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1　信息物理系統——CPS釋義

什么是Cyber Physical System（信息物理系統），這要從Cyber這個英文單詞說起。Cyber（賽博）源自希臘語單詞Kubernetes，意思是舵手。控制論創始人諾伯特?維納在《控制論》中使用Cybernetics一詞表示計算機控制。Cyber作為前綴，代表與Internet相關或電腦相關的事物，即采用電子或計算機進行的控制。Cyber Physical System稱為信息物理系統。

Cyber Physical System有一個極為通俗的解釋，即所謂雞蛋模型。將CPS比作一個雞蛋如圖1所示。

圖1 CPS蛋形模型

蛋黃——Physical表示了物理實體，蛋清——Cyber表示了信息、網絡、計算機等虛擬世界。只有蛋黃不稱其為雞蛋，Cyber愈多，雞蛋的營養愈大，價值愈高。它形象地說明了Cyber的虛擬空間對實體的作用，說明了Cyber與Physical的相依關系。

最典型的CPS是我們生活中的智能手機。它的物理實體就是握在手中的手機本體，Cyber就是手機的軟件和通信系統。智能手機的價值主要由其Cyber來決定。手機的技術進步一方面是物理實體的進步：機體的尺寸、占屏比、攝像頭的水平等。更重要的是軟件的進步，所以，手機行業的競爭既在物理實體領域，又主要在Cyber領域進行。

再以一個小CPS為例：洗衣機這個物理設備，僅僅一臺洗衣機也就是一個洗衣服的設備。但是如果在這個物理設備上加上網絡，加上計算機軟件（管理洗衣機系統）這樣一些Cyber，這個小的CPS就變成了一個服裝管理系統，它可以為用戶提供對洗滌衣服的全面管理。這個CPS可以按照每一個客戶的個性要求提供各類服裝服務，比如帶著熏衣草味的衣服；比如，準時地將衣服洗好并用手機短信通知客戶；比如，客戶隨時可以得到所洗衣服處在什么狀態，他可以隨時變更原來的要求。總之，即使小小的洗衣機也因為加入了賽博（Cyber）變成了智能的服裝管理系統。這種加了賽博（Cyber）的洗衣機成為智能設備，它隨時按照用戶要求進行服務的特征具有工業4.0的特征。

再例如，一組農業機械設備，它們是物理實體。但如果加上通信網絡，加上傳感器，加上來自各方的農業信息，加上農業管理軟件那樣的Cyber，就產生了一個大的農業耕作管理系統。這樣一個CPS系統就成為智能的農業生產管理系統。

CPS連接了虛擬空間與物理現實世界，使物理實體能夠通信，能與虛擬世界相互作用，創造一個真正的網絡互聯物理實體的世界。一旦網絡擴展到互聯網范疇，CPS就可發展成為無處不在的智能系統。一個個物理實體就處在“無處不連接”的連接之中，互聯網的蛋清將與物理實體的蛋黃融為一體成為工業4.0的核心。

由上可見信息物理系統是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工業系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效、實時協同。CPS因Cyber而變得應用非常廣泛。

信息物理系統作為計算進程和物理進程的統一體，集成計算、通信與控制于一體的新型智能系統。它通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控物理實體。

2005年5月，美國科學院評估美國的技術競爭力時提出了維持和提高技術競爭力的建議，并于2006年2月發布了《美國競爭力計劃》，將CPS列為重要的研究項目。到了2007年7月，美國總統科學技術顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰下的領先——競爭世界中的信息技術研發》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數據、數據存儲與數據流、網絡、高端計算、網絡與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。與此同時，歐盟從2007年到2013年在嵌入智能與系統的先進研究與技術（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過70億美元），研究CPS等先進技術，希望成為智能電子系統的世界領袖。CPS在工業4.0之前已經受到科學界、工業界的廣泛重視。

本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別于現有的控制系統，是一個具有Cyber的智能控制系統。

CPS的意義在于將物理設備聯網，特別是連接到互聯網上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等功能，為新的工業革命注入原動力。

