信息物理系統核心技術的應用實施研究

謝浪雄，楊東裕

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

當前，隨著全球范圍內新一輪科技革命和產業變革的蓬勃興起，信息物理系統 （CPS：Cyber-Physical System）作為新一代信息技術與制造業融合的產物，日益成為了新工業革命的關鍵支撐和深化 “互聯網+先進制造業”的重要基石，對未來工業發展產生著全方位、深層次、革命性的影響。CPS作為支撐信息化和工業化深度融合的一套綜合技術體系，其本質是把物理空間中的機器、物料、人與信息空間的信息系統和控制系統通過網絡連接起來，實現工業數據流的感知、通信、計算和控制，最終提高資源的配置效率，實現資源優化[1]。

互聯網創新發展和新工業革命正處于歷史交匯期，我國作為制造業大國，應抓住新一輪科技革命的發展機遇，加快建設和發展CPS，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟的深度融合，發展先進制造業，支持傳統產業優化升級。但是，總體來說，我國CPS的發展還處于初期階段，產業支撐能力不足，核心技術和高端產品對外依存度高，關鍵平臺綜合能力不強，關鍵技術有待提升，缺乏有效的實施準則，與建設制造強國還有一定的距離。在這樣的背景下，本文主要以CPS的四大核心技術要素[2-3]，即： “一硬” （智能感知與控制）“一軟” （工業軟件） “一網” （工業網絡）和“一平臺” （工業云和智能服務平臺），為研究對象，針對四大核心要素的技術現狀和存在的問題，探討相關核心技術的應用實施方案，以指引企業建設自身的CPS，加快國家兩化融合進程。

1 核心技術要素的現狀和存在的問題

智能感知與自動控制、工業軟件、工業網絡、工業云和智能服務平臺作為CPS的四大核心技術要素，在技術上均取得了初步的發展，尤其是在工業云和智能服務平臺的基礎設施建設方面，我國的華為、阿里和騰訊均接近國際領先水平。但是，要實現CPS內資源配置和運行的按需響應、快速迭代和動態優化，仍然還有不少問題需要解決。

在智能感知和自動控制方面，智能感知和自動控制的本質是利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境和人等要素信息進行實時高效采集、云端匯聚和高效分析，并實現智能控制。當前智能感知與自動控制面臨的突出問題是：由于傳感器的部署不足，裝備智能化水平仍然較低，并且價格偏貴，工業現場存在數據采集數量不足、類型較少和精度不高等問題，無法支撐實時分析、智能優化和科學決策。在安全方面，目前工業設備還是以機械裝備為主，重點關注的是物理安全和功能安全，隨著生產裝備和產品中集成越來越多的嵌入式操作系統和應用軟件，海量設備直接暴露在網絡攻擊之下，信息安全面臨著嚴峻的挑戰。另外，由于工廠控制的實時性和可靠性要求高，因此，控制設備中諸如認證、授權和加密等需要附加開銷的信息安全功能被舍棄。

在工業軟件方面，伴隨著信息化的進程，工業軟件體系發展逐漸成熟，其主要包括嵌入式軟件、系統軟件、中間件和應用軟件4類，其中應用軟件又細分為研發設計、業務管理、生產調度、過程控制、工業仿真和監測等軟件。總體上來說，我國工業軟件產業整體實力不強，主要體現為：1）傳統的生產管理軟件云化步伐緩慢，專業的工業APP應用得較少，應用開發者數量有限，商業模式尚未形成；2）工業軟件和工業應用的結合不夠緊密，國產工業軟件大多為標準化的通用產品，難以滿足復雜多變的生產業務和特定場景的需求；3）我國的工業軟件產品的性能參差不齊，兼容性較差，產品多集中在OA、CRM等門檻較低的軟件類型，并且持續服務水平無法保證；4）工業技術軟件化水平偏低，大多數的產品設計都是依賴于工程師積累的經驗知識，知識的傳承性差，若能及時地將工程師積累的工程經驗知識以軟件化、模塊化的形式封裝起來，供其他工程人員使用，將大量地減少工程師們的重復勞動；5）工業軟件系統主要是以ERP為中心進行數據打通，工廠內部 “信息孤島”現象嚴重；6）工業軟件與大數據結合程度偏低，沒有充分地利用大數據技術來支撐設備預測性維護管理、產線動態排產和產品良率檢測等工業智能化應用場景的開發。

