工业4.0及其核心技术

彭晋辉

摘 要：工业4.0的概念在2011年的德国汉诺威工业展中被首先提出，其后的5年间，与工业4.0相关的话题迅速升温，成为在学界与工业界最热门的话题之一[1]。本文将介绍工业4.0的演进历史，相关概念，以及核心技术。

关键词：工业4.0；物理信息系统（CPS）；物联网（IoT）；智能工厂

中图分类号：G124 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0036-04

1 背景介绍

工业4.0即第四次工业革命的概念，在2011年德国汉诺威工业展中被首先提出，随即被列入德国高科技战略2020计划中，在越来越多的在学术期刊，文献，论坛中进行讨论研究[2]。在政策层面，截止至2014年，在德国政府的支持下，德国联邦政府教育研究基金和德国联邦政府公共事务与能源基金已投入超过2亿欧元，支持工业界对工业4.0进行研究[1]。

在讨论工业4.0之前，本文以汽车制造业为例，首先来回顾前三次工业革命。第一工业革命诞生于18世纪末的英国，以水利和蒸汽机作为代表，标志着工业开始进入机械化时代。第二次工业革命诞生于19世纪末20世纪初，以电力的大规模应用作为代表，标志着工业进入了大规模流水化作业时代。1886年，卡尔本茨制造了世界第一台乘用汽车，汽车工业正式在第二次工业革命的初期诞生。而随着1913年福特开发的第一条流水装配线的推广，第二次工业革命中实现了在低生产成本，高生产效率前提下的大批量生产。第三次工业革命诞生于20世纪中期，以计算机和IT技术作为代表，标志着工业进入自动化时代。1969年，通用汽车公司开始在生产线上引入可编程逻辑控制器，自此微处理器开始作用于汽车工业生产[3-4]。如图1所示。

进入21世纪后，当今工业社会中，企业面对着前所未有的激烈市场竞争和客户对个性化定制产品的消费需求。如何从生产大规模单一产品的进化到快速适应市场，具备生产的灵活性，成为企业生存和发展的关键。而德国推出工业4.0这一概念，就是旨在帮助企业应对产品生命周期的缩短和产品种类的多样化[5-6]。如图2所示。反映了在汽车工业中，汽车产品种类及单一车型产量的历史变迁。

2 工业4.0的定义

随着工业4.0的关注度日益提高，越来越多的探究机构，工业企业参与了工业4.0的讨论。但是目前，参与其中的各个学术界或是工业界的组织对工业4.0还没有一个统一的认识[7]。无论是工业4.0的学术定义和还是其实施标准，依然存在多种解释。即便是工业4.0的发起者，“工业4.0工作组”和“工业4.0平台”也主要是在论述工业4.0的使用场景和技术基础，而并没有对工业4.0提出一个准确的定义[8]。

例如，Technical University Darmstadt大学Reiner Anderl教授提出的“工业4.0是一种将控制系统与IT技术集成起来，用于连接人，产品和复杂系统的战略方法。工业4.0的基础是使用物理信息系统（CPS）来连接各类人工系统，帮助其智能化，使其达到智能系统的层次[3]。”

德国联邦政府教育研究部定义4.0是“CPS的应用为产业价值链增添了更多的灵活性。这使得设备和工厂可以通过自我优化和更新配置来调整其自身行为，例如改变订单或是改变加工环境…最主要的是特点在于获得数据，并从中抽取信息，依此来相应的调整自身行为，同时依据这些经验来扩展知识。在未来的智能工厂里，实现分布式互联设备的关键是智能生产系统及其对应的流程，工程方法和工具[9]。”

Bharathidasan大学的S.Vijaykumar，S.G. Saravanaku-mar和M.Balamurugan提出“工业4.0是与实现CPS架构密切相关。其部件，如传感器，需要能够通过收集到的特征信息，达到可以自我感知的，自我预测的水平，以便监控预测产品在生命周期中可能出现的各种问题，从而提高生产效率。控制器需要能够通过感知和比较来预测设备的连续可用时间，进行预防性的健康监控。同时，互联的生产系统要达到自我配置，自我维护，自我组织来使生产过程变的更灵活简单。最终，工业4.0将会把生产制造转变为一种提供服务的商业模式[10]。”

