信息物理系統(tǒng)和工業(yè) 4.0

艾納·安德爾

信息物理系統(tǒng)催生工業(yè) 4.0

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展分成幾個(gè)階段，每個(gè)階段大概五年時(shí)間。首先是 1995～ 2000年。1993年萬維網(wǎng)誕生之后，我們通過萬維網(wǎng)能夠?qū)⑽谋拘畔⑦M(jìn)行相互連接。2000年后，我們開始將圖片、音頻和影像信息直接記錄入文件中，并引入互聯(lián)網(wǎng)世界。2005年，我們進(jìn)入社交媒體時(shí)代，人與人通過互聯(lián)網(wǎng)密切聯(lián)系。2010年，社交媒體之間開始相互連接，企業(yè)開始利用互聯(lián)網(wǎng)開展業(yè)務(wù)工作。2015年，我們開始進(jìn)入信息物理系統(tǒng)（CPS，對(duì)“信息物理系統(tǒng)”的譯法存在一定爭議）時(shí)代，人與人相聯(lián)，企業(yè)相聯(lián)，最終物理系統(tǒng)之間也要相聯(lián)。

工業(yè) 4.0是這個(gè)時(shí)期非常重要的議題，它受到物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)的極大的影響，是第四次工業(yè)革命的重要議題。第一次工業(yè)革命是在 18世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)引入了制造工廠，它的基礎(chǔ)是水和蒸汽動(dòng)力的使用。第二次工業(yè)革命是由大規(guī)模生產(chǎn)帶動(dòng)的，電力促成了第二次工業(yè)革命。第三次工業(yè)革命發(fā)生在 20世紀(jì) 70年代初，信息技術(shù)開始促進(jìn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)將是信息物理系統(tǒng)。

為什么稱之為革命？這是因?yàn)橥ㄟ^引入新的技術(shù)，不管是蒸氣動(dòng)力、電力，還是信息技術(shù)等，都徹底地改變了我們的工作和生活，我們需要新的標(biāo)準(zhǔn)、新的資質(zhì)，新的教育結(jié)構(gòu)和新的企業(yè)。所以工業(yè) 4.0將是第四次工業(yè)革命，它的目標(biāo)是創(chuàng)建新的價(jià)值鏈，將覆蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期，技術(shù)方法則是信息物理系統(tǒng)。

信息物理系統(tǒng)既在虛擬世界存在，也在現(xiàn)實(shí)世界存在，它包含現(xiàn)有的現(xiàn)代控制技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)，是工業(yè) 4.0的主要推動(dòng)力?，F(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)必須有互聯(lián)網(wǎng)地址，所有物理世界中的設(shè)備都能進(jìn)行邏輯連接，能夠相互交流通信，即系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行通信。

德國工業(yè) 4.0的五大支柱和十七點(diǎn)綱要

工業(yè) 4.0的路線圖是我們的發(fā)展戰(zhàn)略，在未來的10～ 20年的時(shí)間里，它將基于五大支柱。

第一大支柱是“水平融合”，通過價(jià)值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)水平融合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器的溝通，乃至企業(yè)之間的通訊。

第二大支柱是指整個(gè)生命周期的無縫集成。企業(yè)的產(chǎn)品信息，在全產(chǎn)品生命周期流動(dòng)，企業(yè)甚至能從客戶處獲取產(chǎn)品使用的信息，從而持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品。

第三個(gè)支柱是“垂直融合”和互聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)，這種方式使得企業(yè)能夠使用設(shè)計(jì)信息推動(dòng)制造流程，這個(gè)過程應(yīng)該是無縫的信息流動(dòng)。

第四個(gè)支柱是新的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，行業(yè)需要新的資格認(rèn)證和新的組織方式。

第五個(gè)支柱是指混合技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。例如，工廠的有線和無線通訊，還要考慮帳戶安全、隱私保護(hù)和知識(shí)保護(hù)等。參考架構(gòu)也非常重要，未來的目標(biāo)是建立一個(gè)分散化、以服務(wù)為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)。

工業(yè) 4.0平臺(tái)的 17個(gè)綱要是 2014年年初由（我們）科學(xué)顧問委員會(huì)推出的，我們把 17個(gè)綱要?jiǎng)澐譃槿悺５谝活愂且匀祟悶橹行牡膯栴}，第二類是技術(shù)問題，第三類是組織性的問題。

第一類是以人類為中心的問題，包括四點(diǎn)綱要。

第一點(diǎn)綱要，以人類為導(dǎo)向的“工作組織”方案設(shè)計(jì)，工業(yè) 4.0的發(fā)展存在越來越多的可能性，組織者面對(duì)的可能性也越來越多，針對(duì)不同年齡層工作者的機(jī)遇不斷出現(xiàn)，希望在老齡化社會(huì)，使工業(yè) 4.0發(fā)展能更有優(yōu)勢。

