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1　信息物理系統(tǒng)——CPS釋義

什么是Cyber Physical System（信息物理系統(tǒng)），這要從Cyber這個(gè)英文單詞說(shuō)起。Cyber（賽博）源自希臘語(yǔ)單詞Kubernetes，意思是舵手。控制論創(chuàng)始人諾伯特?維納在《控制論》中使用Cybernetics一詞表示計(jì)算機(jī)控制。Cyber作為前綴，代表與Internet相關(guān)或電腦相關(guān)的事物，即采用電子或計(jì)算機(jī)進(jìn)行的控制。Cyber Physical System稱(chēng)為信息物理系統(tǒng)。

Cyber Physical System有一個(gè)極為通俗的解釋?zhuān)此^雞蛋模型。將CPS比作一個(gè)雞蛋如圖1所示。

圖1 CPS蛋形模型

蛋黃——Physical表示了物理實(shí)體，蛋清——Cyber表示了信息、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等虛擬世界。只有蛋黃不稱(chēng)其為雞蛋，Cyber愈多，雞蛋的營(yíng)養(yǎng)愈大，價(jià)值愈高。它形象地說(shuō)明了Cyber的虛擬空間對(duì)實(shí)體的作用，說(shuō)明了Cyber與Physical的相依關(guān)系。

最典型的CPS是我們生活中的智能手機(jī)。它的物理實(shí)體就是握在手中的手機(jī)本體，Cyber就是手機(jī)的軟件和通信系統(tǒng)。智能手機(jī)的價(jià)值主要由其Cyber來(lái)決定。手機(jī)的技術(shù)進(jìn)步一方面是物理實(shí)體的進(jìn)步：機(jī)體的尺寸、占屏比、攝像頭的水平等。更重要的是軟件的進(jìn)步，所以，手機(jī)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)既在物理實(shí)體領(lǐng)域，又主要在Cyber領(lǐng)域進(jìn)行。

再以一個(gè)小CPS為例：洗衣機(jī)這個(gè)物理設(shè)備，僅僅一臺(tái)洗衣機(jī)也就是一個(gè)洗衣服的設(shè)備。但是如果在這個(gè)物理設(shè)備上加上網(wǎng)絡(luò)，加上計(jì)算機(jī)軟件（管理洗衣機(jī)系統(tǒng)）這樣一些Cyber，這個(gè)小的CPS就變成了一個(gè)服裝管理系統(tǒng)，它可以為用戶(hù)提供對(duì)洗滌衣服的全面管理。這個(gè)CPS可以按照每一個(gè)客戶(hù)的個(gè)性要求提供各類(lèi)服裝服務(wù)，比如帶著熏衣草味的衣服；比如，準(zhǔn)時(shí)地將衣服洗好并用手機(jī)短信通知客戶(hù)；比如，客戶(hù)隨時(shí)可以得到所洗衣服處在什么狀態(tài)，他可以隨時(shí)變更原來(lái)的要求。總之，即使小小的洗衣機(jī)也因?yàn)榧尤肓速惒–yber）變成了智能的服裝管理系統(tǒng)。這種加了賽博（Cyber）的洗衣機(jī)成為智能設(shè)備，它隨時(shí)按照用戶(hù)要求進(jìn)行服務(wù)的特征具有工業(yè)4.0的特征。

再例如，一組農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，它們是物理實(shí)體。但如果加上通信網(wǎng)絡(luò)，加上傳感器，加上來(lái)自各方的農(nóng)業(yè)信息，加上農(nóng)業(yè)管理軟件那樣的Cyber，就產(chǎn)生了一個(gè)大的農(nóng)業(yè)耕作管理系統(tǒng)。這樣一個(gè)CPS系統(tǒng)就成為智能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界，使物理實(shí)體能夠通信，能與虛擬世界相互作用，創(chuàng)造一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)物理實(shí)體的世界。一旦網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)范疇，CPS就可發(fā)展成為無(wú)處不在的智能系統(tǒng)。一個(gè)個(gè)物理實(shí)體就處在“無(wú)處不連接”的連接之中，互聯(lián)網(wǎng)的蛋清將與物理實(shí)體的蛋黃融為一體成為工業(yè)4.0的核心。

