《工业4.0与两化融合》讲座

清华同方数字城市工程中心 魏晓东

《工业4.0与两化融合》讲座

清华同方数字城市工程中心 魏晓东

第二讲 信息物理系统（CPS）——新工业革命的基础

1 信息物理系统——CPS释义

什么是Cyber Physical System（信息物理系统），这要从Cyber这个英文单词说起。Cyber（赛博）源自希腊语单词Kubernetes，意思是舵手。控制论创始人诺伯特·维纳在《控制论》中使用Cybernetics一词表示计算机控制。Cyber作为前缀，代表与Internet相关或电脑相关的事物，即采用电子或计算机进行的控制。Cyber Physical System称为信息物理系统。

Cyber Physical System有一个极为通俗的解释，即所谓鸡蛋模型。将CPS比作一个鸡蛋如图1所示。

图1 CPS蛋形模型

蛋黄——Physical表示了物理实体，蛋清——Cyber表示了信息、网络、计算机等虚拟世界。只有蛋黄不称其为鸡蛋，Cyber愈多，鸡蛋的营养愈大，价值愈高。它形象地说明了Cyber的虚拟空间对实体的作用，说明了Cyber与Physical的相依关系。

最典型的CPS是我们生活中的智能手机。它的物理实体就是握在手中的手机本体，Cyber就是手机的软件和通信系统。智能手机的价值主要由其Cyber来决定。手机的技术进步一方面是物理实体的进步：机体的尺寸、占屏比、摄像头的水平等。更重要的是软件的进步，所以，手机行业的竞争既在物理实体领域，又主要在Cyber领域进行。

再以一个小CPS为例：洗衣机这个物理设备，仅仅一台洗衣机也就是一个洗衣服的设备。但是如果在这个物理设备上加上网络，加上计算机软件（管理洗衣机系统）这样一些Cyber，这个小的CPS就变成了一个服装管理系统，它可以为用户提供对洗涤衣服的全面管理。这个CPS可以按照每一个客户的个性要求提供各类服装服务，比如带着熏衣草味的衣服；比如，准时地将衣服洗好并用手机短信通知客户；比如，客户随时可以得到所洗衣服处在什么状态，他可以随时变更原来的要求。总之，即使小小的洗衣机也因为加入了赛博（Cyber）变成了智能的服装管理系统。这种加了赛博（Cyber）的洗衣机成为智能设备，它随时按照用户要求进行服务的特征具有工业4.0的特征。

再例如，一组农业机械设备，它们是物理实体。但如果加上通信网络，加上传感器，加上来自各方的农业信息，加上农业管理软件那样的Cyber，就产生了一个大的农业耕作管理系统。这样一个CPS系统就成为智能的农业生产管理系统。

CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使物理实体能够通信，能与虚拟世界相互作用，创造一个真正的网络互联物理实体的世界。一旦网络扩展到互联网范畴，CPS就可发展成为无处不在的智能系统。一个个物理实体就处在“无处不连接”的连接之中，互联网的蛋清将与物理实体的蛋黄融为一体成为工业4.0的核心。

由上可见信息物理系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同。CPS因Cyber而变得应用非常广泛。

信息物理系统作为计算进程和物理进程的统一体，集成计算、通信与控制于一体的新型智能系统。它通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控物理实体。

2005年5月，美国科学院评估美国的技术竞争力时提出了维持和提高技术竞争力的建议，并于2006年2月发布了《美国竞争力计划》，将CPS列为重要的研究项目。到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争

世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。与此同时，欧盟从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），研究CPS等先进技术，希望成为智能电子系统的世界领袖。CPS在工业4.0之前已经受到科学界、工业界的广泛重视。

本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统，是一个具有Cyber的智能控制系统。

CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等功能，为新的工业革命注入原动力。

从产业角度看，CPS涵盖了小到智能家庭网络，大到工业控制系统，乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。它不仅可以将现有的家电简单地连在一起，而且可以催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局，推动新一次工业革命发展。

CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与“服务互联网”一体化，实现工业 4.0。这些技术被称为“实现技术”，培育更加广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。“实现技术”就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。

工业4.0中的CPS实质上是由物联网（物事互联网）、务联网（服务互联网）以及广义的人联网支持的各种物理实体：智能工厂、智能电网、智能建筑、智慧城市、各种服务网络及人们所持的智能终端构成，如图2所示。它们实现着智能生产、智能制造，创造出全新的人类生活。

2 工业4.0中的CPS

按照工业4.0纲领，未来的工业企业各种CPS将由全球的工业互联网支持，将各类智能机器、后勤系统与生产系统集成在一起，在制造环境中，这些CPS所包含的智能机器、存储系统和生产实体可以自动地交换信息，触发动作、相互独立地控制。这些实体对工业过程的基本改进涉及了制造、工程、材料使用、供应链和全生命周期管理。CPS支持下，出现了实现着全新生产方法的智能工厂及具有动态配置生产方式的智能生产线。CPS生产出的智能产品在整个生产时段内，都知道自己的历史、现状以及达到最终生产目标的生产路径。

