工業CPS技術、架構及應用策略研究

劉棣斐　田洪川　劉賀賀

摘要：認為信息物理系統（CPS）是傳統自動化控制系統和新型信息技術融合的產物，是工業領域實現智能制造的必要基礎。在研究智能制造實施過程中所面臨的設備聯通、信息集成和分析優化等需求的基礎上，提出了涵蓋不同層級的、能夠描述工業信息物理系統特征的通用架構體系，并重點闡述架構體系實施過程中需要關注的關鍵技術要素。認為中國應該把握發展機遇，積極布局相關技術和應用，穩步推進CPS在工業領域的應用。

關鍵詞： 信息物理系統；智能制造；架構體系；關鍵技術；策略建議

Abstract： Cyber physical system （CPS） is the integration of traditional automation control systems and novel information technologies， and it is the essential foundation for implementing intelligent manufacturing. In this paper， we propose a universal architecture covering different levels to present the features of industrial cyber physical system， and focus on the main technologies that should be concerned during architecture implementation. China should take the development opportunities， and actively arrange related technologies and applications， and steadily promote the application of CPS in the industrial field.

Key words： cyber physical system； intelligent manufacturing； architecture system； main technologies； suggestions

隨著嵌入式系統、自動控制技術和傳感器技術的深入發展，以及物聯網和新型信息技術的迅速興起，信息物理系統（CPS）[1]應運而生。CPS的概念最早在2006年由美國自然基金委提出[2-3]：CPS是一種計算資源和物理資源緊密結合和協作的系統，能通過計算智能、通信和控制的深度融合以及相關技術的新發展來改變我們的世界。此概念一經提出，就因其多學科融合的前沿性和廣闊的應用前景而得到廣泛關注和高度重視。

尤其在工業領域，德國“工業4.0”戰略[4]、美國“先進制造”戰略[5]和“中國制造2025”戰略[6]都強調通過信息技術和傳統制造業的深度融合來實現智能制造，而實現融合的核心則是能夠連接虛擬數字世界和現實物理世界的CPS。換而言之，CPS是智能制造的關鍵技術，是促進工業化與信息化融合的重要抓手，是當前工業革命戰略布局的主要方向。

盡管目前關于CPS的定義尚未統一，不同定義所采用的描述方法和關注重點各不相同[7-9]，但對于工業領域來說，CPS可以被視為一個由嵌入式系統、網絡、軟件、數據平臺等信息要素與生產設備、傳感器件、操作人員等物理實體所構成的“智能聯網閉環系統”。CPS的本質是借助先進的傳感、通信、計算和控制技術實現生產過程中信息單元和物理實體在網絡環境下的高度集成和交互，構建從數據感知到數據處理的自下而上的信息流和從分析決策到精準執行的自上而下的控制流[10]，最終達到自主協調、效率提升、性能優化和安全保障的智能制造目標。

文章中面向工業領域的CPS，我們重點研究如下幾個方面內容：（1）分析在智能制造實施過程中CPS所能解決的關鍵問題；（2）提出一個涵蓋企業不同層級的，能夠描述工業領域CPS應用特征的通用架構體系，并分析架構體系中所涉及的關鍵技術要素；（3）針對典型企業應用案例進行剖析，展示CPS在智能制造領域中的應用模式和具體場景；（4）中國推進工業領域CPS實施應用的策略和方法。

1 CPS解決的問題

智能制造是對基于新一代信息技術實現信息深度感知、智能優化決策和精準控制執行功能的制造過程和生產模式的總稱。實施智能制造能有效地縮短產品研制的周期，提高生產效率，提升產品質量，同時降低成本和消耗。

但是，在當前智能制造的實施過程中，制造業仍面臨不少問題亟需解決。在工業領域開展CPS研究和應用，則能夠有效解決這些問題。

（1）CPS能夠解決當前工業生產數據、裝備數據和產品數據采集的完整性、及時性和準確性問題。由于傳感器部署不足，裝備智能化水平低等因素制約，當前工業生產現場的數據采集存在著數據量不夠，數據類型不豐富，數據精度不高等問題，無法形成支撐高級分析和智能優化的底層海量數據源。CPS能夠借助先進的嵌入式系統和傳感器技術，增強對底層數據的采集能力，支撐工業系統實現智能深度感知。

（2）CPS能夠解決當前工業信息的橫向和縱向集成問題。受制于數據接口標準的不統一，數據運營的相對孤立封閉，以及數據和網絡的異構問題，工業數據難以實現橫向集成。而工業數據的縱向集成則主要受制于企業管理層和生產現場層之間的網絡隔離和企業內部尚未形成統一化網絡接口，導致生產現場的管理平臺間無法實現實時數據的雙向傳遞。CPS可以通過構建新型工業數據集成平臺，能夠按照統一標準對不同來源和不同類型數據進行集成處理，實現數據信息的橫向、縱向連通和共享。