第二點(diǎn)綱要，工業(yè) 4.0應(yīng)該被理解為社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)，可以為人們提供機(jī)遇，可以擴(kuò)展業(yè)務(wù)范圍、資格和員工的行動(dòng)范圍，同時(shí)可以大大豐富知識(shí)的獲取渠道。

第三點(diǎn)綱要，就是工作設(shè)備，特別是那些有助于學(xué)習(xí)和溝通的設(shè)備，它能提升教育、學(xué)習(xí)的效率。

第四點(diǎn)綱要，是指學(xué)習(xí)工具，它能自動(dòng)為用戶提供他們所需要的功能。

第二類是技術(shù)問題，包含 9大綱要。

第五點(diǎn)綱要是以技術(shù)為導(dǎo)向。

第六點(diǎn)綱要，工業(yè) 4.0系統(tǒng)對(duì)于用戶而言，要易于理解、容易操作和方便學(xué)習(xí)。工業(yè) 4.0系統(tǒng)提供了獲取解決方案的渠道，它使我們可以綜合不同的因素來構(gòu)建、實(shí)施和運(yùn)營工業(yè) 4.0系統(tǒng)。我們的新產(chǎn)品需要發(fā)展，才能符合新的行業(yè)規(guī)定和發(fā)展趨勢。

第七點(diǎn)綱要，企業(yè)流程和產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化后的復(fù)雜性。這種復(fù)雜性可以通過一些手段來管理，如三維建模、仿真分析和自我組織等，現(xiàn)在出現(xiàn)了更多的相關(guān)解決方案。現(xiàn)實(shí)和虛擬世界是相互交叉的，例如對(duì)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化，以及讓虛擬空間服務(wù)于物理世界。

第八點(diǎn)綱要，對(duì)資源的有效性和資源效率進(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施、檢測和持續(xù)自我優(yōu)化。

第九點(diǎn)綱要，是指智能產(chǎn)品，它們是信息的載體，是人們可獲取和可發(fā)現(xiàn)的，將貫穿于整個(gè)生命周期。

第十點(diǎn)綱要，是指系統(tǒng)組件和組成部分，存在于生產(chǎn)方式中，同時(shí)它們也支持生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)流程的虛擬規(guī)劃。

第十一點(diǎn)綱要，是指發(fā)展新的系統(tǒng)組成部分和新的功能。

第十二點(diǎn)綱要，是指系統(tǒng)的組成部分，為我們提供一些服務(wù)功能，這些功能可以由其他機(jī)構(gòu)、其他人來獲取。

第十三點(diǎn)綱要，是指新的安全要求，要?jiǎng)?chuàng)造一種可信、有彈性且被社會(huì)所接受的工業(yè) 4.0安全系統(tǒng)環(huán)境。

第三類是組織性相關(guān)的問題，包含 4大綱領(lǐng)。

第十四點(diǎn)綱要，是指擁有一體化增值產(chǎn)品和服務(wù)的新增值網(wǎng)絡(luò)，它們能實(shí)現(xiàn)不同的分工。

第十五點(diǎn)綱要，是合作與競爭，簡稱為競合，競合會(huì)從經(jīng)濟(jì)和法律上創(chuàng)造新的架構(gòu)，不同工種的代表都將整合進(jìn)工業(yè) 4.0的架構(gòu)中。

第十六點(diǎn)綱要，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，這是在適用的法律結(jié)構(gòu)體系內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，新的法律解決方案也會(huì)讓新的商業(yè)模型實(shí)現(xiàn)。

第十七點(diǎn)綱要，創(chuàng)造區(qū)域的價(jià)值和機(jī)會(huì)，在發(fā)展中市場也同樣有機(jī)遇，我們希望建立一些定制化的系統(tǒng)來滿足不同市場的需求。

信息物理系統(tǒng)及其安全措施

為什么需要信息物理系統(tǒng)？原因在于，我們希望建立智能體系，在加工技術(shù)和制造流程中，以功能整合的方式創(chuàng)造更高的價(jià)值。從純機(jī)械的社會(huì)到機(jī)械電子的社會(huì)，然后進(jìn)入電子電控的社會(huì)，最后進(jìn)入信息物理系統(tǒng)的世界。

信息物理系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)加入了傳感器，我們可以安裝嵌入式軟件，讓傳感器的操作更為智能，成為智能傳感器設(shè)備。將嵌入式軟件整合入執(zhí)行器，出現(xiàn)了智能執(zhí)行器。將智能傳感器和智能執(zhí)行器進(jìn)行組合，這種全智能的系統(tǒng)已經(jīng)得到了驗(yàn)證，可以適用于不同的電子系統(tǒng)。