本文倾向于使用TU Dortmund University大学的Mario Hermann，和奥迪公司的Tobias Pentek，Boris Otto从工业企业的角度对工业4.0所做的解释。该解释指出“工业4.0是面向整个产业价值链的，各种新技术与新理念的集合。通过工业4.0下的模块化的智能工厂，CPS可以监控整个实体流程，并以此创造出其对应的虚拟世界，同时实现分布式控制。依靠物联网IoT，CPS之间、CPS和操作者之间可实时交流信息，协同工作。通过服务联网IoS，产业价值链中的成员可分享和使用内部的和跨组织外部的服务[8]。”该解释详细指明了工业4.0的几个主要特征，即工业4.0需要面向整个产业链，涉及多种新技术（CPS，IoT，智能工厂）及面向服务。

3 工业4.0涉及的关键技术

工业4.0涉及了众多新技术与新理念。比较重要的方向包括了CPS，智能工厂，健壮型网络，云计算及信息安全。同时每个方向下又覆盖了众多技术如图3所示，例如智能工厂下的社交机器，接入式生产，低成本自动化，虚拟化，人机接口交互；CPS下则具体有智能产品，设备端到设备端联通（Machine to Machine），传感器和执行器等[11]。

为了统计学术界和工业界的研究热点，判断究竟哪些技术被普遍认为是工业4.0的基础，Mario Hermann，Tobias Pentek和Boris Otto通过google学术上对工业4.0英文文献和德文文献进行了遍历。其结果是，出现最多的关键词依次为“Cyber-Physical Systems， Cyber-Physikalische Systeme， CPS”，“Internet of Things， Internet der Dinge”，“Smart Factory， intelligenteFabrik”[9]。值得注意的是，在“德國工业4.0工作小组”2013年出版的“Recommendations for implementing the strategic initiativeIndustrie 4.0”中，列出了工业4.0的的三项关键要素，也同样是物理信息系统（CPS），物联网（IoT）和智能工厂[12]。因此，在下一部分中本文将对这三个技术在工业4.0下的应用做进一步说明。endprint

3.1 物理信息系统（CPS）

物理信息系统的英文全称是Cyber Physical Systems。这个概念在2006年由Lee在美国提出[14]，2008年Lee将其定义为：CPS是物理流程与计算能力的整合。其运用网络与嵌入式的计算器来监控物理生产流程，使得实际的物理流程与虚拟监控之间形成双向反馈。不同于传统的基于单点机器的嵌入式系统，CPS更关注于包含众多设备的设备网络[14]。换句话说，CPS本质是拥有计算和通信能力的嵌入式系统。它通过网络收发数据，用来连接物理世界与虚拟世界，并使之能相互作用，相互影响。Malte Brettel，Niklas Friederichsen，提出了一个典型的CPS结构[15]，如图4所示。该CPS能够与使用者交互，获取并处理外界数据，并可以在设备的自我控制下完成特定任务。（注：在Malte Brettel与Niklas Friederichsen提出的嵌入式系统中，只注明了包含有传感器与执行器。但是考虑到实际生产设备下，脱离控制器的传感器与执行器无法独立执行复杂任务，所以在图4中的嵌入式系统下补充了控制器。）

信息物理系统目前还在发展之中，可以根据其智能程度分为不同的阶段[6]，在第一阶段，被动式CPS。其本身并不智能，需要通过中心系统提供各项服务，例如射频识别芯片（RFID）；第二阶段，主动式CPS。具备主动传感器和执行器，具备相对清晰的功能；第三阶段，互联式CPS。CPS可以通过各类接口实现与其他系统的互联；第四阶段，自主智能的CPS。CPS可以智能组合自身的单项功能，在生产上即插即用，自行提供服务。