由上可見(jiàn)信息物理系統(tǒng)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同。CPS因Cyber而變得應(yīng)用非常廣泛。

信息物理系統(tǒng)作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，集成計(jì)算、通信與控制于一體的新型智能系統(tǒng)。它通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控物理實(shí)體。

2005年5月，美國(guó)科學(xué)院評(píng)估美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)提出了維持和提高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的建議，并于2006年2月發(fā)布了《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》，將CPS列為重要的研究項(xiàng)目。到了2007年7月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)、高端計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、NIT與社會(huì)科學(xué)。與此同時(shí)，歐盟從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進(jìn)研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過(guò)70億美元），研究CPS等先進(jìn)技術(shù)，希望成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。CPS在工業(yè)4.0之前已經(jīng)受到科學(xué)界、工業(yè)界的廣泛重視。

本質(zhì)上說(shuō)，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，是一個(gè)具有Cyber的智能控制系統(tǒng)。

CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等功能，為新的工業(yè)革命注入原動(dòng)力。

從產(chǎn)業(yè)角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)，大到工業(yè)控制系統(tǒng)，乃至智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)的應(yīng)用。它不僅可以將現(xiàn)有的家電簡(jiǎn)單地連在一起，而且可以催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備無(wú)處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大地提高汽車(chē)、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。CPS不僅會(huì)催生出新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局，推動(dòng)新一次工業(yè)革命發(fā)展。

CPS可提供構(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。這些技術(shù)被稱(chēng)為“實(shí)現(xiàn)技術(shù)”，培育更加廣泛的基于創(chuàng)新型應(yīng)用或過(guò)程的新現(xiàn)實(shí)空間，淡化現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間的界限。“實(shí)現(xiàn)技術(shù)”就像互聯(lián)網(wǎng)使得個(gè)人通信以及相互作用的關(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(lái)根本性變化。

工業(yè)4.0中的CPS實(shí)質(zhì)上是由物聯(lián)網(wǎng)（物事互聯(lián)網(wǎng)）、務(wù)聯(lián)網(wǎng)（服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)）以及廣義的人聯(lián)網(wǎng)支持的各種物理實(shí)體：智能工廠、智能電網(wǎng)、智能建筑、智慧城市、各種服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及人們所持的智能終端構(gòu)成，如圖2所示。它們實(shí)現(xiàn)著智能生產(chǎn)、智能制造，創(chuàng)造出全新的人類(lèi)生活。

2　工業(yè)4.0中的CPS

按照工業(yè)4.0綱領(lǐng)，未來(lái)的工業(yè)企業(yè)各種CPS將由全球的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支持，將各類(lèi)智能機(jī)器、后勤系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起，在制造環(huán)境中，這些CPS所包含的智能機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)實(shí)體可以自動(dòng)地交換信息，觸發(fā)動(dòng)作、相互獨(dú)立地控制。這些實(shí)體對(duì)工業(yè)過(guò)程的基本改進(jìn)涉及了制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和全生命周期管理。CPS支持下，出現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)著全新生產(chǎn)方法的智能工廠及具有動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式的智能生產(chǎn)線(xiàn)。CPS生產(chǎn)出的智能產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)時(shí)段內(nèi)，都知道自己的歷史、現(xiàn)狀以及達(dá)到最終生產(chǎn)目標(biāo)的生產(chǎn)路徑。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)—網(wǎng)絡(luò)中的人、物和系統(tǒng)

以物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)4.0的CPS的核心是智能工廠和智能產(chǎn)品。

CPS支持的智能工廠有如下特點(diǎn)：

（1）智能工廠蘊(yùn)含在公司內(nèi)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中；

（2）它由包含了制造過(guò)程和制造產(chǎn)品的端到端工程來(lái)定性，使得數(shù)字信息與物理實(shí)體無(wú)縫地融合；

（3）它便于工作人員管理制造過(guò)程中不斷增加的復(fù)雜性；

（4）它同時(shí)確保生產(chǎn)本身極具吸引力、適應(yīng)城市環(huán)境并贏利；

（5）智能工廠的生產(chǎn)過(guò)程與企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)協(xié)同，同時(shí)它的進(jìn)程因互聯(lián)網(wǎng)的支持敏捷而靈活，因此可實(shí)現(xiàn)效益最大化；