現(xiàn)在，新的方法已經(jīng)出現(xiàn)，將嵌入式系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，建立信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)具有互聯(lián)網(wǎng)地址之后，嵌入式系統(tǒng)將具備額外的功能。通過這樣的做法定義一個(gè)單元，可以把這個(gè)單元用于生產(chǎn)體系，在生產(chǎn)設(shè)備環(huán)境中把這個(gè)系統(tǒng)稱之為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)，或是用于生產(chǎn)設(shè)備的物理系統(tǒng)。

關(guān)于安全保障措施，共有三個(gè)層面，分別為系統(tǒng)層面、應(yīng)用層面和技術(shù)層面。應(yīng)用層面的目標(biāo)是保障工業(yè) 4.0的流程安全，系統(tǒng)層面的目標(biāo)是保證信息物理系統(tǒng)的安全，技術(shù)層面則確保安全的數(shù)據(jù)和安全的服務(wù)。物理系統(tǒng)的安全通過可信賴的機(jī)器控制來實(shí)現(xiàn)，其中融入了可檢測、可核實(shí)的完整措施。數(shù)據(jù)安全可以使用現(xiàn)代的加密技術(shù)、數(shù)據(jù)簽名和不可篡改技術(shù)來保證，安全服務(wù)采用使用權(quán)限、可信任環(huán)境和身份驗(yàn)證這三個(gè)措施來保證。

工業(yè) 4.0系統(tǒng)發(fā)展的四個(gè)應(yīng)用場景

工業(yè) 4.0的定義基于兩個(gè)完整的方案，一是物理系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)、單個(gè)零件的控制系統(tǒng)等，另一個(gè)是管理層，例如，有獨(dú)立網(wǎng)址、可執(zhí)行的嵌入式系統(tǒng)軟件，這些是附加在物理系統(tǒng)之上的。每個(gè)工業(yè) 4.0系統(tǒng)的組成部分，都能通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)獲取實(shí)體部件的相關(guān)信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要經(jīng)過一些步驟，第一步是理論模型，第二步則是測試。測試之后，我們可以對(duì)應(yīng)用場景進(jìn)行實(shí)施、貫徹和落實(shí)。下面我列舉四個(gè)應(yīng)用場景。

應(yīng)用場景一

信息載體的組成部分出現(xiàn)故障。首先找到和分析這個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的部件，哪個(gè)部分出錯(cuò)？哪些不符合規(guī)范？當(dāng)然這有點(diǎn)為時(shí)過晚，因?yàn)檫@個(gè)部件已經(jīng)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。所以，只有對(duì)機(jī)床和工具進(jìn)行持續(xù)的跟蹤分析，才能獲取足夠的信息，才能了解機(jī)床、工具是否可以繼續(xù)使用，是否出現(xiàn)了老化。如果這個(gè)工具已經(jīng)達(dá)到生命周期的終點(diǎn)，那么需要對(duì)它進(jìn)行自動(dòng)更換。

應(yīng)用場景二

為了進(jìn)一步提高整個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率，需要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)。生產(chǎn)線已經(jīng)存在，且使用現(xiàn)存生產(chǎn)技術(shù)，維持現(xiàn)有生產(chǎn)流程。我們把現(xiàn)有部分替換到工業(yè) 4.0系統(tǒng)中，方法是分析績效指標(biāo)，對(duì)組織系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)然，最重要的是要把工人放到核心位置。

應(yīng)用場景三

針對(duì)制造系統(tǒng)，需要從科學(xué)發(fā)展和工程實(shí)踐的角度來看問題，對(duì)工業(yè) 4.0系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出符合自身?xiàng)l件的工業(yè) 4.0生產(chǎn)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要是系統(tǒng)控制單元，這個(gè)控制單元作為工業(yè) 4.0的組成部分被實(shí)施和融合?；诳刂茊卧?，我們可以進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制，也可以監(jiān)測整個(gè)生產(chǎn)流程。如果發(fā)現(xiàn)正確率比較高的加工流程，我們可以從外部加以精確控制，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，直接從系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)。

應(yīng)用場景四

靈活智能的工人輔助。工業(yè) 4.0系統(tǒng)可以讓工人貫穿整個(gè)流水線，直接獲知工人在流水線上組裝了哪個(gè)部件？處理了哪個(gè)部件？用了什么工具？我們把這個(gè)組成部分作為一個(gè)信息載體，希望能夠單獨(dú)地獲取每個(gè)部件的數(shù)據(jù)，并對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行數(shù)字化。