圖解工業(yè)4.0的核心技術(shù)

王喜文

摘 要：CPS概念最早由美國國家基金委員會(huì)于2006提出，被認(rèn)為有望成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。用以實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。

關(guān)鍵詞：CPS；信息世界；物理世界

“工業(yè)4.0”的實(shí)質(zhì)是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)智能工廠，最終實(shí)現(xiàn)制造模式的變革。

CPS概念最早由美國國家基金委員會(huì)于2006年提出，被認(rèn)為有望成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。CPS主要指Computing、Communication、Control的融合。

信息世界指工業(yè)軟件和管理軟件、工業(yè)設(shè)計(jì)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等；物理世界指能源環(huán)境、人、工作環(huán)境、局域通信以及設(shè)備與產(chǎn)品等。

CPS的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。CPS概念從上世紀(jì)80年代的嵌入式系統(tǒng)演變而來。經(jīng)歷1990年的泛在計(jì)算、1994年的普適計(jì)算、2000年的環(huán)境智能，直到2006年才發(fā)展成為信息物理系統(tǒng)。

據(jù)資料顯示，2005年5月，美國國會(huì)要求美國科學(xué)院評(píng)估美國的技術(shù)競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個(gè)月后，基于此項(xiàng)研究的報(bào)告《站在風(fēng)暴之上》問世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月美國發(fā)布《美國競爭力計(jì)劃》，將信息物理系統(tǒng)CPS列為重要的研究項(xiàng)目。

根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會(huì)（U.K. Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備，機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與個(gè)人計(jì)算機(jī)等通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù)，因此設(shè)計(jì)人員能對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。

一旦基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)用戶接口之間發(fā)生相互作用，必將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。例如智能手機(jī)囊括許多應(yīng)用和服務(wù)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備本身的通話功能。由于全新的劃時(shí)代應(yīng)用和服務(wù)的提供商不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新價(jià)值鏈，所以CPS也將對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)與市場模式帶來范式上的轉(zhuǎn)變。

CPS是實(shí)現(xiàn)了多個(gè)軟件對(duì)多個(gè)硬件控制的網(wǎng)絡(luò)。其中網(wǎng)絡(luò)功能主要實(shí)現(xiàn)控制目的，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器的無線連接和感知功能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步管理和控制。

在“工業(yè)3.0”時(shí)代，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)是封閉的，許多嵌入式設(shè)備并未預(yù)留外部接口。“工業(yè)4.0”在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，使得匯集計(jì)算、通信和控制能力于一體的CPS成為智能工廠的核心。

中國科學(xué)院何積豐院士曾經(jīng)指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測或者控制一個(gè)物理實(shí)體?！?/p>

工業(yè)4.0進(jìn)一步豐富了CPS的3C融合概念。在計(jì)算、通信和控制的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)容（Content，語義分析）、社群（Community，協(xié)同合作）與定制化（Customization，個(gè)性化定制）。即從3C到6C反映了制造業(yè)思維和制造業(yè)模式的變革。6C條件下的智能工廠通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造，可實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自律調(diào)整，生產(chǎn)出智能產(chǎn)品。

同時(shí)，6C條件下的智能工廠可以實(shí)現(xiàn)可視化生產(chǎn)，預(yù)測性制造管理。傳統(tǒng)的制造過程中存在許多無法定量的因素，包括加工過程中的設(shè)備性能下降、零部件的突發(fā)故障、殘次品的返工等。通過可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，掌控不確定因素，使得智能工廠管理者能夠客觀評(píng)估制造和設(shè)備的使用狀態(tài)，并通過管理實(shí)現(xiàn)預(yù)測性制造，起到降低成本，提升運(yùn)行效率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的作用。

目前所說的制造業(yè)信息系統(tǒng)，首先強(qiáng)調(diào)CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM （Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）等工業(yè)軟件和PPS（生產(chǎn)計(jì)劃控制系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品生命周期管理）等信息化管理系統(tǒng)。主要應(yīng)用于由上而下的集中式中央控制系統(tǒng)。

而“工業(yè)4.0”通過CPS實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝與信息系統(tǒng)融合，體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉(zhuǎn)變，正是因?yàn)橛辛俗寕鹘y(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進(jìn)步，這一切才成為可能。同時(shí)，分散型智能利用代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界與物理世界之間的交互關(guān)系，在構(gòu)建智能物體網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要的作用。

未來，生產(chǎn)設(shè)備不再只是“加工”產(chǎn)品，取而代之的是智能化的生產(chǎn)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)形式緊密地聯(lián)接在一起，而產(chǎn)品則通過網(wǎng)絡(luò)通信向生產(chǎn)設(shè)備傳達(dá)如何采取正確操作。更具動(dòng)態(tài)性和靈活性，能挖掘更多優(yōu)化的可能，提高生產(chǎn)效率。

CPS連接了信息世界與物理現(xiàn)實(shí)世界，使智能物體互相通信、相互作用，創(chuàng)造了一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)世界。生產(chǎn)設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)與生產(chǎn)線上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器是構(gòu)成CPS的要素之一，這些技術(shù)被稱為“物理技術(shù)”。但CPS體現(xiàn)了相對(duì)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步進(jìn)化，與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng)上可搜集的數(shù)據(jù)、服務(wù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的基于創(chuàng)新型應(yīng)用或過程的新物理空間，淡化了物理世界與信息世界的界限。即CPS通過提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部分，并且與“服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)”一體化，實(shí)現(xiàn)“工業(yè) 4.0”。使傳統(tǒng)制造業(yè)中的物理技術(shù)就像互聯(lián)網(wǎng)讓個(gè)人相互通信、相互作用的關(guān)系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實(shí)世界之間的相互作用關(guān)系帶來新的、根本性變化。

在未來的智能制造業(yè)中，CPS對(duì)涵蓋自動(dòng)化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運(yùn)輸以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的意義。CPS不僅可以降低實(shí)際成本，提高能源、時(shí)間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮重大作用。因CPS而實(shí)現(xiàn)的許多應(yīng)用，將產(chǎn)生新附加價(jià)值鏈和業(yè)務(wù)模式。

智能工廠的產(chǎn)品、資源及處理過程因CPS的存在，將具有非常高水平的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、成本節(jié)約方面也頗具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的服務(wù)中心的業(yè)務(wù)來設(shè)計(jì)。因此，靈活性、自適應(yīng)以及機(jī)械學(xué)習(xí)能力等特征，甚至風(fēng)險(xiǎn)管理都是其中不可或缺的要素。

智能工廠的設(shè)備將實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)化，主要由基于自動(dòng)觀察生產(chǎn)過程的CPS生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。通過可實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化。同時(shí)，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)多家工廠、多個(gè)生產(chǎn)單元所形成的世界級(jí)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。