在工業網絡方面，工業網絡主要分為工廠內部網絡和工廠外部網絡；工廠內部網絡又呈現為 “2層3級”的結構， “2層”是指工業控制網絡和工廠信息網絡， “3級”是指現場級、車間級和工廠級。目前，工廠內部網絡 “2層3級”這種網絡結構相互隔離的狀況使工廠信息網絡和生產現場之間的通信存在較多的障礙，主要體現在以下2個方面：1）工業控制網絡與工廠信息網絡的技術標準各異，難以融合互通；2）工廠網絡靜態配置、剛性組織的方式難以滿足未來用戶定制、柔性生產的需要。工廠外部網絡是以支撐全生命周期為目的，用于連接企業上下游之間、企業與智能產品、企業與用戶之間的網絡。目前來看，工廠外部網絡承載CPS應用仍存在以下問題：1）工廠外部網絡還難以滿足工業生產與互聯網融合后對網絡提出的低時延、高可靠和服務質量有保障的需求；2）VPN專網上能夠承載的VPN數量有限，難以滿足工業企業專線互聯的要求；3）CPS對網絡安全的要求進一步地提升，互聯網安全能力有待提高；4）目前以IPv4為基礎的公眾互聯網自身面臨地址枯竭的局面，難以承載CPS數百億終端接入的要求。

工業云和智能服務平臺是可集成部署各類工業云服務能力和資源的平臺，以實現在線設計研發、協同開發的工業云計算服務。目前，工業云和智能服務平臺仍處在發展的初期，主要面臨的突出問題有：1）平臺缺乏標準和規范，企業可能會對云服務商業務綁定、數據遷移和數據安全等問題有所顧慮；2）平臺開發工具不足，行業算法和模型庫缺失，模塊化組件化能力偏弱，現有的云平臺尚不能完全滿足工業級的應用需求；3）目前，工業設備和信息系統存在多種通信總線和協議，平臺與工廠內部設備和系統在信息交互方面存在困難；4）雖然上層信息系統可以實現基于SOA的集成，但生產控制層面主要還是基于定制協議和定制邏輯，難以快速地進行服務組合與設計。

2 信息物理系統的基礎

2.1 信息物理系統的體系架構

CPS的體系架構如圖1所示，其主要包括智能感知與控制設備、工業軟件、工業網絡、工業云和智能服務平臺等四大核心技術要素。

圖1 CPS的體系架構

智能感知與控制設備通過各種傳感器實現生產制造流程中人、設備、物料和環境等隱性信息的顯性化，并在數據采集、傳輸、存儲和建模分析的基礎上做出精準的執行；工業軟件主要運行在感知器、控制器、工業控制系統、工業信息系統和工業云平臺上，是以軟件的形式封裝、承載、應用、迭代更新研發設計、生產制造、經營管理、服務等工業技術和知識；工業網絡主要通過工業現場總線、工業以太網、工業無線網絡和異構網絡集成等技術實現現場級、車間級、企業級設備和系統之間的互聯，是連接工業生產各個要素的信息網絡；工業云和智能服務平臺通過實時、精準、高效的數據采集，建立工業大數據存儲、集成、共享、分析和管理的開發環境，實現工業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化和復用化，不斷地優化研發設計、生產制造和運營管理等資源配置效率。

