何廷潤

【摘 要】論述了德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的內(nèi)涵和目標(biāo)，提出了CPS（信息物理系統(tǒng)）是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略核心技術(shù)的觀點(diǎn)，分析了實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)及其未來的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】“工業(yè)4.0” “兩化”融合 CPS系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 智能制造

1 前言

2014年3月，國家主席習(xí)近平訪問德國時(shí)提出了當(dāng)前全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命呼之欲出的觀點(diǎn)，而且重點(diǎn)提到了德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。這實(shí)質(zhì)上是希望通過提升工業(yè)領(lǐng)域的智能化和信息化水平從而升級國內(nèi)的工業(yè)體系，作為強(qiáng)化國家優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇，這與我國的“兩化”融合戰(zhàn)略不謀而合。

德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略中的核心技術(shù)是CPS（信息物理系統(tǒng)），CPS技術(shù)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。就CPS技術(shù)而言，當(dāng)前仍存在著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 美國“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”和德國

“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略

早在2007年，美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會(huì)在其提交的《面臨挑戰(zhàn)的領(lǐng)導(dǎo)地位》的科技前瞻性報(bào)告中提出，將CPS技術(shù)列為8個(gè)重點(diǎn)科技領(lǐng)域之首，從此引起了全世界的廣泛關(guān)注。在這之后，美國先后制定了“重振美國制造業(yè)框架”、“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”和“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”，并設(shè)立了國家增材制造創(chuàng)新中心、數(shù)字制造和設(shè)計(jì)創(chuàng)新中心等先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新中心，之后又提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念，并由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院牽頭組織產(chǎn)業(yè)界制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。

2010年德國聯(lián)邦政府制定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，2013年6月德國漢諾威國際工業(yè)博覽會(huì)展出了“工業(yè)4.0”的樣板，2014年“工業(yè)4.0”再次成為德國漢諾威國際工業(yè)博覽會(huì)的中心話題。德國將“工業(yè)4.0”作為強(qiáng)化國家優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇，2014年4月，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的核心是以智能制造為主導(dǎo)的第4次工業(yè)革命或革命性的生產(chǎn)方法，采用信息通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——信息物理融合系統(tǒng)CPS（Cyber-Physical Systems）相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)，未來工業(yè)生產(chǎn)形式主要包括：在生產(chǎn)要素高度靈活配置的條件下大規(guī)模生產(chǎn)高度個(gè)性化的產(chǎn)品，顧客與業(yè)務(wù)伙伴廣泛參與到業(yè)務(wù)過程和價(jià)值創(chuàng)造過程中來，以及生產(chǎn)和高質(zhì)量服務(wù)集成等。

在我國，裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，全球需求結(jié)構(gòu)的變化對我國裝備制造業(yè)的發(fā)展造成了較大的沖擊，推動(dòng)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級已進(jìn)入關(guān)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(chǎn)業(yè)變革的制高點(diǎn)，是信息技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相互交匯的必然趨勢，要充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)在“兩化”融合中的重要作用，加快物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略與我國“兩化”融合戰(zhàn)略具有很高的契合度。

3 CPS（信息物理系統(tǒng)）是“工業(yè)4.0”

的核心支撐技術(shù)

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，簡稱CPS）作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化信息物理系統(tǒng)，通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)機(jī)制實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測或者控制物理實(shí)體，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。CPS也是一個(gè)分布式的異構(gòu)系統(tǒng)，不僅包含了許多結(jié)構(gòu)和功能各異的子系統(tǒng)，而且這些子系統(tǒng)可以分布在不同的地理空間內(nèi)。CPS具有自適應(yīng)性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點(diǎn)和要求。

2005年5月，美國國會(huì)要求美國科學(xué)院評估美國的技術(shù)競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。在此基礎(chǔ)上，2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計(jì)劃》則將信息物理系統(tǒng)列為重要的研究項(xiàng)目。2007年7月，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了8大關(guān)鍵信息技術(shù)，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(xué)基金會(huì)（NSF）也認(rèn)為，CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，CPS將改變?nèi)藗兣c物理世界的互動(dòng)。歐盟計(jì)劃從2007年到2013年在CPS系統(tǒng)技術(shù)研究上投入超過70億美元，期望在2016年成為CPS系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。

由于CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界，使智能物體進(jìn)行通信以及相互作用，淡化了現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間的界限，給信息世界與物理現(xiàn)實(shí)世界之間的相互作用關(guān)系帶來了根本性變化，被稱為是“工業(yè)4.0”的“實(shí)現(xiàn)技術(shù)”。未來，CPS技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)與國民經(jīng)濟(jì)生活中的基礎(chǔ)性、全局性作用會(huì)日益增強(qiáng)，因此CPS（信息物理系統(tǒng)）成為實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”的核心技術(shù)。

4 CPS（信息物理系統(tǒng)）技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，CPS系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)包括以下4個(gè)方面：

（1）不同系統(tǒng)間協(xié)同處理的挑戰(zhàn)