（6）智能工廠可以最大限度地發(fā)揮員工的智慧與潛能；可以恰當(dāng)?shù)厝谌氤晒Φ纳a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與生產(chǎn)訣竅（know-how），使工業(yè)4.0落地生根；

（7）智能工廠可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式和工程流程化，使得產(chǎn)品在最后時(shí)刻也可根據(jù)實(shí)時(shí)需求變化；

（8）可提供端到端的實(shí)時(shí)透明，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的決策支持技術(shù)；

（9）創(chuàng)造新價(jià)值方式和新的商業(yè)模式，特別是它將為初創(chuàng)企業(yè)和小企業(yè)提供發(fā)展良機(jī)，并提供下游服務(wù)。

由智能工廠生產(chǎn)的智能產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：

（1）具有獨(dú)特的可識(shí)別性，在全生命周期可定位；

（2）即便在它被制造的過(guò)程中，其制造過(guò)程的細(xì)節(jié)，也是被了解的；

（3）在生產(chǎn)過(guò)程一定的區(qū)域，可以半自動(dòng)控制智能產(chǎn)品的生產(chǎn)單獨(dú)階段；

（4）確保智能產(chǎn)品知道其成品功能指標(biāo)和生命周期內(nèi)損耗；

（5）智能產(chǎn)品的信息匯集在一起，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置以便優(yōu)化智能工廠的物流、配置、維護(hù)和企業(yè)管理應(yīng)用集成；

（6）智能產(chǎn)品可以追蹤溯源，杜絕假冒偽劣。因而它質(zhì)量第一，好而不便宜（better not cheap），這是工業(yè)4.0時(shí)代的重要經(jīng)營(yíng)準(zhǔn)則。

在智能工廠里，機(jī)器和資源如同在一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)里一樣，自然地相互溝通協(xié)作。智能產(chǎn)品理解它們被制造的細(xì)節(jié)以及將被如何使用。它們積極協(xié)助生產(chǎn)過(guò)程，回答諸如“我是什么時(shí)候被制造的”、“哪組參數(shù)應(yīng)被用來(lái)處理我”、“我應(yīng)該被傳送到哪”等問(wèn)題。其與智能移動(dòng)性、智能物流和智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)接，將使智能工廠成為未來(lái)的智能基礎(chǔ)設(shè)施中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。這將導(dǎo)致傳統(tǒng)價(jià)值鏈的轉(zhuǎn)變和新商業(yè)模式的出現(xiàn)。

智能工廠也是一個(gè)典型的CPS系統(tǒng)，如圖3所示。通過(guò)橫向集成技術(shù)，可以將相關(guān)的全球的實(shí)體工廠和公用機(jī)器集成起來(lái)組成智能生產(chǎn)線(xiàn)，而軟件、網(wǎng)絡(luò)、智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬生產(chǎn)等Cyber與工廠實(shí)體協(xié)同構(gòu)成了智能工廠。這種虛實(shí)結(jié)合的結(jié)構(gòu)正是CPS的本質(zhì)。

圖3 工業(yè)4.0的智能工廠

由此可見(jiàn)，工業(yè)4.0是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和IT引入到基礎(chǔ)生產(chǎn)中，引入到產(chǎn)品制造中，引入到實(shí)體經(jīng)濟(jì)的變革中，促進(jìn)工業(yè)智能化。

CPS生產(chǎn)出的智能產(chǎn)品不再是一個(gè)產(chǎn)品實(shí)體而是包含了產(chǎn)品制造和未來(lái)使用中的全部信息的智能產(chǎn)品。通過(guò)ID號(hào)可以獲得它被制造過(guò)程的全部信息。將來(lái)產(chǎn)品生命周期結(jié)束，它的使用或運(yùn)行信息比用過(guò)的產(chǎn)品更有價(jià)值。一輛典型的智能汽車(chē)在報(bào)廢后，也許其自身的運(yùn)行信息比它的原價(jià)值更高。