2.2 信息物理系統的工作流程

從工作流程來看，部署在網絡邊緣側的邊緣計算節點通過工業以太網、工業總線等工業通用協議，以太網、光釬等通用協議，LTE、NB-LOT等無線協議將傳感設備感知的數據采集上來，然后根據實時性和安全隱私性要求，對數據進行本地化處理，并實現實時的自動化控制。接著，邊緣節點將過濾后的數據傳輸到CPS工業云和智能服務平臺上，與云端分析形成協同。與此同時，CPS工業云和智能服務平臺匯聚來自各類機器、產線和儀表等工廠內部數據，以及來自設計、生產、物流、市場、產品、用戶和協助企業信息等工廠外部數據，并對數據進行存儲、管理和分析，以實現圍繞生產全生命周期、全價值鏈的全局數據優化。除此之外，CPS工業云和智能服務平臺還通過構建工業知識庫和算法庫，為應用層的工業APP提供多種碎片化的微服務，并實現工業APP的快速開發部署和應用。

3 信息物理系統核心技術的應用實施

現階段工業系統的數字化、網絡化已經具備了一定的基礎，但與CPS泛在互聯、全生命周期和全價值鏈的全向數據優化等愿景相比，智能感知與自動控制、工業網絡、工業軟件、工業云與智能服務平臺等核心技術要素還存在很大的改造和提升空間。

針對智能感知與控制設備，當前，無論是跨國公司，還是國內平臺企業，都把數據智能感知和控制解決方案能力建設作為CPS建設的基礎：一方面通過構建一套能夠兼容、轉換多種協議的平臺使能技術產品體系，如OPC-UA協議，實現工業數據互聯互通互操作；另一方面通過部署邊緣計算模塊，實現數據在生產現場的輕量級運算和實時分析，緩解數據向云端傳輸、存儲和計算的壓力，并實現實時控制。除此之外，還可以對機床、產線等工業裝備或裝置增加網絡接口，以加強工業設備的在線監控能力；在工業裝備或裝置上部署傳感器、監測設備、掃描器和執行器，以方便采集生產現場信息或執行反饋控制，增加與外部信息的交互；對在制品通過內嵌通信模塊或附加標簽，并采用藍牙、二維碼或者RFID等通信方式來加強產品的全生命周期管理；針對智能設備的部署位置分散，容易被劫持、假冒和攻擊，以及信息泄露等安全問題，還需要對智能設備進行專門的安全加固，如采用安全軟件開發工具包 （SDK）、安全操作系統和安全芯片等技術手段，實現防劫持、防仿冒、防攻擊和防泄密。

針對工業軟件的整體改造思路是：一方面要加快傳統的CAx、ERP和MES等研發設計工具和運營管理軟件的云化改造，實現工業軟件的云端部署、集成和應用，滿足企業分布式管理和遠程協作的需要；另一方面是圍繞多行業、多領域和多場景的云應用需求，通過對工業云和智能服務平臺提供的微服務的調用、組合、封裝和二次開發，形成面向特定行業特定場景的工業APP。除此之外，還應加大企業管理和生產管理等傳統工業軟件與大數據技術的結合力度，通過對設備、用戶和市場等數據的分析，提升場景可視化能力，實現對用戶行為和市場需求的預測和判斷；將新型工業軟件基于全生命周期管理軟件PLM進行系統性集成，推動工廠內 “信息孤島”聚合為 “信息大陸”，實現工廠從底層到上層的信息貫通；加強工業軟件與行業需求結合，促進軟件技術與工業技術的深度融合，鼓勵發展與工業領域緊密結合的定制化軟件與解決方案，使工業軟件產品更具有行業特性。

針對工業網絡，網絡互聯的實施主要是解決CPS各種設備、系統之間互聯互通的問題，涉及現場級、車間級、企業級設備和系統之間的互聯，以及企業信息系統、產品、用戶與云平臺之間的互聯。針對現有工業網絡的改造，既包含現有設備與系統的網絡化改造，也包含新型網絡連接的建設。