（3）CPS能夠解決當前工業數據計算分析能力和應用能力不足的問題。一方面，現有工業計算工具和分析方法長期停滯在較為初級的水平；另一方面，當前工業大數據分析的應用能力不足，無法基于海量的工業數據形成更深層次的運營決策優化、生產效率優化和設備運行優化等。CPS能夠提供數據分析應用軟件并打造新型工業數據分析平臺，從而提升對工業數據的計算分析水平，促進行業內的生產智能化應用。

在解決上述3個問題的基礎上，CPS的深入應用還可以進一步實現對工業生產過程的全面優化，例如基于工業裝備和產品的監測控制感知和分析反饋，實現能夠提升效率的企業資產優化，以及基于大數據分析決策，實現能夠創造服務新價值的運營優化等。

2 CPS的架構體系和關鍵

技術

2.1 企業實施CPS的架構體系

從定義可知，CPS中既包含物理實體又包含信息要素，對應到企業或工廠之中，就囊括了從生產現場控制、運營管理、企業管理到企業外部服務的不同層級。一個通用的企業CPS實施架構就是由這些層級中的相關實體要素和功能要素以及它們之間的相互關系共同構成的，如圖1所示。

架構體系中的物理實體部分位于最底層，由企業生產現場控制層中的含有傳感器、控制器和執行器的各類生產設備構成。它們是整個信息物理系統實現環境感知的數據采集源頭，也是與物理世界進行交互的決策執行終點。而架構體系中的信息要素部分則覆蓋了更廣泛的范圍，從生產控制層的分布式控制系統到運營管理層的虛擬仿真軟件和制造執行系統，再到企業管理層的各類信息化業務系統以及更高層次的企業外大數據應用服務，來自底層的數據信息在不同層級間傳遞、處理和分析，形成相應的決策結果并反饋到物理實體去執行。另外，為了保證信息的連通性和安全性，在架構體系中還應該貫穿始終地關注網絡連通和安全防護兩部分內容。

另外，在圖1中還展示出了架構體系中所包含的3種類型的CPS：首先是結合嵌入式系統實現感知、計算、決策和執行能力集成的單個信息物理設備，例如新一代的智能工業機器人；其次是利用網絡連接各類物理設備（可包括單個信息物理設備）和分析軟件以實現智能閉環控制的信息物理系統，例如車間內的分布式控制系統和智能物流配送系統；最后是由不同信息物理系統通過信息連接和行為交互實現協同的“系統的系統”，例如一個容納了各類智慧業務系統的智能工廠。

2.2 實現CPS的關鍵技術

（1）工業設備智能化技術

在工業領域，信息系統與物理系統交互的基礎是智能化的工業設備，包括傳感器、執行器、可編程邏輯控制器（PLC）等。實現設備智能化的關鍵依托是嵌入式技術，既包括傳統的實時嵌入式系統，又包括新興的物聯網嵌入式系統和設備廠商的自定義嵌入式系統。利用嵌入式技術實現工業設備的集成化，使其在數據采集、計算處理和指令響應等方面的功能得到持續增強。

（2）工業軟件智能化技術

工業軟件是信息物理系統中構建信息世界的載體，包括設計研發、生產運營和企業管理等各類工具軟件。工業軟件智能化是指實現軟件的云端化、集成化和仿真化，例如依托云平臺構建軟件即服務（SaaS）以大幅降低企業信息化成本；以企業資源計劃（ERP）為中心實施管理軟件集成化來提升系統間的互操作能力；能夠覆蓋產品設計到制造全流程的仿真建模和虛擬運行實現從信息世界到物理世界的優化等。

（3）數據集成和分析技術

數據的集成和分析是信息物理系統決策生成的關鍵。當前的數據集成和分析主要實現方法有工業云平臺、大數據平臺以及相應的大數據分析軟件，主要涉及大容量存儲、高速處理芯片、海量異構數據的組織和融合，以及基于模型和迭代分析的數據處理和分析等技術。通過數據的集成和分析來促進企業能力的提升，并形成智能制造的開放生態系統。

（4）高性能網絡通信技術

網絡是信息物理系統實現泛在連接的核心支撐。高性能網絡通信技術要解決不確定信息信號、異構系統模塊的實時可靠通信與處理問題。從實時通信的技術構成來看，可以分為有線網絡的現場總線技術和工業以太網技術，無線網絡的藍牙、WiFi、Zigbee等近場通信技術和LTE/5G移動通信技術；從互聯互通的技術構成來看，包括異構網絡、異構系統集成和跨平臺互通等技術。

（5）安全防護技術

安全防護是信息物理系統的本質要求。安全防護核心技術主要涉及工業以太網入侵檢測技術、兼容多類型嵌入式系統的安全防護技術、適合工業安全隔離要求的現場認證與密碼技術、面向工業協議和工業設備的漏洞挖掘技術等。