由此，工業(yè)4.0的CPS可將個(gè)體客戶(hù)和產(chǎn)品特殊性能需求融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、組態(tài)、訂貨、生產(chǎn)、運(yùn)行與回收各階段。也可在制造前或制造進(jìn)行時(shí)將最后一分鐘的客戶(hù)需求加入制造中，也可實(shí)現(xiàn)單件或小批量制造并贏利。也可讓生產(chǎn)者來(lái)控制、調(diào)節(jié)或組態(tài)智能制造的資源網(wǎng)絡(luò)和制造步驟。生產(chǎn)者可以從生產(chǎn)任務(wù)的過(guò)程中解放出來(lái)，致力于創(chuàng)新和增值的生產(chǎn)活動(dòng)。他們將在生產(chǎn)過(guò)程中起關(guān)鍵作用特別是在質(zhì)量保證方面。同時(shí)，靈活的工作條件也可協(xié)調(diào)他們的工作和個(gè)人的需求。

由CPS支持的智能生產(chǎn)與智能工廠以及智能產(chǎn)品將深層次地改變生產(chǎn)過(guò)程本身、改變工作者的工作條件與狀態(tài)，繼而改變產(chǎn)品的交易以及整個(gè)社會(huì)的商業(yè)模式。

在工業(yè) 4.0的CPS中，有以下特點(diǎn)：

（1）滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求，允許在設(shè)計(jì)、配置、訂購(gòu)、規(guī)劃、制造和運(yùn)作等環(huán)節(jié)考慮個(gè)體和客戶(hù)特殊需求，而且即使在最后階段仍能變動(dòng)。CPS支持在工業(yè)4.0中，有可能在一次性生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)過(guò)程的不同方面，如質(zhì)量、時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)、魯棒性、價(jià)格和生態(tài)友好性等，進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。這有利于原料和供應(yīng)鏈的連續(xù)“微調(diào)”。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(shí)短缺（例如供應(yīng)問(wèn)題）可以得到補(bǔ)償，輸出的大量增加可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

（3）決策優(yōu)化。為了在全球市場(chǎng)上取得成功，在短時(shí)間內(nèi)能夠做出正確決定變得越來(lái)越關(guān)鍵。工業(yè)4.0提供了端到端的實(shí)時(shí)透明，使得工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)決策可以進(jìn)行早期驗(yàn)證，并且既可以對(duì)干擾做出更靈活的反應(yīng)，還可以對(duì)生產(chǎn)領(lǐng)域中公司的所有位置進(jìn)行全局優(yōu)化。

（4）資源生產(chǎn)率和利用效率。工業(yè)制造過(guò)程的總體戰(zhàn)略目標(biāo)仍然適用于工業(yè)4.0：在給定資源量（資源生產(chǎn)率）的前提下，得到盡可能高的產(chǎn)品輸出；使用盡可能低的資源量，達(dá)到指定的輸出（資源利用效率）。CPS在貫穿整個(gè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。此外，系統(tǒng)可就生產(chǎn)過(guò)程中的資源和能源消耗或降低排放進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，而不是停止生產(chǎn)。

（5）通過(guò)新的服務(wù)創(chuàng)造價(jià)值機(jī)會(huì)。工業(yè)4.0的CPS，由于得到IoS的支持，開(kāi)辟了創(chuàng)造價(jià)值的新途徑和就業(yè)的新形式，比如通過(guò)下游服務(wù)，智能算法可用于各種大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是為了提供創(chuàng)新服務(wù)而由智能設(shè)備所記錄的。尤其是對(duì)于中小企業(yè)和初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)，有更多發(fā)展的機(jī)會(huì)。