图2 物联网和服务网—网络中的人、物和系统

以物联网与务联网为基础的工业4.0的CPS的核心是智能工厂和智能产品。

CPS支持的智能工厂有如下特点：

（1）智能工厂蕴含在公司内价值网络中；

（2）它由包含了制造过程和制造产品的端到端工程来定性，使得数字信息与物理实体无缝地融合；

（3）它便于工作人员管理制造过程中不断增加的复杂性；

（4）它同时确保生产本身极具吸引力、适应城市环境并赢利；

（5）智能工厂的生产过程与企业的战略目标协同，同时它的进程因互联网的支持敏捷而灵活，因此可实现效益最大化；

（6）智能工厂可以最大限度地发挥员工的智慧与潜能；可以恰当地融入成功的生产经验与生产诀窍（know-how），使工业4.0落地生根；

（7）智能工厂可实现动态配置生产方式和工程流程化，使得产品在最后时刻也可根据实时需求变化；

（8）可提供端到端的实时透明，实现优化的决策支持技术；

（9）创造新价值方式和新的商业模式，特别是它将为初创企业和小企业提供发展良机，并提供下游服务。

由智能工厂生产的智能产品有如下特点：

（1）具有独特的可识别性，在全生命周期可定位；

（2）即便在它被制造的过程中，其制造过程的细节，也是被了解的；

（3）在生产过程一定的区域，可以半自动控制智能产品的生产单独阶段；

（4）确保智能产品知道其成品功能指标和生命周期内损耗；

（5）智能产品的信息汇集在一起，实现动态配置以便优化

智能工厂的物流、配置、维护和企业管理应用集成；

（6）智能产品可以追踪溯源，杜绝假冒伪劣。因而它质量第一，好而不便宜（better not cheap），这是工业4.0时代的重要经营准则。

在智能工厂里，机器和资源如同在一个社交网络里一样，自然地相互沟通协作。智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用。它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造的”、“哪组参数应被用来处理我”、“我应该被传送到哪”等问题。其与智能移动性、智能物流和智能系统网络相对接，将使智能工厂成为未来的智能基础设施中的一个关键组成部分。这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现。

智能工厂也是一个典型的CPS系统，如图3所示。通过横向集成技术，可以将相关的全球的实体工厂和公用机器集成起来组成智能生产线，而软件、网络、智能产品设计、虚拟生产等Cyber与工厂实体协同构成了智能工厂。这种虚实结合的结构正是CPS的本质。

图3 工业4.0的智能工厂

由此可见，工业4.0是将互联网技术和IT引入到基础生产中，引入到产品制造中，引入到实体经济的变革中，促进工业智能化。

CPS生产出的智能产品不再是一个产品实体而是包含了产品制造和未来使用中的全部信息的智能产品。通过ID号可以获得它被制造过程的全部信息。将来产品生命周期结束，它的使用或运行信息比用过的产品更有价值。一辆典型的智能汽车在报废后，也许其自身的运行信息比它的原价值更高。

由此，工业4.0的CPS可将个体客户和产品特殊性能需求融入产品设计、组态、订货、生产、运行与回收各阶段。也可在制造前或制造进行时将最后一分钟的客户需求加入制造中，也可实现单件或小批量制造并赢利。也可让生产者来控制、调节或组态智能制造的资源网络和制造步骤。生产者可以从生产任务的过程中解放出来，致力于创新和增值的生产活动。他们将在生产过程中起关键作用特别是在质量保证方面。同时，灵活的工作条件也可协调他们的工作和个人的需求。

由CPS支持的智能生产与智能工厂以及智能产品将深层次地改变生产过程本身、改变工作者的工作条件与状态，继而改变产品的交易以及整个社会的商业模式。

在工业 4.0的CPS中，有以下特点：

（1）满足用户个性化需求，允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节考虑个体和客户特殊需求，而且即使在最后阶段仍能变动。CPS支持在工业4.0中，有可能在一次性生产且很低批量的情况下仍能获利。

（2）灵活性。基于 CPS 的自组织网络可以根据业务过程的不同方面，如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等，进行动态配置。这有利于原料和供应链的连续“微调”。也意味着工程流程可以更加灵活，制造工艺可以被改变，暂时短缺（例如供应问题）可以得到补偿，输出的大量增加可以在短时间内实现。

（3）决策优化。为了在全球市场上取得成功，在短时间内能够做出正确决定变得越来越关键。工业4.0提供了端到端的实时透明，使得工程领域的设计决策可以进行早期验证，并且既可以对干扰做出更灵活的反应，还可以对生产领域中公司的所有位置进行全局优化。

（4）资源生产率和利用效率。工业制造过程的总体战略目标仍然适用于工业4.0：在给定资源量（资源生产率）的前提下，得到尽可能高的产品输出；使用尽可能低的资源量，达到指定的输出（资源利用效率）。CPS在贯穿整个价值网络的各个环节基础上，对制造过程进行优化。此外，系统可就生产过程中的资源和能源消耗或降低排放进行持续优化，而不是停止生产。