3 CPS應用案例分析

當前，工業領域內有越來越多的企業開始進行CPS的探索和應用，并在不同的應用場景中形成了一批具有代表性和示范性的應用成果。

（1）信息物理設備——ABB人機協作機器人

ABB于2015年正式推出了代號為YuMi的人機協作機器人以滿足電子消費品行業對柔性和靈活制造的需求[11]。相比于傳統工業機器人而言，YuMi最大的特點是實現了與人類的近距離協作。這得首先得益于機器視覺和新型力傳感器的應用，使得YuMi具備了視覺和觸覺，大大提升了它對周邊環境的感知能力。在環境信息獲取的基礎上，嵌入式安全系統和智能控制算法的應用則賦予了YuMi“思考”和“決策”的能力，能夠自動適應環境變化并進行安全的軌跡規劃。最后，借助一流的精密運動控制部件，YuMi能夠精確靈活地執行自身所做出的“決策”，從而實現生產過程中的人機協作。新型傳感器技術、嵌入式技術、智能算法和控制技術的集成促進機器人外部物理現實環境和內部信息分析決策空間的深度融合，使人機協作機器人表現出典型的信息物理設備特征。

（2）信息物理系統——GE航空發動機的預測性維護系統

美國GE公司在出廠的航空發動機中布置了大量傳感器以實現飛行過程中發動機工作數據的實時采集，具備了對物理世界的感知能力；通過互聯網絡將數據傳回GE自身推出的工業數據集成和分析平臺Predix，然后基于大量歷史數據的積累來尋找規律，通過數據擬合和建模的方法判斷發動機運行趨勢，進而制訂出精準的預測性維護策略[12]，具備了信息世界中的分析決策能力；最后根據決策結果進行發動機的維護工作，有效增加發動機的運行時間、降低維護成本并提高安全性，具備信息世界對物理世界的優化能力。在預測性維護系統中，互聯互通網絡是基礎，Predix平臺中的數據分析軟件是核心，形成了從感知、決策到執行閉環的信息物理系統。

（3）“系統的系統”——西門子安貝格工廠

在德國西門子公司的安貝格電子制造工廠中，智能物流配送系統利用射頻識別（RFID）實現物料信息識別并將信息傳遞到中央物流區，經過分析處理后能夠準確地將相關物流進行配送；生產管理系統基于SIMATIC平臺進行數據采集，實現了生產狀態的實時展示并利用統一的分析管理工具對生產過程中每個環節進行有效監測控制；質量管控系統則借助實時在線的質量檢測和進一步的相關性分析來降低產品的缺陷率。這些不同場景中的信息物理系統實現了信息的交互和各類資源的合理分配，并對工廠中物理實體進行高效實施控制，共同構建出“系統的系統”式的智能工廠，生產效率提升至每秒鐘就能生產一個產品，產品合格率高達99.9988%[13]。

4 工業CPS應用的推進策略

相比于其他國家，中國工業領域的CPS研究和應用雖然仍處于起步階段，但并未存在明顯差距。因此，中國應該把握機遇，積極布局相關技術和應用，穩步推進CPS在工業領域的應用，搶占新一輪工業革命的制高點。總體思路上，中國應以突破關鍵軟硬件技術為基礎，構建綜合標準化體系為主線，開展行業內應用試點示范為牽引。

在突破關鍵技術方面，可借鑒美國工業互聯網聯盟（IIC）的經驗[14-15]，以企業為主體聯合相關研究機構，通過聯合體的方式整合產學研用資源，共同搭建測試驗證平臺，開展嵌入式系統、大數據分析、高端工業軟件、工業以太網和安全防護等方面的研究與驗證。在加強基礎共性理論和技術研究力度的基礎上，通過搭建模擬仿真驗證環境，開展各項技術的測試驗證服務，推動相關技術產業化應用，培養應用型技術人才。借助測試驗證平臺對信息物理系統研究的催化作用，提升底層計算和控制能力，提升數據分析和軟件工具應用能力，提升工業網絡性能和系統安全水平。

在綜合化標準體系中應重點關注6類標準：

（1）總體標準，包括信息物理系統術語、參考模型、總體架構等；

（2）平臺和軟件標準，包括平臺架構、軟件架構和質量評價等；

（3）數據標準，包括數據接口、標識和存儲管理等；

（4）網絡技術標準，包括網絡架構、異構網絡、新型標識解析等；

（5）安全標準，包括安全管理、監測、評估和智能裝備安全保障等；

（6）系統實施標準，包括系統的研發設計、集成實施、運行維護等。在標準體系的構建過程中，應通過推動成立信息物理系統標準推進聯盟的方法來充分調動各方積極性，尋求標準“最大公約數”，加速相關成果的落地實施。

行業應用試點示范是牽引技術應用測試和標準體系建立的有效手段，應從特定行業選擇、特定應用場景兩個角度來考慮試點示范工作的推進思路：一是在工控自動化基礎較好、虛擬仿真應用成熟、工業大數據分析需求迫切的重點行業，如鋼鐵、石化、機械、汽車、航空、電子等行業，組織開展新型嵌入式工業控制系統、工業大數據平臺、高端工業軟件三大核心技術應用試點示范；二是以智能車間的生產過程智能控制、智能工廠的研發運營虛擬仿真、智慧園區的企業間協同制造為重點，開展信息物理系統應用場景試點示范。

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