（6）B2B（企業(yè)對(duì)企業(yè)）服務(wù)。應(yīng)對(duì)工作場(chǎng)所人口的變化，通過(guò)工作組織和能力發(fā)展計(jì)劃相結(jié)合，人與技術(shù)系統(tǒng)之間的互動(dòng)合作為企業(yè)提供新的機(jī)會(huì)，將人口變化轉(zhuǎn)化為自身的優(yōu)勢(shì)。面對(duì)熟練勞動(dòng)力的短缺和日益多樣化的勞動(dòng)力（如年齡、性別和文化背景），工業(yè)4.0的CPS將提供靈活多樣的職業(yè)路徑，讓人們的工作生涯更長(zhǎng)，并且保持生產(chǎn)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(mǎn)足員工不斷增長(zhǎng)的需求，讓員工在工作與私人生活之間，以及個(gè)人發(fā)展與持續(xù)的職業(yè)發(fā)展之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。

（8）智能輔助系統(tǒng)。CPS中，具備智能輔助系統(tǒng)，使人的工作融入智能生產(chǎn)線(xiàn)中。它將提供新的組織工作的機(jī)會(huì)，即提供一種靈活的新標(biāo)準(zhǔn)以滿(mǎn)足公司的需要和員工個(gè)人的需求。它將智能地輔助工人融入智能生產(chǎn)線(xiàn)中。它通過(guò)機(jī)器人、智能機(jī)械工具，對(duì)復(fù)雜工作過(guò)程的適應(yīng)性智能輔助，技術(shù)錯(cuò)誤診斷的智能輔助，本地維護(hù)計(jì)劃輔助以及多模的人—機(jī)交互使接受過(guò)輔助系統(tǒng)培訓(xùn)的工人適應(yīng)智能生產(chǎn)線(xiàn)的環(huán)境與要求。

總而言之，具有戰(zhàn)略意義的工業(yè)4.0綱領(lǐng)將極大地促進(jìn)全新的CPS平臺(tái)適應(yīng)具有協(xié)作特點(diǎn)的商業(yè)化進(jìn)程（整個(gè)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)在全生命周期連接智能工廠和智能產(chǎn)品）；CPS平臺(tái)將提供服務(wù)和實(shí)際應(yīng)用，并且能聯(lián)系到所有參與的人員、物體和系統(tǒng)，同時(shí)還將擁有以下特征：

（1）靈活性，可以提供迅速和簡(jiǎn)單流程的服務(wù)和應(yīng)用，包括基于CPS的軟件；

（2）在 App Store模式鏈下實(shí)現(xiàn)商業(yè)進(jìn)程中的調(diào)配和部署；

（3）提供綜合性強(qiáng)、安全可信的全商業(yè)進(jìn)程支持；

（4）保障從傳感器到客戶(hù)交流所有環(huán)節(jié)的安全和可靠系統(tǒng)；

（5）支持移動(dòng)端設(shè)備；

（6）支持商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中互相協(xié)助的生產(chǎn)、服務(wù)、分析和預(yù)測(cè)。

在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，共享的CPS平臺(tái)往往針對(duì)包括服務(wù)流程和應(yīng)用在內(nèi)的IT技術(shù)發(fā)展有特殊需求。CPS的橫向與縱向集成、工業(yè)流程中的應(yīng)用及服務(wù)往往也會(huì)誕生出一些特殊的需求。對(duì)于工業(yè)4.0來(lái)說(shuō)，在整個(gè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，重要的是需要更加廣闊的規(guī)則，包容復(fù)雜的流程。在互相協(xié)作的公司間和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)建立起共享的服務(wù)和應(yīng)用。在CPS平臺(tái)上，諸如物理安全與信息安全，系統(tǒng)可靠性與響應(yīng)性、使用、操作模式的融合，實(shí)時(shí)分析和預(yù)測(cè)等特性尤為重要。在互相協(xié)作的生產(chǎn)和服務(wù)過(guò)程中，確立流程標(biāo)準(zhǔn)以及安全、可靠、高效的操作都離不開(kāi)這些特性，同樣，它們對(duì)于執(zhí)行活躍的商業(yè)活動(dòng)也至關(guān)重要。

