将实现高级自动化，主要由基于自动观察生产过程的CPS生产系统的灵活网络来实现。通过可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产过程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅在特定生产条件下一次性体现，也可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。