一是必須處理物理系統(tǒng)與計(jì)算系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。CPS在面向物理環(huán)境感知時(shí)，具有空間和時(shí)間上的關(guān)系，所以計(jì)算系統(tǒng)必須保證在事件處理、決策和控制時(shí)是準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的，確保在物理系統(tǒng)控制和操作的空間和時(shí)間上的正確性。

二是必須處理物理系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無處不在的通信接入，使得物理設(shè)備能夠進(jìn)行信息交互。所以，必須建立物理系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同模型，定性和定量地分析物理系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。endprint

三是必須處理計(jì)算系統(tǒng)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。由于物理系統(tǒng)中物理設(shè)備的安全性、面向?qū)ο笮院涂煽啃孕枰屯ㄓ玫挠?jì)算系統(tǒng)中的部件存在著本質(zhì)上的差異，因此必須研究物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、計(jì)算的離散性和時(shí)序性，重構(gòu)計(jì)算和信息網(wǎng)絡(luò)的抽象體系。

（2）CPS建模與模型融合的挑戰(zhàn)

一是CPS建模需要刻畫計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程之間如何交互以及融合時(shí)所表現(xiàn)的行為。典型的CPS建模需要考慮到物理環(huán)境、軟硬件平臺和網(wǎng)絡(luò)模型以及需要進(jìn)一步考慮軟件調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、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(jì)算部件，因此CPS系統(tǒng)牽涉到多種不同類型的計(jì)算模型。由于計(jì)算進(jìn)程采用的是離散的邏輯時(shí)間，而物理進(jìn)程采用的是連續(xù)的物理時(shí)間，計(jì)算世界里的事件通常指的是消息、異?；蛘咧袛?，而物理世界的事件可能指的是位置、形狀以及狀態(tài)等物理屬性的變化。如何在統(tǒng)一的框架下使用多種計(jì)算模型來同時(shí)對CPS進(jìn)行建模是CPS領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。

三是建模語言。傳統(tǒng)的建模方式在計(jì)算部件的建模方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢，有研究者已經(jīng)擴(kuò)充了已有領(lǐng)域模型的語義，在原有模型的基礎(chǔ)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(zhàn)

一是異構(gòu)組件的集成。如何設(shè)計(jì)靈活的接口來支持不同異構(gòu)組件的即插即用模式，以及如何支持組件間的自適應(yīng)組合是研究熱點(diǎn)之一。

二是方法的集成。CPS涵蓋許多領(lǐng)域，由于每個(gè)領(lǐng)域都有自成體系的一套模型、語言與方法，提取異構(gòu)系統(tǒng)之間的共性技術(shù)用于CPS的開發(fā)非常困難。

三是工具的集成。CPS的設(shè)計(jì)與開發(fā)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(jì)算與通信組件的設(shè)計(jì)、開發(fā)與部署。

（4）CPS驗(yàn)證與測試的挑戰(zhàn)

不同異構(gòu)組件的組合使得CPS的行為極為復(fù)雜，作為使命與安全攸關(guān)的系統(tǒng)，CPS需要經(jīng)過充分的驗(yàn)證與測試，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足各方面的要求。但目前尚缺乏該領(lǐng)域的成熟案例。

5 “智能制造”的發(fā)展前瞻

未來以CPS為核心技術(shù)的“智能制造”是經(jīng)濟(jì)增長的亮點(diǎn)，是下一次信息化技術(shù)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(xiàn)。CPS涉及各行各業(yè)，是一個(gè)龐大的綜合性、復(fù)雜性系統(tǒng)，所以對CPS的研究必須著眼于現(xiàn)在，展望于未來數(shù)十年或更長時(shí)間進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化和跟蹤。

德國已經(jīng)將推進(jìn)“工業(yè)4.0”作為國家戰(zhàn)略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。2014年4月，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)布了“工業(yè)4.0”的標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。2014年8月，德國聯(lián)邦政府2014～2017年的數(shù)字議程專門強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為“工業(yè)4.0”提供動(dòng)力，目標(biāo)是在2020年讓德國成為CPS的主要市場。德國發(fā)達(dá)的嵌入式系統(tǒng)、CPS的有關(guān)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，將為德國工業(yè)引領(lǐng)“工業(yè)4.0”提供極佳的機(jī)遇，使德國成長為CPS相關(guān)領(lǐng)域的全球市場領(lǐng)袖。預(yù)計(jì)至2025年，德國的CPS技術(shù)在智能制造、智能電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)動(dòng)性、遠(yuǎn)程治療以及遠(yuǎn)程診斷等領(lǐng)域取得明顯的成就。

我國工業(yè)和信息化部部長苗圩指出：必須緊跟新一輪產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)的深度融合，加快轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)彎道超越，打造新的競爭優(yōu)勢。2013年，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013-2018年）》，其中特別指出要深化互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用，推動(dòng)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)服務(wù)化、定制個(gè)性化、組織分散化、制造資源“云化”，從而加快互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合模式的創(chuàng)新及應(yīng)用推廣。

6 結(jié)束語

CPS是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的核心技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的科技前沿，是以智能制造為代表的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和后盾。因此CPS的有關(guān)成果和經(jīng)驗(yàn)，將為我國引領(lǐng)“兩化”深度融合與發(fā)展提供極好的機(jī)遇與借鑒。

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