CPS將如何改變未來工廠？

文 | 王喜文

CPS將如何改變未來工廠？

文 | 王喜文

工學博士，博士后，高級工程師。曾在北京第一機床廠工作兩年，后10年開發計算機軟件，2009年8月進入工業和信息化部國際經濟技術合作中心工作，歷任信息部副主任、主任、電子商務研究所所長、工業4.0研究所所長。

CPS概念最早由美國國家基金委員會提出，被認為有望成為繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次浪潮，其核心是3C（Computing、Communication、Control）的融合。

CPS是融合技術，包括計算、通信以及控制（傳感器、執行器等）。中國科學院何積豐院士指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個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物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環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一個物理實體。CPS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、可擴展并且安全高效的CPS網絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式”。

據資料顯示，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。5個月后，基于此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上于2006年2月美國發布《美國競爭力計劃》，將信息物理系統CPS列為重要的研究項目。到了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》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數據、數據存儲與數據流、網絡、高端計算、網絡與信息安全、人機界面、網絡信息技術與社會科學。

CPS連接了信息世界與物理現實世界，使智能物體互相通信、相互作用，創造一個真正的網絡世界。生產設備中的嵌入式系統與生產線上的物聯網傳感器是構成CPS的要素之一，這些技術被稱為“物理技術”。但是，CPS 體現了相對當前嵌入式系統和物聯網的進一步進化，與互聯網或者網上可搜集的數據、服務結合在一起，實現更加廣泛的基于創新型應用或過程的新物理空間，淡化物理世界與信息世界的界限。也就是，CPS通過提供構建物聯網的基礎部分，并且與“服務互聯網”一體化，實現“工業 4.0”。使得傳統制造業中的物理技術就像互聯網讓個人相互通信、相互作用的關系發生變革一樣，將給我們與物理現實世界之間的相互作用關系帶來新的、根本性變化（見圖1）。

一旦，基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間，發生的相互作用，必將誕生全新的系統功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來范式上的轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如“工業 4.0”的生產技術的各個工業部門，將同步因這些新價值鏈而發生巨變。

圖1 CPS的3C融合

圖2 CPS集計算、通信、控制于一體

將CPS從3C進步到6C

簡單的說，CPS就是嵌入式系統加上網絡控制功能，其中網絡功能主要是為了實現控制目的。利用物聯網、傳感器的無線連接和感知功能，實現進一步管理和控制。（見圖2）

在“工業3.0”時代，傳統的自動化系統是封閉的，許多嵌入式設備并沒有預留外部接口。“工業4.0”在自動化的基礎上，通過網絡功能對嵌入式系統進行了擴展，使得匯集計算、通信和控制能力于一體的CPS成為智能工廠的核心。

同時，在“工業4.0”時代，進一步豐富了CPS的3C融合概念。在計算、通信和控制的基礎上，增加了內容（Content，語義分析）、社群（Community，協同合作）、與定制化（Customization，個性化定制）（見圖3）。也可以說，從3C到6C反映了制造業思維和制造業模式的變革。6C條件下的智能工廠通過網絡協同制造，可以實現全產業鏈的智能生產，實現生產的自律調整，生產出智能產品。

同時，6C條件下的智能工廠，可以實現可視化生產，預測性制造管理。傳統的制造過程中，存在許多無法定量的因素，包括加工過程中的設備性能下降、零部件的突發故障、殘次品的返工等。通過可視化，實時監控生產數據，掌控那些不確定因素，使得智能工廠管理者能客觀地評估制造和設備的使用狀態，并通過管理實現預測性制造，起到降低成本，提升運行效率，改進產品質量的作用。

圖3 “工業4.0”時代的CPS是6C的融合

如何將CPS“安裝”到智能工廠之中

“工業4.0”通過信息物理系統，將生產設備、傳感器、嵌入式系統、生產管理系統等融合成一個網絡，實現信息世界和物理世界的有效整合，使得設備與設備以及應用軟件與應用軟件之間能夠互聯，從而實現橫向、縱向和端對端的三大集成。

橫向集成主要體現在企業間的協同合作上。企業間通過價值鏈以及互聯網實現資源信息共享與資源整合，確保企業間的緊密合作，提供實時產品與服務的機制。

縱向集成主要體現在企業內的科學管理上。企業內各生產車間、管理部門等從側重于產品的設計和制造過程，轉向圍繞產品全生命周期的集成過程，建立有效的縱向的生產體系，實現分散式生產，替代傳統的集中式中央控制的生產流程。

端對端集成不是從企業間，或企業內考慮，而是從工藝流程角度考慮，是指貫穿整個價值鏈的工程化信息系統集成，以保障大規模個性化定制的實施。因此也可以說，端對端集成是從工藝流程角度來審視智能制造，主要體現在并行制造上，將單元過程通過集成平臺，形成企業的集成管理系統，提升生產組織效率。當然，這種并行制造不可能是絕對的并行，而是一種相對的并行。

工業4.0的三項集成，基于信息物理系統，實現了生產過程的集成，從而實現智能制造，并不斷向智能集成進化。這樣一來，對于制造業企業來說，可以一邊設計研發、一邊采購原材料零部件、一邊組織生產制造、一邊開展市場營銷，從而降低了運營成本、提升了生產效率、縮短了產品生產周期，也減少了能源使用。