信息物理系統和工業 4.0

艾納·安德爾

信息物理系統催生工業 4.0

互聯網技術發展分成幾個階段，每個階段大概五年時間。首先是 1995～ 2000年。1993年萬維網誕生之后，我們通過萬維網能夠將文本信息進行相互連接。2000年后，我們開始將圖片、音頻和影像信息直接記錄入文件中，并引入互聯網世界。2005年，我們進入社交媒體時代，人與人通過互聯網密切聯系。2010年，社交媒體之間開始相互連接，企業開始利用互聯網開展業務工作。2015年，我們開始進入信息物理系統（CPS，對“信息物理系統”的譯法存在一定爭議）時代，人與人相聯，企業相聯，最終物理系統之間也要相聯。

工業 4.0是這個時期非常重要的議題，它受到物聯網、服務聯網、數據聯網的極大的影響，是第四次工業革命的重要議題。第一次工業革命是在 18世紀末，當時引入了制造工廠，它的基礎是水和蒸汽動力的使用。第二次工業革命是由大規模生產帶動的，電力促成了第二次工業革命。第三次工業革命發生在 20世紀 70年代初，信息技術開始促進生產的自動化。第四次工業革命的基礎將是信息物理系統。

為什么稱之為革命？這是因為通過引入新的技術，不管是蒸氣動力、電力，還是信息技術等，都徹底地改變了我們的工作和生活，我們需要新的標準、新的資質，新的教育結構和新的企業。所以工業 4.0將是第四次工業革命，它的目標是創建新的價值鏈，將覆蓋整個產品生命周期，技術方法則是信息物理系統。

信息物理系統既在虛擬世界存在，也在現實世界存在，它包含現有的現代控制技術和嵌入式系統，是工業 4.0的主要推動力。現在的嵌入式系統必須有互聯網地址，所有物理世界中的設備都能進行邏輯連接，能夠相互交流通信，即系統之間能夠進行通信。

德國工業 4.0的五大支柱和十七點綱要

工業 4.0的路線圖是我們的發展戰略，在未來的10～ 20年的時間里，它將基于五大支柱。

第一大支柱是“水平融合”，通過價值創造網絡來實現水平融合，實現機器與機器的溝通，乃至企業之間的通訊。

第二大支柱是指整個生命周期的無縫集成。企業的產品信息，在全產品生命周期流動，企業甚至能從客戶處獲取產品使用的信息，從而持續改進產品。

第三個支柱是“垂直融合”和互聯生產系統，這種方式使得企業能夠使用設計信息推動制造流程，這個過程應該是無縫的信息流動。

第四個支柱是新的社會基礎設施，行業需要新的資格認證和新的組織方式。

第五個支柱是指混合技術的持續發展。例如，工廠的有線和無線通訊，還要考慮帳戶安全、隱私保護和知識保護等。參考架構也非常重要，未來的目標是建立一個分散化、以服務為導向的結構。

工業 4.0平臺的 17個綱要是 2014年年初由（我們）科學顧問委員會推出的，我們把 17個綱要劃分為三類。第一類是以人類為中心的問題，第二類是技術問題，第三類是組織性的問題。

第一類是以人類為中心的問題，包括四點綱要。

第一點綱要，以人類為導向的“工作組織”方案設計，工業 4.0的發展存在越來越多的可能性，組織者面對的可能性也越來越多，針對不同年齡層工作者的機遇不斷出現，希望在老齡化社會，使工業 4.0發展能更有優勢。

第二點綱要，工業 4.0應該被理解為社會技術系統，可以為人們提供機遇，可以擴展業務范圍、資格和員工的行動范圍，同時可以大大豐富知識的獲取渠道。

第三點綱要，就是工作設備，特別是那些有助于學習和溝通的設備，它能提升教育、學習的效率。

第四點綱要，是指學習工具，它能自動為用戶提供他們所需要的功能。

第二類是技術問題，包含 9大綱要。

第五點綱要是以技術為導向。

第六點綱要，工業 4.0系統對于用戶而言，要易于理解、容易操作和方便學習。工業 4.0系統提供了獲取解決方案的渠道，它使我們可以綜合不同的因素來構建、實施和運營工業 4.0系統。我們的新產品需要發展，才能符合新的行業規定和發展趨勢。

第七點綱要，企業流程和產品網絡化、個性化后的復雜性。這種復雜性可以通過一些手段來管理，如三維建模、仿真分析和自我組織等，現在出現了更多的相關解決方案。現實和虛擬世界是相互交叉的，例如對現實的數字化，以及讓虛擬空間服務于物理世界。

