CPS将如何改变未来工厂？

文 | 王喜文

CPS将如何改变未来工厂？

文 | 王喜文

工学博士，博士后，高级工程师。曾在北京第一机床厂工作两年，后10年开发计算机软件，2009年8月进入工业和信息化部国际经济技术合作中心工作，历任信息部副主任、主任、电子商务研究所所长、工业4.0研究所所长。

CPS概念最早由美国国家基金委员会提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮，其核心是3C（Computing、Communication、Control）的融合。

CPS是融合技术，包括计算、通信以及控制（传感器、执行器等）。中国科学院何积丰院士指出：“CPS，从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式”。

据资料显示，2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月美国发布《美国竞争力计划》，将信息物理系统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、网络信息技术与社会科学。

CPS连接了信息世界与物理现实世界，使智能物体互相通信、相互作用，创造一个真正的网络世界。生产设备中的嵌入式系统与生产线上的物联网传感器是构成CPS的要素之一，这些技术被称为“物理技术”。但是，CPS 体现了相对当前嵌入式系统和物联网的进一步进化，与互联网或者网上可搜集的数据、服务结合在一起，实现更加广泛的基于创新型应用或过程的新物理空间，淡化物理世界与信息世界的界限。也就是，CPS通过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”。使得传统制造业中的物理技术就像互联网让个人相互通信、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新的、根本性变化（见图1）。

一旦，基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间，发生的相互作用，必将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身通话功能。由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新价值链，所以，CPS也将对现有业务与市场模式带来范式上的转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如“工业 4.0”的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链而发生巨变。

图1 CPS的3C融合

图2 CPS集计算、通信、控制于一体

将CPS从3C进步到6C

简单的说，CPS就是嵌入式系统加上网络控制功能，其中网络功能主要是为了实现控制目的。利用物联网、传感器的无线连接和感知功能，实现进一步管理和控制。（见图2）

在“工业3.0”时代，传统的自动化系统是封闭的，许多嵌入式设备并没有预留外部接口。“工业4.0”在自动化的基础上，通过网络功能对嵌入式系统进行了扩展，使得汇集计算、通信和控制能力于一体的CPS成为智能工厂的核心。

同时，在“工业4.0”时代，进一步丰富了CPS的3C融合概念。在计算、通信和控制的基础上，增加了内容（Content，语义分析）、社群（Community，协同合作）、与定制化（Customization，个性化定制）（见图3）。也可以说，从3C到6C反映了制造业思维和制造业模式的变革。6C条件下的智能工厂通过网络协同制造，可以实现全产业链的智能生产，实现生产的自律调整，生产出智能产品。

同时，6C条件下的智能工厂，可以实现可视化生产，预测性制造管理。传统的制造过程中，存在许多无法定量的因素，包括加工过程中的设备性能下降、零部件的突发故障、残次品的返工等。通过可视化，实时监控生产数据，掌控那些不确定因素，使得智能工厂管理者能客观地评估制造和设备的使用状态，并通过管理实现预测性制造，起到降低成本，提升运行效率，改进产品质量的作用。

图3 “工业4.0”时代的CPS是6C的融合

如何将CPS“安装”到智能工厂之中

“工业4.0”通过信息物理系统，将生产设备、传感器、嵌入式系统、生产管理系统等融合成一个网络，实现信息世界和物理世界的有效整合，使得设备与设备以及应用软件与应用软件之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的三大集成。

横向集成主要体现在企业间的协同合作上。企业间通过价值链以及互联网实现资源信息共享与资源整合，确保企业间的紧密合作，提供实时产品与服务的机制。

纵向集成主要体现在企业内的科学管理上。企业内各生产车间、管理部门等从侧重于产品的设计和制造过程，转向围绕产品全生命周期的集成过程，建立有效的纵向的生产体系，实现分散式生产，替代传统的集中式中央控制的生产流程。

端对端集成不是从企业间，或企业内考虑，而是从工艺流程角度考虑，是指贯穿整个价值链的工程化信息系统集成，以保障大规模个性化定制的实施。因此也可以说，端对端集成是从工艺流程角度来审视智能制造，主要体现在并行制造上，将单元过程通过集成平台，形成企业的集成管理系统，提升生产组织效率。当然，这种并行制造不可能是绝对的并行，而是一种相对的并行。

工业4.0的三项集成，基于信息物理系统，实现了生产过程的集成，从而实现智能制造，并不断向智能集成进化。这样一来，对于制造业企业来说，可以一边设计研发、一边采购原材料零部件、一边组织生产制造、一边开展市场营销，从而降低了运营成本、提升了生产效率、缩短了产品生产周期，也减少了能源使用。