工業4.0時代的信息化系統體系結構研究

嚴新金，彭發強，王錦蘭，林曄琛，胡國良

（1.廈門大學，福建 廈門 361005；2.閩江學院，福州 350108）

1 工業4.0 簡述

在各種運行有序的機器旁邊，若干身著藍色工裝的工人在計算機前不緊不慢地操作著，腳下干凈的地面和周遭優雅的環境給人一種錯覺——這分明是高端寫字樓里的辦公室啊。生產線上，在微型計算機的控制下各種元器件自動的在傳輸帶上前行，到每個節點又自動的朝不同分支的生產線傳輸，這才證明這里確實是工業化的生產車間。這就是工業4.0 時代工廠車間里的普遍現象。工業4.0 是由德國技術科學院(ACDTECH)等機構聯合提出的國家戰略，旨在確保德國制造業的未來競爭力和引領世界工業發展潮流。

18 世紀末以瓦特發明蒸汽機為標志的第一次工業革命是工業1.0 版。20 世紀初的工業革命借助電能和流水線進行大批量生產是工業2.0 版。20 世紀中期計算機、微控制器的大規模應用掀起了一場生產自動化的工業革命，這是工業3.0 版。進入21 世紀，隨著互聯網、物聯網、新材料等技術的高速發展，整個工業生產體系提升到了一個全新的水平，這就是工業4.0 版，其本質就是物理和信息系統的深度融合，是虛擬世界和現實世界的高度融合。

2 工業4.0 時代信息化系統的體系結構及其特點

2.1 工業4.0 時代信息化系統的體系結構

工業4.0 是以智能制造為主導的第四次工業革命，是將虛擬制造、智能制造和傳統制造業高度融合的制造模式。在該模式下，人們可以極大程度地利用傳感器、網絡、物聯網和云計算等先進技術將生產制造與消費服務形成互聯互通的有機體，建立高度靈活的個性化和數字化產品與服務生產制造模式，而實現這一戰略的核心技術就是CPS 信息物理系統（Cyber-Physical Systems）。

CPS 信息物理系統包含了環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。它注重虛擬制造與物理制造的協調與緊密結合。CPS 信息物理系統是工業4.0 的核心支撐技術，是虛擬世界和物理世界之間的橋梁和紐帶（如圖1 所示）。同時也是位于物聯網和互聯網中間層的平臺架構（如圖2 所示）。

圖1 基于CPS模式的工業4.0架構

圖2 CPS作用

本文結合工業4.0 的概念和需求，參照OSI 網絡模型，提出了一種層次化、模塊化的CPS 體系結構，，該結構自上而下可分為應用層、網絡傳輸層、物理鏈路層（如圖3 所示）。應用層是CPS 與虛擬世界的窗口，是CPS 與互聯網的接口，主要提供CPS 對接互聯網的服務，使用戶獨立于CPS 本身繁瑣的功能體系，專注于CPS 的應用。物理感知層是主要感知、提取和處理機器、設備和環境等方面的數據，提取現實世界的數據。網絡層主要實現數據的傳輸和資源共享，作為CPS 的紐帶其連接著物理感知層和應用層，由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成，類似于人的神經中樞系統，負責將物理感知層獲取的信息安全可靠地傳輸到應用層，然后根據不同的應用需求進行信息處理。

圖3 CPS三層架構

2.2 基于工業4.0的CPS體系結構特點分析

第一，虛擬的信息世界與現實的物理世界的協同交融。CPS通過傳感器、微型控制器等設備感知現實的物理世界，再通過各種計算機網絡與虛擬的信息世界融合，信息與物理直接存在著反饋閉環。

第二，通過物理感知層自主的適應客觀物理環境的動態變化，具有自適應能力和重配置功能。

第三，現實的物理世界和虛擬世界的融合受時間和空間的限制，CPS兩端的物理世界和信息世界處在同一時間維度。

第四，具有開放的異構性。CPS動態的接入不同的物理實體、計算機部件和模型等，自適應不同的條件和應用需求。

3 工業4.0時代信息化的變革與挑戰

隨著物聯網技術的大規模普及與應用，工業4.0將建立在CPS基礎之上，將物理設備與虛擬網絡融合以推動工業產品和技術的升級換代。CPS不僅將催生新的工業，甚至會重新排列現有的工業布局，同時CPS的發展也面臨著巨大的挑戰，主要有如下幾方面。

3.1 節點互聯的挑戰

CPS作為虛擬世界與物理世界之間承上啟下的中間平臺，允許也必須與各種網絡節點融合。但是現有的網絡節點缺乏統一的標準，接口繁多且千差萬別，如何實現節點接口、如何定位節點和如何路由節點是CPS網絡通信面臨的一大挑戰。

3.2 協同工作的挑戰

CPS上承信息系統和互聯網，下啟物理感知節點，是三者之間能否協同工作的關鍵所在。其本質在于將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備實現計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等5大功能。所以如何讓物聯網、互聯網和CPS構成的龐大的網絡能互聯互通、井然有序地協同工作是CPS的又一大挑戰。

3.3 安全驗證方面的挑戰

CPS的核心技術是要將物理設備、互聯網、無線網和有線網等各種網絡和不同的異構體集成融合，不同異構體間的組合需要經過充分的安全驗證。然而在缺乏統一標準和機制的情況下，肩負與安全攸關的CPS系統，其安全驗證行為極其復雜。

4 結 語

本文主要討論了工業4.0時代信息化系統的體系結構，提出CPS的三層體系結構模型，并論述了CPS所面臨的挑戰。CPS作為互聯網和物聯網融合的關鍵技術，將為未來智能制造、智慧生活提供良好的機遇。