第八點綱要，對資源的有效性和資源效率進行規劃、實施、檢測和持續自我優化。

第九點綱要，是指智能產品，它們是信息的載體，是人們可獲取和可發現的，將貫穿于整個生命周期。

第十點綱要，是指系統組件和組成部分，存在于生產方式中，同時它們也支持生產系統和生產流程的虛擬規劃。

第十一點綱要，是指發展新的系統組成部分和新的功能。

第十二點綱要，是指系統的組成部分，為我們提供一些服務功能，這些功能可以由其他機構、其他人來獲取。

第十三點綱要，是指新的安全要求，要創造一種可信、有彈性且被社會所接受的工業 4.0安全系統環境。

第三類是組織性相關的問題，包含 4大綱領。

第十四點綱要，是指擁有一體化增值產品和服務的新增值網絡，它們能實現不同的分工。

第十五點綱要，是合作與競爭，簡稱為競合，競合會從經濟和法律上創造新的架構，不同工種的代表都將整合進工業 4.0的架構中。

第十六點綱要，是系統結構和業務流程，這是在適用的法律結構體系內實現的，新的法律解決方案也會讓新的商業模型實現。

第十七點綱要，創造區域的價值和機會，在發展中市場也同樣有機遇，我們希望建立一些定制化的系統來滿足不同市場的需求。

信息物理系統及其安全措施

為什么需要信息物理系統？原因在于，我們希望建立智能體系，在加工技術和制造流程中，以功能整合的方式創造更高的價值。從純機械的社會到機械電子的社會，然后進入電子電控的社會，最后進入信息物理系統的世界。

信息物理系統基于嵌入式系統，嵌入式系統加入了傳感器，我們可以安裝嵌入式軟件，讓傳感器的操作更為智能，成為智能傳感器設備。將嵌入式軟件整合入執行器，出現了智能執行器。將智能傳感器和智能執行器進行組合，這種全智能的系統已經得到了驗證，可以適用于不同的電子系統。

現在，新的方法已經出現，將嵌入式系統和互聯網技術相結合，建立信息物理系統。信息物理系統具有互聯網地址之后，嵌入式系統將具備額外的功能。通過這樣的做法定義一個單元，可以把這個單元用于生產體系，在生產設備環境中把這個系統稱之為信息物理生產系統，或是用于生產設備的物理系統。

關于安全保障措施，共有三個層面，分別為系統層面、應用層面和技術層面。應用層面的目標是保障工業 4.0的流程安全，系統層面的目標是保證信息物理系統的安全，技術層面則確保安全的數據和安全的服務。物理系統的安全通過可信賴的機器控制來實現，其中融入了可檢測、可核實的完整措施。數據安全可以使用現代的加密技術、數據簽名和不可篡改技術來保證，安全服務采用使用權限、可信任環境和身份驗證這三個措施來保證。

工業 4.0系統發展的四個應用場景

工業 4.0的定義基于兩個完整的方案，一是物理系統，如控制系統、單個零件的控制系統等，另一個是管理層，例如，有獨立網址、可執行的嵌入式系統軟件，這些是附加在物理系統之上的。每個工業 4.0系統的組成部分，都能通過網絡服務獲取實體部件的相關信息。

在實際應用中，需要經過一些步驟，第一步是理論模型，第二步則是測試。測試之后，我們可以對應用場景進行實施、貫徹和落實。下面我列舉四個應用場景。

應用場景一

信息載體的組成部分出現故障。首先找到和分析這個出現錯誤數據的部件，哪個部分出錯？哪些不符合規范？當然這有點為時過晚，因為這個部件已經出現了錯誤。所以，只有對機床和工具進行持續的跟蹤分析，才能獲取足夠的信息，才能了解機床、工具是否可以繼續使用，是否出現了老化。如果這個工具已經達到生命周期的終點，那么需要對它進行自動更換。

應用場景二

為了進一步提高整個環節的生產效率，需要對現有生產線進行升級。生產線已經存在，且使用現存生產技術，維持現有生產流程。我們把現有部分替換到工業 4.0系統中，方法是分析績效指標，對組織系統的經濟情況進行評估。當然，最重要的是要把工人放到核心位置。

應用場景三

針對制造系統，需要從科學發展和工程實踐的角度來看問題，對工業 4.0系統進行研究，設計出符合自身條件的工業 4.0生產系統。這個系統主要是系統控制單元，這個控制單元作為工業 4.0的組成部分被實施和融合。基于控制單元，我們可以進行遠程系統控制，也可以監測整個生產流程。如果發現正確率比較高的加工流程，我們可以從外部加以精確控制，也可以通過互聯網接入系統，直接從系統中采集數據。

應用場景四

靈活智能的工人輔助。工業 4.0系統可以讓工人貫穿整個流水線，直接獲知工人在流水線上組裝了哪個部件？處理了哪個部件？用了什么工具？我們把這個組成部分作為一個信息載體，希望能夠單獨地獲取每個部件的數據，并對每個部件進行數字化。