從產業角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網絡，大到工業控制系統，乃至智能交通系統等國家級甚至世界級的應用。它不僅可以將現有的家電簡單地連在一起，而且可以催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設備。下一代工業將建立在CPS之上，隨著CPS技術的發展和普及，使用計算機和網絡實現功能擴展的物理設備無處不在，并將推動工業產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業自動化、健康/醫療設備、重大基礎設施等主要工業領域的競爭力。CPS不僅會催生出新的工業，甚至會重新排列現有產業布局，推動新一次工業革命發展。

CPS可提供構建物聯網的基礎部分，并且與“服務互聯網”一體化，實現工業 4.0。這些技術被稱為“實現技術”，培育更加廣泛的基于創新型應用或過程的新現實空間，淡化現實世界與虛擬空間的界限。“實現技術”就像互聯網使得個人通信以及相互作用的關系發生變革一樣，將給我們與物理現實世界之間的相互作用關系帶來根本性變化。

工業4.0中的CPS實質上是由物聯網（物事互聯網）、務聯網（服務互聯網）以及廣義的人聯網支持的各種物理實體：智能工廠、智能電網、智能建筑、智慧城市、各種服務網絡及人們所持的智能終端構成，如圖2所示。它們實現著智能生產、智能制造，創造出全新的人類生活。

2　工業4.0中的CPS

按照工業4.0綱領，未來的工業企業各種CPS將由全球的工業互聯網支持，將各類智能機器、后勤系統與生產系統集成在一起，在制造環境中，這些CPS所包含的智能機器、存儲系統和生產實體可以自動地交換信息，觸發動作、相互獨立地控制。這些實體對工業過程的基本改進涉及了制造、工程、材料使用、供應鏈和全生命周期管理。CPS支持下，出現了實現著全新生產方法的智能工廠及具有動態配置生產方式的智能生產線。CPS生產出的智能產品在整個生產時段內，都知道自己的歷史、現狀以及達到最終生產目標的生產路徑。

圖2 物聯網和服務網—網絡中的人、物和系統

以物聯網與務聯網為基礎的工業4.0的CPS的核心是智能工廠和智能產品。

CPS支持的智能工廠有如下特點：

（1）智能工廠蘊含在公司內價值網絡中；

（2）它由包含了制造過程和制造產品的端到端工程來定性，使得數字信息與物理實體無縫地融合；

（3）它便于工作人員管理制造過程中不斷增加的復雜性；

（4）它同時確保生產本身極具吸引力、適應城市環境并贏利；

（5）智能工廠的生產過程與企業的戰略目標協同，同時它的進程因互聯網的支持敏捷而靈活，因此可實現效益最大化；

（6）智能工廠可以最大限度地發揮員工的智慧與潛能；可以恰當地融入成功的生產經驗與生產訣竅（know-how），使工業4.0落地生根；

（7）智能工廠可實現動態配置生產方式和工程流程化，使得產品在最后時刻也可根據實時需求變化；

（8）可提供端到端的實時透明，實現優化的決策支持技術；

（9）創造新價值方式和新的商業模式，特別是它將為初創企業和小企業提供發展良機，并提供下游服務。

由智能工廠生產的智能產品有如下特點：

（1）具有獨特的可識別性，在全生命周期可定位；

（2）即便在它被制造的過程中，其制造過程的細節，也是被了解的；

（3）在生產過程一定的區域，可以半自動控制智能產品的生產單獨階段；

（4）確保智能產品知道其成品功能指標和生命周期內損耗；

（5）智能產品的信息匯集在一起，實現動態配置以便優化智能工廠的物流、配置、維護和企業管理應用集成；

（6）智能產品可以追蹤溯源，杜絕假冒偽劣。因而它質量第一，好而不便宜（better not cheap），這是工業4.0時代的重要經營準則。

在智能工廠里，機器和資源如同在一個社交網絡里一樣，自然地相互溝通協作。智能產品理解它們被制造的細節以及將被如何使用。它們積極協助生產過程，回答諸如“我是什么時候被制造的”、“哪組參數應被用來處理我”、“我應該被傳送到哪”等問題。其與智能移動性、智能物流和智能系統網絡相對接，將使智能工廠成為未來的智能基礎設施中的一個關鍵組成部分。這將導致傳統價值鏈的轉變和新商業模式的出現。

智能工廠也是一個典型的CPS系統，如圖3所示。通過橫向集成技術，可以將相關的全球的實體工廠和公用機器集成起來組成智能生產線，而軟件、網絡、智能產品設計、虛擬生產等Cyber與工廠實體協同構成了智能工廠。這種虛實結合的結構正是CPS的本質。

