工業(yè)4.0時(shí)代的信息化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

嚴(yán)新金，彭發(fā)強(qiáng)，王錦蘭，林曄琛，胡國良

（1.廈門大學(xué)，福建 廈門 361005；2.閩江學(xué)院，福州 350108）

1 工業(yè)4.0 簡述

在各種運(yùn)行有序的機(jī)器旁邊，若干身著藍(lán)色工裝的工人在計(jì)算機(jī)前不緊不慢地操作著，腳下干凈的地面和周遭優(yōu)雅的環(huán)境給人一種錯(cuò)覺——這分明是高端寫字樓里的辦公室啊。生產(chǎn)線上，在微型計(jì)算機(jī)的控制下各種元器件自動的在傳輸帶上前行，到每個(gè)節(jié)點(diǎn)又自動的朝不同分支的生產(chǎn)線傳輸，這才證明這里確實(shí)是工業(yè)化的生產(chǎn)車間。這就是工業(yè)4.0 時(shí)代工廠車間里的普遍現(xiàn)象。工業(yè)4.0 是由德國技術(shù)科學(xué)院(ACDTECH)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出的國家戰(zhàn)略，旨在確保德國制造業(yè)的未來競爭力和引領(lǐng)世界工業(yè)發(fā)展潮流。

18 世紀(jì)末以瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命是工業(yè)1.0 版。20 世紀(jì)初的工業(yè)革命借助電能和流水線進(jìn)行大批量生產(chǎn)是工業(yè)2.0 版。20 世紀(jì)中期計(jì)算機(jī)、微控制器的大規(guī)模應(yīng)用掀起了一場生產(chǎn)自動化的工業(yè)革命，這是工業(yè)3.0 版。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、新材料等技術(shù)的高速發(fā)展，整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系提升到了一個(gè)全新的水平，這就是工業(yè)4.0 版，其本質(zhì)就是物理和信息系統(tǒng)的深度融合，是虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的高度融合。

2 工業(yè)4.0 時(shí)代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

2.1 工業(yè)4.0 時(shí)代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)4.0 是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，是將虛擬制造、智能制造和傳統(tǒng)制造業(yè)高度融合的制造模式。在該模式下，人們可以極大程度地利用傳感器、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)將生產(chǎn)制造與消費(fèi)服務(wù)形成互聯(lián)互通的有機(jī)體，建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)制造模式，而實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略的核心技術(shù)就是CPS 信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems）。

CPS 信息物理系統(tǒng)包含了環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。它注重虛擬制造與物理制造的協(xié)調(diào)與緊密結(jié)合。CPS 信息物理系統(tǒng)是工業(yè)4.0 的核心支撐技術(shù)，是虛擬世界和物理世界之間的橋梁和紐帶（如圖1 所示）。同時(shí)也是位于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中間層的平臺架構(gòu)（如圖2 所示）。

圖1 基于CPS模式的工業(yè)4.0架構(gòu)

圖2 CPS作用

本文結(jié)合工業(yè)4.0 的概念和需求，參照OSI 網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種層次化、模塊化的CPS 體系結(jié)構(gòu)，，該結(jié)構(gòu)自上而下可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理鏈路層（如圖3 所示）。應(yīng)用層是CPS 與虛擬世界的窗口，是CPS 與互聯(lián)網(wǎng)的接口，主要提供CPS 對接互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)，使用戶獨(dú)立于CPS 本身繁瑣的功能體系，專注于CPS 的應(yīng)用。物理感知層是主要感知、提取和處理機(jī)器、設(shè)備和環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)，提取現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和資源共享，作為CPS 的紐帶其連接著物理感知層和應(yīng)用層，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成，類似于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將物理感知層獲取的信息安全可靠地傳輸?shù)綉?yīng)用層，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行信息處理。

圖3 CPS三層架構(gòu)

2.2 基于工業(yè)4.0的CPS體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

第一，虛擬的信息世界與現(xiàn)實(shí)的物理世界的協(xié)同交融。CPS通過傳感器、微型控制器等設(shè)備感知現(xiàn)實(shí)的物理世界，再通過各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與虛擬的信息世界融合，信息與物理直接存在著反饋閉環(huán)。

第二，通過物理感知層自主的適應(yīng)客觀物理環(huán)境的動態(tài)變化，具有自適應(yīng)能力和重配置功能。

第三，現(xiàn)實(shí)的物理世界和虛擬世界的融合受時(shí)間和空間的限制，CPS兩端的物理世界和信息世界處在同一時(shí)間維度。

第四，具有開放的異構(gòu)性。CPS動態(tài)的接入不同的物理實(shí)體、計(jì)算機(jī)部件和模型等，自適應(yīng)不同的條件和應(yīng)用需求。

3 工業(yè)4.0時(shí)代信息化的變革與挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模普及與應(yīng)用，工業(yè)4.0將建立在CPS基礎(chǔ)之上，將物理設(shè)備與虛擬網(wǎng)絡(luò)融合以推動工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級換代。CPS不僅將催生新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有的工業(yè)布局，同時(shí)CPS的發(fā)展也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要有如下幾方面。

3.1 節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的挑戰(zhàn)

CPS作為虛擬世界與物理世界之間承上啟下的中間平臺，允許也必須與各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)融合。但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，接口繁多且千差萬別，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接口、如何定位節(jié)點(diǎn)和如何路由節(jié)點(diǎn)是CPS網(wǎng)絡(luò)通信面臨的一大挑戰(zhàn)。

3.2 協(xié)同工作的挑戰(zhàn)

CPS上承信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)，下啟物理感知節(jié)點(diǎn)，是三者之間能否協(xié)同工作的關(guān)鍵所在。其本質(zhì)在于將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等5大功能。所以如何讓物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和CPS構(gòu)成的龐大的網(wǎng)絡(luò)能互聯(lián)互通、井然有序地協(xié)同工作是CPS的又一大挑戰(zhàn)。

3.3 安全驗(yàn)證方面的挑戰(zhàn)

CPS的核心技術(shù)是要將物理設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)和有線網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)和不同的異構(gòu)體集成融合，不同異構(gòu)體間的組合需要經(jīng)過充分的安全驗(yàn)證。然而在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制的情況下，肩負(fù)與安全攸關(guān)的CPS系統(tǒng)，其安全驗(yàn)證行為極其復(fù)雜。

4 結(jié) 語

本文主要討論了工業(yè)4.0時(shí)代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出CPS的三層體系結(jié)構(gòu)模型，并論述了CPS所面臨的挑戰(zhàn)。CPS作為互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)融合的關(guān)鍵技術(shù)，將為未來智能制造、智慧生活提供良好的機(jī)遇。