工业4.0时代制造业智能化分析

吕 志，李 泰

(1.商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000; 2.商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘 476000)

工业4.0时代制造业智能化分析

吕 志1，李 泰2

(1.商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000; 2.商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘 476000)

本文通过研究以物联网和制造业服务化为特征的工业4.0，论述了工业4.0与智能制造的内在关系，并得出工业4.0必然改变现有的工业结构，智能制造业必将又一次焕发出新的生命力，制造业将向着高度信息化、自动化、智能化的方向发展.

信息物理系统； 工业4.0；智能制造

0 引言

制造业是一门历史悠久的传统行业，然而每次工业革命都给制造业注入了新的生命力.德国学术界和产业界认为：未来10年，基于信息物理系统(Cyber-Physical System，CPS)的智能化，将使人类步入以智能制造为主导的工业4.0革命时代，工业4.0定位于继机械化(第一次工业革命)、电气化(第二次工业革命)、自动化(第三次工业革命)之后的第四次工业革命. 德国技术科学院(ACDTECH)划分的四次工业革命的特征如图1所示，德国西门子工业集团总裁鲁斯沃博士认为：“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法[1]23-33.

图1 四次工业革命的不同特征

与起源于机械化、电力化和信息技术化的前三次革命不同，工业4.0则是虚拟网络与实体物理系统相整合的革命，“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式.在制造业中，它促使企业建立全球网络，把产品设计、制造、仓储、生产设备融入CPS中，通过这些制造要素信息间互独立地自动交换，接收动作指令、进行智能工厂的无人控制，旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统、信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型[2]47-53.本文通过研究以物联网和制造业服务化为特征的工业4.0，指出信息物理系统在引领智能制造的过程中发挥的重要作用.由此可以看出，工业4.0的核心是通过CPS系统将制造业智能化，通过智能制造生产智能产品.

1 信息物理系统(CPS)

信息物理融合系统由美国科学家Helen Gill 在2006年首次提出，CPS系统可看作基于嵌入式的网络化智能信息系统，该系统在网络环境下通过计算单元和物理对象的集成与相互交换来提高系统的在线信息处理，CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信以及相互作用，创造一个真正的网络世界，如在线通信、远程控制与各部件间自主协调等.因此CPS系统有如下特征[3]25-31, [4]36-40：

a. 网络与物理高度有机的集成，总的来说是局部具有物理性，全局具有虚拟性；

b. 系统的每个物理组件中都嵌有传感器与执行器，具有在线通信、远程控制与各部件间自主协调等功能；

c. 闭环控制与事件驱动过程，组件嵌入的传感器通过对对象姿态的感知与反馈，然后将控制决策作用于执行对象，从而形成基于事件驱动控制的闭环过程；

d. 大规模、高效协调分配的网络化复杂系统，CPS系统通过末端传感器对对象的信息采集，而后不断提升、抽象，最终形成自下而上的信息数据传输模式，该模式融合各类信息并把这些精确而又全面的信息提供给人类；

e. 在时间和空间等维度上具有多重复杂性；

f. 系统具有自学习、自适应、自主协同功能，高度自治，满足实时鲁棒控制；

g. 系统安全、可靠、抗老化、可验证，CPS系统必须在保证自身的安全性，隐秘性的基础上，抵御各类外部攻击，实现功能、结构各异的子系统之间的协调运行.

基本的CPS 系统由决策控制部分、检测感知部分与驱动执行部分构成，如图2所示. 决策控制部分根据控制要求下达控制指令，驱动执行部分根据控制指令驱动物理对象，检测感知部分与驱动执行部分是物理和计算世界的接口，检测感知部分根据感知信息，经过计算得到控制指令并反馈给决策控制部分[5]76-89.

图2 基本 CPS系统构成

该系统通过网络方式实现将传统的集中式控制模式转变为分散式增强型控制模式.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.这种模式的转变，传统的行业界限也将因此而消失，制造业产业链分工将被重组，各种新的活动领域也会因此而产生.制造业的自动化生产过程从此进入智能化生产、循环化生产与绿色化生产之中.

2 工业4.0与智能制造

“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法[6]1-5.由此工业4.0是在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型.

在工业4.0时代的推动下，智能制造业必将又一次焕发出新的生命力，主要体现在智能工厂设备将实现高度的自动化，生产系统具备灵活而且能实时应对各种事件的功能，保证生产过程的彻底优化.同时，这种生产优势不仅体现在特定的生产条件下，而且可在世界级网络下实现横向的最优化.在智能制造的过程中，借助CPS系统实现实际装置与控制网络的有机连接，将技术人员的工作思维在时间与空间方面都得到延伸.伴随着互联网的发展，智能机器、高级分析、工作人员的智能制造3种元素逐渐融合，由此诞生了工业互联网装备，工业互联网要素图如图3所示[7]24-25，借助CPS系统，工业互联网则将让这些机器和先进的传感器、控制和软件应用相连接，以提高制造业的生产效率、减少资源消耗.

图3 智能产品的互联网循环

3 结语

本文通过研究以物联网和制造业服务化为特征的工业4.0，指出工业4.0借助CPS系统实现实际装置与控制网络的有机连接，将技术人员的工作思维在时间与空间方面都得到延伸.借助物联网、智能工厂智能生产出智能产品，实现人、机、物的有机结合.总之，在工业4.0时代，CPS系统在引领智能制造的过程中发挥着重要作用，工业4.0的到来必然改变现有的工业结构，智能制造业必将又一次焕发出新的生命力，制造业将向着高度信息化、自动化、智能化的方向发展.

[1] 工业4.0工作组.德国工业4.0战略计划实施建议(上)[J]. 机械工程导报，2013 (7)．

[2] 侯志霞,邹 方,吕瑞强,王湘念.信息物理融合系统及其在航空制造业应用展望[J]. 航空制造技术,2014(21).

[3] 黎作鹏,张天驰,张 菁.信息物理融合系统 (CPS) 研究综述[J]. 计算机科学, 2011,38(9).

[4] 张彩霞. 基于信息物理融合系统的智能制造架构研究[J]. 计算机科学,2013,40(6)．

[5] 陈智呈,郑 松.工业4.0与智能联动战略[J]. 信息技术与信息化,2014(6).

[6] 张 曙.工业4.0和智能制造[J]. 机械设计与制造工程,2014(8).

[7] 张 曙.智能制造与未来制造[J]. 现代制造,2014(1)．

[责任编辑 迎客松]

Manufacturing Intelligent Analysis of the Industry 4.0

LU Zhi1, LI Tai2

(1.SchoolofPhysicsandElectricalinformationEngineering,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,China;2.ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

The manufacturing industry is a long history of traditional industries, but each time the industrial revolution to the manufacturing industry has injected new vitality. The research into the characteristics of the Internet and manufacturing services industry 4.0 points out the important role of information systems in the physical process leading Intelligent Manufacturing, draws that Industry 4.0 necessarily change the existing industrial structure and intelligent manufacturing bounds again once full of new vitality.

cyber-physical systems; Industry 4.0; Intelligent manufacturing

2014-12-30

吕 志(1984- )，男，河南商丘人，商丘师范学院助教，主要从事智能机器人技术及其工程应用研究。

1671-8127(2015)02-0032-03

F414

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