圖3 工業4.0的智能工廠

由此可見，工業4.0是將互聯網技術和IT引入到基礎生產中，引入到產品制造中，引入到實體經濟的變革中，促進工業智能化。

CPS生產出的智能產品不再是一個產品實體而是包含了產品制造和未來使用中的全部信息的智能產品。通過ID號可以獲得它被制造過程的全部信息。將來產品生命周期結束，它的使用或運行信息比用過的產品更有價值。一輛典型的智能汽車在報廢后，也許其自身的運行信息比它的原價值更高。

由此，工業4.0的CPS可將個體客戶和產品特殊性能需求融入產品設計、組態、訂貨、生產、運行與回收各階段。也可在制造前或制造進行時將最后一分鐘的客戶需求加入制造中，也可實現單件或小批量制造并贏利。也可讓生產者來控制、調節或組態智能制造的資源網絡和制造步驟。生產者可以從生產任務的過程中解放出來，致力于創新和增值的生產活動。他們將在生產過程中起關鍵作用特別是在質量保證方面。同時，靈活的工作條件也可協調他們的工作和個人的需求。

由CPS支持的智能生產與智能工廠以及智能產品將深層次地改變生產過程本身、改變工作者的工作條件與狀態，繼而改變產品的交易以及整個社會的商業模式。

在工業 4.0的CPS中，有以下特點：

（1）滿足用戶個性化需求，允許在設計、配置、訂購、規劃、制造和運作等環節考慮個體和客戶特殊需求，而且即使在最后階段仍能變動。CPS支持在工業4.0中，有可能在一次性生產且很低批量的情況下仍能獲利。

（2）靈活性。基于 CPS 的自組織網絡可以根據業務過程的不同方面，如質量、時間、風險、魯棒性、價格和生態友好性等，進行動態配置。這有利于原料和供應鏈的連續“微調”。也意味著工程流程可以更加靈活，制造工藝可以被改變，暫時短缺（例如供應問題）可以得到補償，輸出的大量增加可以在短時間內實現。

（3）決策優化。為了在全球市場上取得成功，在短時間內能夠做出正確決定變得越來越關鍵。工業4.0提供了端到端的實時透明，使得工程領域的設計決策可以進行早期驗證，并且既可以對干擾做出更靈活的反應，還可以對生產領域中公司的所有位置進行全局優化。

（4）資源生產率和利用效率。工業制造過程的總體戰略目標仍然適用于工業4.0：在給定資源量（資源生產率）的前提下，得到盡可能高的產品輸出；使用盡可能低的資源量，達到指定的輸出（資源利用效率）。CPS在貫穿整個價值網絡的各個環節基礎上，對制造過程進行優化。此外，系統可就生產過程中的資源和能源消耗或降低排放進行持續優化，而不是停止生產。

（5）通過新的服務創造價值機會。工業4.0的CPS，由于得到IoS的支持，開辟了創造價值的新途徑和就業的新形式，比如通過下游服務，智能算法可用于各種大數據，這些數據是為了提供創新服務而由智能設備所記錄的。尤其是對于中小企業和初創公司來說，有更多發展的機會。

（6）B2B（企業對企業）服務。應對工作場所人口的變化，通過工作組織和能力發展計劃相結合，人與技術系統之間的互動合作為企業提供新的機會，將人口變化轉化為自身的優勢。面對熟練勞動力的短缺和日益多樣化的勞動力（如年齡、性別和文化背景），工業4.0的CPS將提供靈活多樣的職業路徑，讓人們的工作生涯更長，并且保持生產能力。

（7）工作和生活的平衡。使用CPS的公司將具有更加靈活的工作組織模式，它們可以很好地滿足員工不斷增長的需求，讓員工在工作與私人生活之間，以及個人發展與持續的職業發展之間實現更好的平衡。

（8）智能輔助系統。CPS中，具備智能輔助系統，使人的工作融入智能生產線中。它將提供新的組織工作的機會，即提供一種靈活的新標準以滿足公司的需要和員工個人的需求。它將智能地輔助工人融入智能生產線中。它通過機器人、智能機械工具，對復雜工作過程的適應性智能輔助，技術錯誤診斷的智能輔助，本地維護計劃輔助以及多模的人—機交互使接受過輔助系統培訓的工人適應智能生產線的環境與要求。