在現場級和車間級，主要實現底層設備的橫向互聯，以及其與上層系統縱向互通的連接：1）對控制器、機床和產線的通信方式進行改造，比如用工業以太網替代現場總線；2）對于新上線的設備和系統，應考慮對OPC-UA的支持，解決設備與系統的信息交互和集成問題；3）部署邊緣計算節點，對現場、控制系統和歷史數據庫的數據進行邊緣處理。具體采用的聯網方式需要結合通信需求、布線情況和電源供應等，并充分地結合IP化、無線化等趨勢，如針對在制品，可以采用短距離通信和標識技術，如藍牙、二維碼和RFID等；針對生產裝備或裝置，可以直接利用現有的聯網方式，也可以考慮利用工業以太網、工業無線等增加聯網接口；針對監測設備，如果實時性要求不高，可以采用有線寬帶通信、無線寬帶、LTE增強、NB-IoT和5G等技術。

在工廠企業級或工廠外部，應注重引入云平臺和大數據技術，并通過云平臺實現與生產設備、系統、產品和用戶之間的信息交互，以便為制造企業提供不同地域、不同功能的各類系統的橫向互聯，以及與上層應用、跨企業/跨行業各類主體之間的互聯，為價值鏈協作提供支持。具體的改造方案可參考如下方式：1）針對云平臺與協作企業信息系統中的一些網絡質量要求較高，或比較關鍵的業務，需要考慮建立安全、可靠的VPN專線來實現信息交互；2）利用NB-lOT、5G等無線技術實現工業云平臺與海量智能產品的無線連接；3）發展基于IPv6的公眾互聯網，以適應CPS中百億終端互聯的需求；4）智能網關應考慮對OPC-UA、MQTT XMPP等多種通信技術的支持，同時應具備協議適配和轉換的功能；5）通過外部網絡傳輸的數據，應采用IPSec VPN或者SSL VPN等加密隧道傳輸機制或MPLS VPN等專網，防止數據泄漏、被偵聽或篡改。

針對工業云與智能服務平臺，首先，部署工業云與智能服務平臺，既可以采集產線上各類機器、儀表、工廠信息系統或者管理系統的數據，也可以匯聚來自設計、生產、物流、市場和用戶等工廠外部數據，通過借助云儲存和大數據分析技術，可以推動工廠內部數據的集成分析，實現對工業生產的控制以及各種智能管理決策的應用，同時，在對工廠內部數據進行集成與分析的基礎上，建立從工廠外部數據到工廠內部信息系統的綜合分析反饋閉環，提升工廠的內外聯動；其次，工業云與智能服務平臺應與邊緣計算節點協同部署，通過這種方式，邊緣計算節點可按照實時性和隱私性需求進行本地化處理，同時將過濾后的數據傳送到工業云與智能服務平臺中，最終形成 “基于云計算的全局優化+基于邊緣計算的局部優化”的架構；然后，在對設備和系統進行改造的過程中，應考慮對設備和系統的功能進行服務化抽象和封裝，并提供服務調用接口，若設備或者系統改造困難，則可以通過部署適配器 （獨立的硬件或者軟件中間件）的形式來進行服務化封裝，同時，在服務化抽象和封裝的實施過程中，還應逐步地引入語義技術；最后，在工業云與智能服務平臺上應提供服務適配、注冊、發現、組合和管理等功能，以支持服務的靈活編排和調用。

4 結束語

本文從CPS的四大核心技術要素出發，詳細地論述了CPS的研究背景、技術架構、工作流程和核心技術要素存在的問題和應用實施方案，明確了CPS四大核心技術要素的改造方向，為兩化深度融合的發展奠定了基礎。未來，針對我國工業企業數字化水平相對落后的現狀，必須實事求是，號召我國工業企業踏踏實實地完成數字化改造，以夯實CPS發展的基礎。同時，應時刻關注核心技術的最新發展動向，比如工業產品的智能化技術、工業設備信息安全和功能安全的融合化技術、工業設備和產品的云化改造技術、工業網絡的扁平化、IP化、無線化和組網靈活化技術、工業云和智能服務平臺的應用使能技術和微服務技術等等，努力探討一條兩化融合的跨越式發展道路。