“工業4.0”戰略中CPS系統的挑戰與前瞻

何廷潤

【摘 要】論述了德國“工業4.0”戰略的內涵和目標，提出了CPS（信息物理系統）是實現“工業4.0”戰略核心技術的觀點，分析了實現CPS系統所面臨的諸多挑戰及其未來的發展前景。

【關鍵詞】“工業4.0” “兩化”融合 CPS系統 物聯網 智能制造

1 前言

2014年3月，國家主席習近平訪問德國時提出了當前全球新一輪科技和產業革命呼之欲出的觀點，而且重點提到了德國“工業4.0”戰略。這實質上是希望通過提升工業領域的智能化和信息化水平從而升級國內的工業體系，作為強化國家優勢的戰略選擇，這與我國的“兩化”融合戰略不謀而合。

德國“工業4.0”戰略中的核心技術是CPS（信息物理系統），CPS技術的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展的網絡，從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。就CPS技術而言，當前仍存在著嚴峻的挑戰。

2 美國“先進制造伙伴計劃”和德國

“工業4.0”戰略

早在2007年，美國總統科學顧問委員會在其提交的《面臨挑戰的領導地位》的科技前瞻性報告中提出，將CPS技術列為8個重點科技領域之首，從此引起了全世界的廣泛關注。在這之后，美國先后制定了“重振美國制造業框架”、“先進制造伙伴計劃”和“先進制造業國家戰略計劃”，并設立了國家增材制造創新中心、數字制造和設計創新中心等先進制造技術研發創新中心，之后又提出了工業互聯網的概念，并由美國國家標準研究院牽頭組織產業界制定工業互聯網的標準架構，組建了工業互聯網聯盟。

2010年德國聯邦政府制定的《高技術戰略2020》中提出了“工業4.0”戰略，2013年6月德國漢諾威國際工業博覽會展出了“工業4.0”的樣板，2014年“工業4.0”再次成為德國漢諾威國際工業博覽會的中心話題。德國將“工業4.0”作為強化國家優勢的戰略選擇，2014年4月，德國電氣電子和信息技術協會發布了“工業4.0”戰略的標準化路線圖。德國“工業4.0”戰略的核心是以智能制造為主導的第4次工業革命或革命性的生產方法，采用信息通訊技術與網絡空間虛擬系統——信息物理融合系統CPS（Cyber-Physical Systems）相結合的手段，實現由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，推動制造業向智能化轉型。德國“工業4.0”戰略強調，未來工業生產形式主要包括：在生產要素高度靈活配置的條件下大規模生產高度個性化的產品，顧客與業務伙伴廣泛參與到業務過程和價值創造過程中來，以及生產和高質量服務集成等。

在我國，裝備制造業是制造業的脊梁，是國民經濟的支柱產業，全球需求結構的變化對我國裝備制造業的發展造成了較大的沖擊，推動裝備制造業轉型升級已進入關鍵階段。2014年9月，工信部部長苗圩指出：“兩化”融合是新一輪科技革命和產業變革的制高點，是信息技術和傳統產業相互交匯的必然趨勢，要充分發揮物聯網在“兩化”融合中的重要作用，加快物聯網在工業控制領域的應用。因此，德國“工業4.0”戰略與我國“兩化”融合戰略具有很高的契合度。

3 CPS（信息物理系統）是“工業4.0”

的核心支撐技術

信息物理系統（Cyber-Physical Systems，簡稱CPS）作為計算進程和物理進程的統一體，是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統。CPS是在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可擴展的網絡化信息物理系統，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環機制實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制物理實體，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。CPS也是一個分布式的異構系統，不僅包含了許多結構和功能各異的子系統，而且這些子系統可以分布在不同的地理空間內。CPS具有自適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點和要求。

2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。在此基礎上，2006年2月發布的《美國競爭力計劃》則將信息物理系統列為重要的研究項目。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8大關鍵信息技術，其中CPS位列首位。在CPS研究上扮演著重要角色的美國國家科學基金會（NSF）也認為，CPS將讓整個世界互聯起來。如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將改變人們與物理世界的互動。歐盟計劃從2007年到2013年在CPS系統技術研究上投入超過70億美元，期望在2016年成為CPS系統的世界領袖。

由于CPS連接了虛擬空間與物理現實世界，使智能物體進行通信以及相互作用，淡化了現實世界與虛擬空間的界限，給信息世界與物理現實世界之間的相互作用關系帶來了根本性變化，被稱為是“工業4.0”的“實現技術”。未來，CPS技術在工業生產與國民經濟生活中的基礎性、全局性作用會日益增強，因此CPS（信息物理系統）成為實現“工業4.0”的核心技術。