總而言之，具有戰略意義的工業4.0綱領將極大地促進全新的CPS平臺適應具有協作特點的商業化進程（整個商業網絡在全生命周期連接智能工廠和智能產品）；CPS平臺將提供服務和實際應用，并且能聯系到所有參與的人員、物體和系統，同時還將擁有以下特征：

（1）靈活性，可以提供迅速和簡單流程的服務和應用，包括基于CPS的軟件；

（2）在 App Store模式鏈下實現商業進程中的調配和部署；

（3）提供綜合性強、安全可信的全商業進程支持；

（4）保障從傳感器到客戶交流所有環節的安全和可靠系統；

（5）支持移動端設備；

（6）支持商業網絡中互相協助的生產、服務、分析和預測。

在商業網絡中，共享的CPS平臺往往針對包括服務流程和應用在內的IT技術發展有特殊需求。CPS的橫向與縱向集成、工業流程中的應用及服務往往也會誕生出一些特殊的需求。對于工業4.0來說，在整個服務網絡中，重要的是需要更加廣闊的規則，包容復雜的流程。在互相協作的公司間和商業網絡中，應建立起共享的服務和應用。在CPS平臺上，諸如物理安全與信息安全，系統可靠性與響應性、使用、操作模式的融合，實時分析和預測等特性尤為重要。在互相協作的生產和服務過程中，確立流程標準以及安全、可靠、高效的操作都離不開這些特性，同樣，它們對于執行活躍的商業活動也至關重要。

CPS還需要應對由大范圍數據源和終端設備引發的各種問題。CPS 平臺被公司間的IT人員、軟件和服務提供商以及公司本身所使用，需要有一個工業4.0的參考框架，該參考框架應該考慮到ICT和制造企業的不同特征。模式化的操作流程要求CPS平臺開發全新的應用和服務，以此來滿足那些瞬息萬變的復雜變化。最后，擁有一個高帶寬、安全高效的網絡基礎則是保障數據交換安全的關鍵。

3　工業4.0 CPS的動態配置生產方式

工業4.0的CPS系統有一個基本特點就是它的動態配置生產方式，如圖4所示。智能工廠里的智能生產線是由一系列可以動態配置的生產模塊或生產單元組成。每一個生產模塊包含了許多從事生產作業的機器，所有的生產機器設備都能夠通過網絡實施存取相關的實時信息，并根據信息指示，自主地切換，自主地更換生產材料和在加工零件，從而自動調整為所要求的、最匹配的生產作業模式。

圖4 智能工廠CPS 動態配置生產

智能工廠中，固定的生產線的概念已經消失，采取的是可以動態配置的，可根據需求重構的模塊化生產方式。這種生產方式能夠按照每個客戶（單個或小批量客戶）、每個產品不同要求進行設計，組織生產。所有生產環節以最匹配的方式進行，杜絕生產鏈中一切浪費。與傳統的生產方式不同，動態配置生產方式在生產前、生產過程中都可隨時變更最初的設計方案，變更工藝路線。

工業4.0的智能工廠中，固定生產線的概念已經消失，進行著動態的、高效的模塊化可重構的新生產方式。正在進行裝配的機器（產品）可以自律地在生產模塊中穿梭接受所需的加工和裝配作業。如果生產中零部件供給環節出現瓶頸，智能生產線的賽博（Cyber）能夠及時調度其他生產資源的零部件補充，使生產高效運行。智能工廠里每一臺機器都可主動地選擇適當的生產模塊進行動態配置作業。

在CPS動態配置生產方式下，智能工廠里的信息化集成系統中的MES的綜合管理功能可以淋漓盡致地發揮出來，能夠動態管理設計、裝配、測試等整個生產流程，既保證生產設備高效運轉又可實現多樣化生產。智能生產線的動態配置生產是小批量生產甚至單件生產的技術保證。正是CPS的動態配置生產方式使得工業4.0打破了傳統的規模生產要求，可實現靈活、敏捷的智能制造。

在新工業革命中，CPS系統無時無處地出現在生產線上實現著智能生產，源源不斷地生產出個性化智能產品。

摘自《自動化博覽》2015年12月刊