工業4.0下的信息物理系統（CPS）的構建

田云龍， 肖志余

（武漢軟件工程職業學院， 湖北 武漢 430205）

引言

工業4.0是德國政府《德國2020高技術戰略》中所提出的十大未來項目之一。于2011年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出，在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等德國學術界和產業界的建議和推動下形成，并已上升為德國國家級戰略[1]。工業4.0旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及基因工程學的智慧工廠，提升德國的工業競爭力，在全球范圍內引發了新一輪的工業轉型競賽。

1 德國工業4.0的參考模型

RAMI4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）即工業4.0參考架構模型[2]是為了達到對工業4.0的標準、實例、規范等內容的共同理解而制定，它從產品生命周期/價值鏈、層級和架構等級三個維度，對工業4.0進行多角度描述的一個框架模型，它代表了德國對工業4.0所進行的全局式的思考，框架模型如圖1所示。

第一個維度，是在IEC 62264企業系統層級架構的標準基礎之上，補充了產品或工件的內容，并由個體工廠拓展至“連接世界”，從而體現工業4.0針對產品服務和企業協同的要求。第二個維度是信息物理系統（CPS）的核心功能，具體包括資產層、集成層、通信層、信息層、功能層、商業業務層等各個功能層次。第三個維度是價值鏈，即以產品全周期視角出發，描述了以零部件、機器和工廠為典型代表的工業要素從虛擬原型到實物的全過程，劃分為模擬原型和實物制造兩個階段，突出各類工業生產部分都要有虛擬和現實兩個過程，體現了全要素“數字孿生”特征，工業生產要素之間依托數字系統緊密聯系，實現工業生產環節的末端鏈接。

圖1 RAMI4.0框架圖

工業4.0參考架構模型的誕生，是系統工程論中最典型的思維模式。有了這個模型，各個企業尤其是中小企業，就可以在整個體系中尋找到自己的位置。目前公布的RAMI4.0已經覆蓋有關工業網絡通信、信息數據、價值鏈、企業分層等領域。

2 CPS系統

從RAMI 4.0模型可以看出，工業4.0的核心是信息物理系統（Cyber—Physical System），簡稱 CPS，它是將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產品供應。CPS包含兩個世界，一個是信息世界，指的是工業軟件和管理軟件、工業設計、互聯網和移動互聯網等；另一個是物理世界，是指能源環境、人、工作環境、局域通信以及設備與產品等。CPS的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡[3]，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。工業4.0進一步豐富了 3C融合概念[4]，在計算（Computation）、通信（Communication）和控制（Control）的基礎上，增加了內容（Content）、社群（Community）與定制化（Customization），6C條件下的智能工廠通過網絡協同制造，可以實現全產業鏈的智能生產，實現可視化生產，實時監控生產數據，并通過管理實現預測性制造。

在CPS實現的關鍵是實現生產過程的數字化，數字化主要包含兩層含義，一是對CPS系統中的各個子系統進行可計算的抽象化，另一個是讓子系統的抽象化模型能實時反映子系統的狀態變化。CPS系統中的每一個子系統、每一個單元，甚至每一個零部件都有一個能實時反應其狀態的數字化雙胞胎，這個過程有兩層含義，第一層含義是產品周期全過程有數字化信息進行反映，用數字化信息表征生產狀態，第二層含義是通過各個零部件上采集的數據配合上各種已知設計參數，做到小至產品，大至整個工廠的仿真模擬，現實空間中的各種狀態都能反應在虛擬空間上，通過虛擬空間的仿真，預測產品或者生產空間可能出現的偏差。CPS提供構建物聯網的基礎部分并且與“互聯網”一體化，實現“工業4.0”。未來，眾多的智能化生產設備通過網絡緊密地聯接在一起，產品則通過網絡通信向生產設備反饋變量，設備根據變量自動進行調整，生產過程更加智能，生產效率更高。

3 CPS系統的構建

CPS的構建是一個復雜的系統工程，需要將機械、電子、通信、計算機等多種學科和領域進行融合，CPS的構建可以分成三個層面進行構建。

第一個層面是物理技術層面，企業需要采集涉及產品全周期過程的直接數據，對不直接產生數據的生產過程則利用傳感器技術、嵌入式系統等技術手段將這些過程數據化[5]，數據采集后利用藍牙、RFID等技術手段進行上傳。采集過程實現自動化，人工側重于數據采集穩定的把控和采集方式的創新。

第二個層面是數據格式的統一和通信標準的統一，這一層面需要行業之間確定一個標準。不同設備之間、不同企業之間的數據格式往往不同，數據無法直接進行溝通，需要對采集的數據進行格式統一和通信標準統一。統一之后，對于企業內部而言，這些數據與企業的ERP系統和MES系統對接，實現企業內部的高效管理，對于企業之間而言，通信標準統一后，企業之間的溝通和交流才能成為可能。

第三個層面是物聯網與互聯網的結合，這個層面需要有數據平臺為企業提供技術支持，但是對于一些中小型企業而言，單獨建立數據平臺是不經濟的，所以中小型企業可以利用工業云平臺實現數據平臺的功能。在CPS第三個層面，企業與外部的互聯，企業的產品全周期的數據與供應商、與客戶、與各行業者進行共享，供應商可根據企業的產品全周期數據提供快捷的供應，減少了供應的中間過程，企業減少原料、備件等的采購風險和倉儲成本，客戶通過企業的產品信息實現定制化生產，同時企業通過客戶需求信息幫助企業實現產品升級和創新，行業之間的互聯則能夠優勢互補實現共贏。第三個層面的構建完成后，企業就完成了物聯網與互聯網的結合，企業改變傳統的生產方式，形成新的商業模式。

4 結論

從德國工業4.0的模型和CPS的構建可以看出：

1）RAMI 4.0提供了一個工業4.0的框架和模式，企業可以根據自己的條件，找準自己的位置，RAMI 4.0也為企業實現工業4.0提供了參考途徑。

2）CPS是工業4.0的核心，為了實現CPS，企業需要在硬件和軟件上都有所投入，從三個層面上實現產品全周期的數據采集、上傳和應用。

3）三個層面中，第一個層面和第二個層面是基礎，也是企業升級改造的過程，第三個層面是企業的外部互聯，可借助于工業云計算實現，減少企業的數據平臺的投入成本。通過三個層面的構建，企業可實現物聯網和互聯網的結合，實現生產模式升級。

4）CPS的構建最終是催生新的商業模式，形成一個良好的工業生態環境，企業與供應商、企業與客戶、企業之間都能實現信息的互通，實現共贏。