工業(yè)4.0下的信息物理系統(tǒng)（CPS）的構(gòu)建

田云龍， 肖志余

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

引言

工業(yè)4.0是德國(guó)政府《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》中所提出的十大未來(lái)項(xiàng)目之一。于2011年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出，在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成，并已上升為德國(guó)國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略[1]。工業(yè)4.0旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及基因工程學(xué)的智慧工廠，提升德國(guó)的工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了新一輪的工業(yè)轉(zhuǎn)型競(jìng)賽。

1 德國(guó)工業(yè)4.0的參考模型

RAMI4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）即工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型[2]是為了達(dá)到對(duì)工業(yè)4.0的標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)例、規(guī)范等內(nèi)容的共同理解而制定，它從產(chǎn)品生命周期/價(jià)值鏈、層級(jí)和架構(gòu)等級(jí)三個(gè)維度，對(duì)工業(yè)4.0進(jìn)行多角度描述的一個(gè)框架模型，它代表了德國(guó)對(duì)工業(yè)4.0所進(jìn)行的全局式的思考，框架模型如圖1所示。

第一個(gè)維度，是在IEC 62264企業(yè)系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充了產(chǎn)品或工件的內(nèi)容，并由個(gè)體工廠拓展至“連接世界”，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對(duì)產(chǎn)品服務(wù)和企業(yè)協(xié)同的要求。第二個(gè)維度是信息物理系統(tǒng)（CPS）的核心功能，具體包括資產(chǎn)層、集成層、通信層、信息層、功能層、商業(yè)業(yè)務(wù)層等各個(gè)功能層次。第三個(gè)維度是價(jià)值鏈，即以產(chǎn)品全周期視角出發(fā)，描述了以零部件、機(jī)器和工廠為典型代表的工業(yè)要素從虛擬原型到實(shí)物的全過(guò)程，劃分為模擬原型和實(shí)物制造兩個(gè)階段，突出各類工業(yè)生產(chǎn)部分都要有虛擬和現(xiàn)實(shí)兩個(gè)過(guò)程，體現(xiàn)了全要素“數(shù)字孿生”特征，工業(yè)生產(chǎn)要素之間依托數(shù)字系統(tǒng)緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的末端鏈接。

圖1 RAMI4.0框架圖

工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型的誕生，是系統(tǒng)工程論中最典型的思維模式。有了這個(gè)模型，各個(gè)企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個(gè)體系中尋找到自己的位置。目前公布的RAMI4.0已經(jīng)覆蓋有關(guān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信、信息數(shù)據(jù)、價(jià)值鏈、企業(yè)分層等領(lǐng)域。

2 CPS系統(tǒng)

從RAMI 4.0模型可以看出，工業(yè)4.0的核心是信息物理系統(tǒng)（Cyber—Physical System），簡(jiǎn)稱 CPS，它是將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。CPS包含兩個(gè)世界，一個(gè)是信息世界，指的是工業(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；另一個(gè)是物理世界，是指能源環(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)[3]，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。工業(yè)4.0進(jìn)一步豐富了 3C融合概念[4]，在計(jì)算（Computation）、通信（Communication）和控制（Control）的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)容（Content）、社群（Community）與定制化（Customization），6C條件下的智能工廠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造，可以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的智能生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)可視化生產(chǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)管理實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性制造。

在CPS實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化，數(shù)字化主要包含兩層含義，一是對(duì)CPS系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行可計(jì)算的抽象化，另一個(gè)是讓子系統(tǒng)的抽象化模型能實(shí)時(shí)反映子系統(tǒng)的狀態(tài)變化。CPS系統(tǒng)中的每一個(gè)子系統(tǒng)、每一個(gè)單元，甚至每一個(gè)零部件都有一個(gè)能實(shí)時(shí)反應(yīng)其狀態(tài)的數(shù)字化雙胞胎，這個(gè)過(guò)程有兩層含義，第一層含義是產(chǎn)品周期全過(guò)程有數(shù)字化信息進(jìn)行反映，用數(shù)字化信息表征生產(chǎn)狀態(tài)，第二層含義是通過(guò)各個(gè)零部件上采集的數(shù)據(jù)配合上各種已知設(shè)計(jì)參數(shù)，做到小至產(chǎn)品，大至整個(gè)工廠的仿真模擬，現(xiàn)實(shí)空間中的各種狀態(tài)都能反應(yīng)在虛擬空間上，通過(guò)虛擬空間的仿真，預(yù)測(cè)產(chǎn)品或者生產(chǎn)空間可能出現(xiàn)的偏差。CPS提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部分并且與“互聯(lián)網(wǎng)”一體化，實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”。未來(lái)，眾多的智能化生產(chǎn)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)緊密地聯(lián)接在一起，產(chǎn)品則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信向生產(chǎn)設(shè)備反饋?zhàn)兞浚O(shè)備根據(jù)變量自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，生產(chǎn)過(guò)程更加智能，生產(chǎn)效率更高。