4 CPS（信息物理系統）技術面臨的挑戰

當前，CPS系統發展面臨的挑戰包括以下4個方面：

（1）不同系統間協同處理的挑戰

一是必須處理物理系統與計算系統之間的協同關系。CPS在面向物理環境感知時，具有空間和時間上的關系，所以計算系統必須保證在事件處理、決策和控制時是準確和實時的，確保在物理系統控制和操作的空間和時間上的正確性。

二是必須處理物理系統與信息網絡系統的協同關系。信息網絡系統實現了無處不在的通信接入，使得物理設備能夠進行信息交互。所以，必須建立物理系統和信息網絡系統之間的協同模型，定性和定量地分析物理系統和信息網絡系統之間的協同關系。endprint

三是必須處理計算系統與信息網絡系統的協同關系。由于物理系統中物理設備的安全性、面向對象性和可靠性需要和通用的計算系統中的部件存在著本質上的差異，因此必須研究物理系統的動態性、計算的離散性和時序性，重構計算和信息網絡的抽象體系。

（2）CPS建模與模型融合的挑戰

一是CPS建模需要刻畫計算進程與物理進程之間如何交互以及融合時所表現的行為。典型的CPS建模需要考慮到物理環境、軟硬件平臺和網絡模型以及需要進一步考慮軟件調度、網絡延時、功耗等一系列功能與非功能的因素。

二是由于CPS既包含物理部件又包含計算部件，因此CPS系統牽涉到多種不同類型的計算模型。由于計算進程采用的是離散的邏輯時間，而物理進程采用的是連續的物理時間，計算世界里的事件通常指的是消息、異常或者中斷，而物理世界的事件可能指的是位置、形狀以及狀態等物理屬性的變化。如何在統一的框架下使用多種計算模型來同時對CPS進行建模是CPS領域的一大難點。

三是建模語言。傳統的建模方式在計算部件的建模方面有著較強的優勢，有研究者已經擴充了已有領域模型的語義，在原有模型的基礎上支持針對CPS特性的建模，但描述CPS的不確定性方面尚存漏洞。

（3）CPS中集成的挑戰

一是異構組件的集成。如何設計靈活的接口來支持不同異構組件的即插即用模式，以及如何支持組件間的自適應組合是研究熱點之一。

二是方法的集成。CPS涵蓋許多領域，由于每個領域都有自成體系的一套模型、語言與方法，提取異構系統之間的共性技術用于CPS的開發非常困難。

三是工具的集成。CPS的設計與開發需要一套完整的工具鏈來全面支持CPS的建模、分析、綜合以及各計算與通信組件的設計、開發與部署。

（4）CPS驗證與測試的挑戰

不同異構組件的組合使得CPS的行為極為復雜，作為使命與安全攸關的系統，CPS需要經過充分的驗證與測試，以確保系統設計滿足各方面的要求。但目前尚缺乏該領域的成熟案例。

5 “智能制造”的發展前瞻

未來以CPS為核心技術的“智能制造”是經濟增長的亮點，是下一次信息化技術革命的浪潮。未來CPS將以人類無法想象的形式，對人類生命安全、工作效率、生活舒適度、健康水平等做出貢獻。CPS涉及各行各業，是一個龐大的綜合性、復雜性系統，所以對CPS的研究必須著眼于現在，展望于未來數十年或更長時間進行的系統設計、構造、實現、優化和跟蹤。

德國已經將推進“工業4.0”作為國家戰略的一個重要環節。2014年4月，德國電氣電子和信息技術協會已經發布了“工業4.0”的標準化路線圖。2014年8月，德國聯邦政府2014～2017年的數字議程專門強調加強網絡基礎設施，為“工業4.0”提供動力，目標是在2020年讓德國成為CPS的主要市場。德國發達的嵌入式系統、CPS的有關技術與經驗，將為德國工業引領“工業4.0”提供極佳的機遇，使德國成長為CPS相關領域的全球市場領袖。預計至2025年，德國的CPS技術在智能制造、智能電網、網絡化的機動性、遠程治療以及遠程診斷等領域取得明顯的成就。

我國工業和信息化部部長苗圩指出：必須緊跟新一輪產業互聯網浪潮，推動互聯網與工業的深度融合，加快轉型升級，實現彎道超越，打造新的競爭優勢。2013年，工業和信息化部發布了《信息化和工業化深度融合專項行動計劃（2013-2018年）》，其中特別指出要深化互聯網在工業中的應用，推動中國制造向中國創造轉變，其目標是實現制造業服務化、定制個性化、組織分散化、制造資源“云化”，從而加快互聯網與工業融合模式的創新及應用推廣。

6 結束語

CPS是實現“工業4.0”戰略的核心技術，是物聯網產業的科技前沿，是以智能制造為代表的物聯網產業發展的基礎和后盾。因此CPS的有關成果和經驗，將為我國引領“兩化”深度融合與發展提供極好的機遇與借鑒。

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