目前，工业界对CPS的应用，还大多处在第一阶段。要想普及CPS的使用范围，需要满足以下三个前提[1]：（1）低成本的通信设施。CPS的高昂价格将是推广其使用的最大障碍。例如，在大型汽车制造工厂中，全面普及第一阶段的CPS产品射频识别芯片（RFID）用来进行零部件追溯，单车成本将增加超过一万人民币。尤其对很多中小制造企业而言，尽管普及RFID将会有效提高自动化率，但因其只能承担有限的购置和运维费用，使得现阶段的CPS很难在他们的生产中全面普及。（2）覆盖设备，工厂及整个公司的网络。CPS的设计理念之一就是互联。其捕获到的各式数据需要经由网络进行传输，才能进一步方便分享数据，挖掘数据，分析数据。没有公司级的全覆盖网络，众多CPS，IT系统，使用人就会因存在信息孤岛，增加获取信息的成本，影响信息收益的最大化。（3）健全设备，车间，工厂及产品在网络中的信息，例如文档说明，3D数据，模拟模型等。通过这些信息，并结合从传感器捕捉到的数据，CPS可以将生产中的物理流程进行虚拟化。一旦设备状态出现异常，员工就可以从已经虚拟化了的设备对象上立刻得到通知，同时还可以得到其他所需信息，例如设备的历史数据，运转流程，安全事项等等。

3.2 物联网（IoT）

物联网与工业的结合被认为是实现工业4.0的关键因素[12]。在工业4.0下，运用物联网技术，各式各样的物品或者说对象（例如RFID，传感器，移动设备等）可以通过特定的寻址方式连接起来。通过物联网，连接起来的智能对象们可以互相合作，以便完成他们的共同目标[16]。其覆盖范围包括了设备，产品，加工人，虚拟的生产模型及全球化的供应链。如图5所示。

目前，CPS和IoT的关系目前还没有定论。本文倾向于认为IoT的覆盖范围大于CPS如图6所示。IoT是网络，关注于物与对象的间如何相互连接，包含了物理对象与物理对象的连接，虚拟对象与虚拟对象的连接，及物理对象与虛拟对象的连接。而CPS嵌入式设备，它只作用于最后一种，也就是物理对象与虚拟对象的连接。但是深度上，CPS还关注于如何获取与转化现实世界的数据，进而将现实世界抽象为虚拟世界中的对象，达到现实和虚拟的相互影响。这是IoT的概念下所没有的。

3.3 智能工厂

智能工厂是工业4.0的重要组成部分[13]。随着外部需求的变化愈发频繁多样，生产设备面临的复杂性局面显著上升，而智能工厂正是为了应对这一困境所提出的解决方案，用以创造灵活的，高适应性的生产流程。智能工厂这一方案一方面是指自动化，将软件，硬件和机械设备联系起来，以便减少人力投入，资源消耗，最终实现优化生产。另一方面旨在加强工业界和非工业界的交流，形成一个相互合作的动态组织。而这个动态组织的目标是提供新的智能服务[18]。具体来说，根据之前给出的CPS和IoT的定义，一个智能工厂需要包括CPS，IoT，设备和使用者。其中CPS和IoT联系起了各式设备和众多用户，并帮助其协同工作，共同完成任务[8]。见图6所示。

4 结语

工业4.0自列入德国高科技战略2020计划以来热度不断攀升。随着德国政府接管工业4.0平台，学界和工业界的参与程度都进一步加强。目前，德国已成立15个与工业4.0相关的尖端技术集群，每个集群覆盖工业4.0相关的某几个领域，由200-300家企业，学校与研究机构组成。尽管现阶段工业4.0的各项关键技术（物理信息系统（CPS），物联网（IoT），智能工厂）仍然在发展之中，但是随着满足客户的定制化要求成为企业在市场上获得的成功的关键，可以预见未来参与到工业4.0进程中的中国企业也会越来越多。

参考文献

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