（5）通过新的服务创造价值机会。工业4.0的CPS，由于得到IoS的支持，开辟了创造价值的新途径和就业的新形式，比如通过下游服务，智能算法可用于各种大数据，这些数据是为了提供创新服务而由智能设备所记录的。尤其是对于中小企业和初创公司来说，有更多发展的机会。

（6）B2B（企业对企业）服务。应对工作场所人口的变化，通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间的互动合作为企业提供新的机会，将人口变化转化为自身的优势。面对熟练劳动力的短缺和日益多样化的劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0的CPS将提供灵活多样的职业路径，让人们的工作生涯更长，并且保持生产能力。

（7）工作和生活的平衡。使用CPS的公司将具有更加灵活的工作组织模式，它们可以很好地满足员工不断增长的需求，让员工在工作与私人生活之间，以及个人发展与持续的职业发展之间实现更好的平衡。

（8）智能辅助系统。CPS中，具备智能辅助系统，使人的工作融入智能生产线中。它将提供新的组织工作的机会，即提供一种灵活的新标准以满足公司的需要和员工个人的需求。它将智能地辅助工人融入智能生产线中。它通过机器人、智能机械工具，对复杂工作过程的适应性智能辅助，技术错误诊断的智能辅助，本地维护计划辅助以及多模的人—机交互使接受过辅助系统培训的工人适应智能生产线的环境与要求。

总而言之，具有战略意义的工业4.0纲领将极大地促进全新的CPS平台适应具有协作特点的商业化进程（整个商业网络在全生命周期连接智能工厂和智能产品）；CPS平台将提供服务和实际应用，并且能联系到所有参与的人员、物体和系统，同时还将拥有以下特征：

（1）灵活性，可以提供迅速和简单流程的服务和应用，包括基于CPS的软件；

（2）在 App Store模式链下实现商业进程中的调配和部署；

（3）提供综合性强、安全可信的全商业进程支持；

（4）保障从传感器到客户交流所有环节的安全和可靠系统；

（5）支持移动端设备；

（6）支持商业网络中互相协助的生产、服务、分析和预测。

在商业网络中，共享的CPS平台往往针对包括服务流程和应用在内的IT技术发展有特殊需求。CPS的横向与纵向集成、工业流程中的应用及服务往往也会诞生出一些特殊的需求。对于工业4.0来说，在整个服务网络中，重要的是需要更加广阔的规则，包容复杂的流程。在互相协作的公司间和商业网络中，应建立起共享的服务和应用。在CPS平台上，诸如物理安全与信息安全，系统可靠性与响应性、使用、操作模式的融合，实时分析和预测等特性尤为重要。在互相协作的生产和服务过程中，确立流程标准以及安全、可靠、高效的操作都离不开这些特性，同样，它们对于执行活跃的商业活动也至关重要。

CPS还需要应对由大范围数据源和终端设备引发的各种问题。CPS 平台被公司间的IT人员、软件和服务提供商以及公司本身所使用，需要有一个工业4.0的参考框架，该参考框架应该考虑到ICT和制造企业的不同特征。模式化的操作流程要求CPS平台开发全新的应用和服务，以此来满足那些瞬息万变的复杂变化。最后，拥有一个高带宽、安全高效的网络基础则是保障数据交换安全的关键。

3 工业4.0 CPS的动态配置生产方式

工业4.0的CPS 系统有一个基本特点就是它的动态配置生产方式，如图4所示。智能工厂里的智能生产线是由一系列可以动态配置的生产模块或生产单元组成。每一个生产模块包含了许多从事生产作业的机器，所有的生产机器设备都能够通过网络实施存取相关的实时信息，并根据信息指示，自主地切换，自主地更换生产材料和在加工零件，从而自动调整为所要求的、最匹配的生产作业模式。

图4 智能工厂CPS 动态配置生产

智能工厂中，固定的生产线的概念已经消失，采取的是可以动态配置的，可根据需求重构的模块化生产方式。这种生产方式能够按照每个客户（单个或小批量客户）、每个产品不同要求进行设计，组织生产。所有生产环节以最匹配的方式进行，杜绝生产链中一切浪费。与传统的生产方式不同，动态配置生产方式在生产前、生产过程中都可随时变更最初的设计方案，变更工艺路线。

工业4.0的智能工厂中，固定生产线的概念已经消失，进行着动态的、高效的模块化可重构的新生产方式。正在进行装配的机器（产品）可以自律地在生产模块中穿梭接受所需的加工和装配作业。如果生产中零部件供给环节出现瓶颈，智能生产线的赛博（Cyber）能够及时调度其他生产资源的零部件补充，使生产高效运行。智能工厂里每一台机器都可主动地选择适当的生产模块进行动态配置作业。

在CPS动态配置生产方式下，智能工厂里的信息化集成系统中的MES的综合管理功能可以淋漓尽致地发挥出来，能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程，既保证生产设备高效运转又可实现多样化生产。智能生产线的动态配置生产是小批量生产甚至单件生产的技术保证。正是CPS的动态配置生产方式使得工业4.0打破了传统的规模生产要求，可实现灵活、敏捷的智能制造。

在新工业革命中，CPS系统无时无处地出现在生产线上实现着智能生产，源源不断地生产出个性化智能产品。