CPS還需要應(yīng)對(duì)由大范圍數(shù)據(jù)源和終端設(shè)備引發(fā)的各種問(wèn)題。CPS 平臺(tái)被公司間的IT人員、軟件和服務(wù)提供商以及公司本身所使用，需要有一個(gè)工業(yè)4.0的參考框架，該參考框架應(yīng)該考慮到ICT和制造企業(yè)的不同特征。模式化的操作流程要求CPS平臺(tái)開(kāi)發(fā)全新的應(yīng)用和服務(wù)，以此來(lái)滿(mǎn)足那些瞬息萬(wàn)變的復(fù)雜變化。最后，擁有一個(gè)高帶寬、安全高效的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)則是保障數(shù)據(jù)交換安全的關(guān)鍵。

3　工業(yè)4.0 CPS的動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式

工業(yè)4.0的CPS系統(tǒng)有一個(gè)基本特點(diǎn)就是它的動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式，如圖4所示。智能工廠里的智能生產(chǎn)線(xiàn)是由一系列可以動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)模塊或生產(chǎn)單元組成。每一個(gè)生產(chǎn)模塊包含了許多從事生產(chǎn)作業(yè)的機(jī)器，所有的生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備都能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施存取相關(guān)的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)信息指示，自主地切換，自主地更換生產(chǎn)材料和在加工零件，從而自動(dòng)調(diào)整為所要求的、最匹配的生產(chǎn)作業(yè)模式。

圖4 智能工廠CPS 動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)

智能工廠中，固定的生產(chǎn)線(xiàn)的概念已經(jīng)消失，采取的是可以動(dòng)態(tài)配置的，可根據(jù)需求重構(gòu)的模塊化生產(chǎn)方式。這種生產(chǎn)方式能夠按照每個(gè)客戶(hù)（單個(gè)或小批量客戶(hù)）、每個(gè)產(chǎn)品不同要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，組織生產(chǎn)。所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)以最匹配的方式進(jìn)行，杜絕生產(chǎn)鏈中一切浪費(fèi)。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式不同，動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式在生產(chǎn)前、生產(chǎn)過(guò)程中都可隨時(shí)變更最初的設(shè)計(jì)方案，變更工藝路線(xiàn)。

工業(yè)4.0的智能工廠中，固定生產(chǎn)線(xiàn)的概念已經(jīng)消失，進(jìn)行著動(dòng)態(tài)的、高效的模塊化可重構(gòu)的新生產(chǎn)方式。正在進(jìn)行裝配的機(jī)器（產(chǎn)品）可以自律地在生產(chǎn)模塊中穿梭接受所需的加工和裝配作業(yè)。如果生產(chǎn)中零部件供給環(huán)節(jié)出現(xiàn)瓶頸，智能生產(chǎn)線(xiàn)的賽博（Cyber）能夠及時(shí)調(diào)度其他生產(chǎn)資源的零部件補(bǔ)充，使生產(chǎn)高效運(yùn)行。智能工廠里每一臺(tái)機(jī)器都可主動(dòng)地選擇適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置作業(yè)。

在CPS動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式下，智能工廠里的信息化集成系統(tǒng)中的MES的綜合管理功能可以淋漓盡致地發(fā)揮出來(lái)，能夠動(dòng)態(tài)管理設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試等整個(gè)生產(chǎn)流程，既保證生產(chǎn)設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)又可實(shí)現(xiàn)多樣化生產(chǎn)。智能生產(chǎn)線(xiàn)的動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)是小批量生產(chǎn)甚至單件生產(chǎn)的技術(shù)保證。正是CPS的動(dòng)態(tài)配置生產(chǎn)方式使得工業(yè)4.0打破了傳統(tǒng)的規(guī)模生產(chǎn)要求，可實(shí)現(xiàn)靈活、敏捷的智能制造。

在新工業(yè)革命中，CPS系統(tǒng)無(wú)時(shí)無(wú)處地出現(xiàn)在生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)著智能生產(chǎn)，源源不斷地生產(chǎn)出個(gè)性化智能產(chǎn)品。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年12月刊