3 CPS系統(tǒng)的構(gòu)建

CPS的構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要將機(jī)械、電子、通信、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科和領(lǐng)域進(jìn)行融合，CPS的構(gòu)建可以分成三個(gè)層面進(jìn)行構(gòu)建。

第一個(gè)層面是物理技術(shù)層面，企業(yè)需要采集涉及產(chǎn)品全周期過(guò)程的直接數(shù)據(jù)，對(duì)不直接產(chǎn)生數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過(guò)程則利用傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)手段將這些過(guò)程數(shù)據(jù)化[5]，數(shù)據(jù)采集后利用藍(lán)牙、RFID等技術(shù)手段進(jìn)行上傳。采集過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，人工側(cè)重于數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定的把控和采集方式的創(chuàng)新。

第二個(gè)層面是數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和通信標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，這一層面需要行業(yè)之間確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。不同設(shè)備之間、不同企業(yè)之間的數(shù)據(jù)格式往往不同，數(shù)據(jù)無(wú)法直接進(jìn)行溝通，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一和通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。統(tǒng)一之后，對(duì)于企業(yè)內(nèi)部而言，這些數(shù)據(jù)與企業(yè)的ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的高效管理，對(duì)于企業(yè)之間而言，通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，企業(yè)之間的溝通和交流才能成為可能。

第三個(gè)層面是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，這個(gè)層面需要有數(shù)據(jù)平臺(tái)為企業(yè)提供技術(shù)支持，但是對(duì)于一些中小型企業(yè)而言，單獨(dú)建立數(shù)據(jù)平臺(tái)是不經(jīng)濟(jì)的，所以中小型企業(yè)可以利用工業(yè)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的功能。在CPS第三個(gè)層面，企業(yè)與外部的互聯(lián)，企業(yè)的產(chǎn)品全周期的數(shù)據(jù)與供應(yīng)商、與客戶、與各行業(yè)者進(jìn)行共享，供應(yīng)商可根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品全周期數(shù)據(jù)提供快捷的供應(yīng)，減少了供應(yīng)的中間過(guò)程，企業(yè)減少原料、備件等的采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)成本，客戶通過(guò)企業(yè)的產(chǎn)品信息實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，同時(shí)企業(yè)通過(guò)客戶需求信息幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)和創(chuàng)新，行業(yè)之間的互聯(lián)則能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)共贏。第三個(gè)層面的構(gòu)建完成后，企業(yè)就完成了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，企業(yè)改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，形成新的商業(yè)模式。

4 結(jié)論

從德國(guó)工業(yè)4.0的模型和CPS的構(gòu)建可以看出：

1）RAMI 4.0提供了一個(gè)工業(yè)4.0的框架和模式，企業(yè)可以根據(jù)自己的條件，找準(zhǔn)自己的位置，RAMI 4.0也為企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0提供了參考途徑。

2）CPS是工業(yè)4.0的核心，為了實(shí)現(xiàn)CPS，企業(yè)需要在硬件和軟件上都有所投入，從三個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全周期的數(shù)據(jù)采集、上傳和應(yīng)用。

3）三個(gè)層面中，第一個(gè)層面和第二個(gè)層面是基礎(chǔ)，也是企業(yè)升級(jí)改造的過(guò)程，第三個(gè)層面是企業(yè)的外部互聯(lián)，可借助于工業(yè)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)，減少企業(yè)的數(shù)據(jù)平臺(tái)的投入成本。通過(guò)三個(gè)層面的構(gòu)建，企業(yè)可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式升級(jí)。

4）CPS的構(gòu)建最終是催生新的商業(yè)模式，形成一個(gè)良好的工業(yè)生態(tài)環(huán)境，企業(yè)與供應(yīng)商、企業(yè)與客戶、企業(yè)之間都能實(shí)現(xiàn)信息的互通，實(shí)現(xiàn)共贏。