工業(yè)4.0時代的信息化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

嚴新金等

[摘 要]工業(yè)4.0是由德國提出的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，本文在此基礎(chǔ)上提出了工業(yè)4.0信息化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)， 對CPS的三層體系結(jié)構(gòu)和面臨的挑戰(zhàn)進行深入探索。

[關(guān)鍵詞]CPS；工業(yè)4.0；物聯(lián)網(wǎng)；挑戰(zhàn)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.10.068

[中圖分類號]TP399 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2015）10-00-02

1 工業(yè)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(yōu)雅的環(huán)境給人一種錯覺——這分明是高端寫字樓里的辦公室啊。生產(chǎn)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(jié)點又自動的朝不同分支的生產(chǎn)線傳輸，這才證明這里確實是工業(yè)化的生產(chǎn)車間。這就是工業(yè)4.0時代工廠車間里的普遍現(xiàn)象。工業(yè)4.0是由德國技術(shù)科學(xué)院（ACDTECH）等機構(gòu)聯(lián)合提出的國家戰(zhàn)略，旨在確保德國制造業(yè)的未來競爭力和引領(lǐng)世界工業(yè)發(fā)展潮流。

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

2 工業(yè)4.0時代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其特點

2.1 工業(yè)4.0時代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，是將虛擬制造、智能制造和傳統(tǒng)制造業(yè)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(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進技術(shù)將生產(chǎn)制造與消費服務(wù)形成互聯(lián)互通的有機體，建立高度靈活的個性化和數(shù)字化產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)制造模式，而實現(xiàn)這一戰(zhàn)略的核心技術(shù)就是CPS信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems）。

CPS信息物理系統(tǒng)包含了環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。它注重虛擬制造與物理制造的協(xié)調(diào)與緊密結(jié)合。CPS信息物理系統(tǒng)是工業(yè)4.0的核心支撐技術(shù)，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(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中間層的平臺架構(gòu)（如圖2所示）。

本文結(jié)合工業(yè)4.0的概念和需求，參照OSI網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種層次化、模塊化的CPS體系結(jié)構(gòu)，，該結(jié)構(gòu)自上而下可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理鏈路層（如圖3所示）。應(yīng)用層是CPS與虛擬世界的窗口，是CPS與互聯(lián)網(wǎng)的接口，主要提供CPS對接互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)，使用戶獨立于CPS本身繁瑣的功能體系，專注于CPS的應(yīng)用。物理感知層是主要感知、提取和處理機器、設(shè)備和環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)，提取現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yīng)用層，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成，類似于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，負責(zé)將物理感知層獲取的信息安全可靠地傳輸?shù)綉?yīng)用層，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行信息處理。

2.2 基于工業(yè)4.0的CPS體系結(jié)構(gòu)特點分析

第一，虛擬的信息世界與現(xiàn)實的物理世界的協(xié)同交融。CPS通過傳感器、微型控制器等設(shè)備感知現(xiàn)實的物理世界，再通過各種計算機網(wǎng)絡(luò)與虛擬的信息世界融合，信息與物理直接存在著反饋閉環(huán)。

第二，通過物理感知層自主的適應(yīng)客觀物理環(huán)境的動態(tài)變化，具有自適應(yīng)能力和重配置功能。

第三，現(xiàn)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(gòu)性。CPS動態(tài)的接入不同的物理實體、計算機部件和模型等，自適應(yīng)不同的條件和應(yīng)用需求。

3 工業(yè)4.0時代信息化的變革與挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模普及與應(yīng)用，工業(yè)4.0將建立在CPS基礎(chǔ)之上，將物理設(shè)備與虛擬網(wǎng)絡(luò)融合以推動工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級換代。CPS不僅將催生新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有的工業(yè)布局，同時CPS的發(fā)展也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要有如下幾方面。

3.1 節(jié)點互聯(lián)的挑戰(zhàn)

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(wǎng)絡(luò)節(jié)點融合。但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點缺乏統(tǒng)一的標準，接口繁多且千差萬別，如何實現(xiàn)節(jié)點接口、如何定位節(jié)點和如何路由節(jié)點是CPS網(wǎng)絡(luò)通信面臨的一大挑戰(zhàn)。

3.2 協(xié)同工作的挑戰(zhàn)

CPS上承信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)，下啟物理感知節(jié)點，是三者之間能否協(xié)同工作的關(guān)鍵所在。其本質(zhì)在于將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備實現(xiàn)計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等5大功能。所以如何讓物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和CPS構(gòu)成的龐大的網(wǎng)絡(luò)能互聯(lián)互通、井然有序地協(xié)同工作是CPS的又一大挑戰(zhàn)。

3.3 安全驗證方面的挑戰(zhàn)

CPS的核心技術(shù)是要將物理設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)和有線網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)和不同的異構(gòu)體集成融合，不同異構(gòu)體間的組合需要經(jīng)過充分的安全驗證。然而在缺乏統(tǒng)一標準和機制的情況下，肩負與安全攸關(guān)的CPS系統(tǒng)，其安全驗證行為極其復(fù)雜。

4 結(jié) 語

本文主要討論了工業(yè)4.0時代信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出CPS的三層體系結(jié)構(gòu)模型，并論述了CPS所面臨的挑戰(zhàn)。CPS作為互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)融合的關(guān)鍵技術(shù)，將為未來智能制造、智慧生活提供良好的機遇。