工业4.0下的信息物理系统（CPS）的构建

田云龙， 肖志余

（武汉软件工程职业学院， 湖北 武汉 430205）

引言

工业4.0是德国政府《德国2020高技术战略》中所提出的十大未来项目之一。于2011年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为德国国家级战略[1]。工业4.0旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及基因工程学的智慧工厂，提升德国的工业竞争力，在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。

1 德国工业4.0的参考模型

RAMI4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）即工业4.0参考架构模型[2]是为了达到对工业4.0的标准、实例、规范等内容的共同理解而制定，它从产品生命周期/价值链、层级和架构等级三个维度，对工业4.0进行多角度描述的一个框架模型，它代表了德国对工业4.0所进行的全局式的思考，框架模型如图1所示。

第一个维度，是在IEC 62264企业系统层级架构的标准基础之上，补充了产品或工件的内容，并由个体工厂拓展至“连接世界”，从而体现工业4.0针对产品服务和企业协同的要求。第二个维度是信息物理系统（CPS）的核心功能，具体包括资产层、集成层、通信层、信息层、功能层、商业业务层等各个功能层次。第三个维度是价值链，即以产品全周期视角出发，描述了以零部件、机器和工厂为典型代表的工业要素从虚拟原型到实物的全过程，划分为模拟原型和实物制造两个阶段，突出各类工业生产部分都要有虚拟和现实两个过程，体现了全要素“数字孪生”特征，工业生产要素之间依托数字系统紧密联系，实现工业生产环节的末端链接。

图1 RAMI4.0框架图

工业4.0参考架构模型的诞生，是系统工程论中最典型的思维模式。有了这个模型，各个企业尤其是中小企业，就可以在整个体系中寻找到自己的位置。目前公布的RAMI4.0已经覆盖有关工业网络通信、信息数据、价值链、企业分层等领域。

2 CPS系统

从RAMI 4.0模型可以看出，工业4.0的核心是信息物理系统（Cyber—Physical System），简称 CPS，它是将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。CPS包含两个世界，一个是信息世界，指的是工业软件和管理软件、工业设计、互联网和移动互联网等；另一个是物理世界，是指能源环境、人、工作环境、局域通信以及设备与产品等。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络[3]，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。工业4.0进一步丰富了 3C融合概念[4]，在计算（Computation）、通信（Communication）和控制（Control）的基础上，增加了内容（Content）、社群（Community）与定制化（Customization），6C条件下的智能工厂通过网络协同制造，可以实现全产业链的智能生产，实现可视化生产，实时监控生产数据，并通过管理实现预测性制造。

在CPS实现的关键是实现生产过程的数字化，数字化主要包含两层含义，一是对CPS系统中的各个子系统进行可计算的抽象化，另一个是让子系统的抽象化模型能实时反映子系统的状态变化。CPS系统中的每一个子系统、每一个单元，甚至每一个零部件都有一个能实时反应其状态的数字化双胞胎，这个过程有两层含义，第一层含义是产品周期全过程有数字化信息进行反映，用数字化信息表征生产状态，第二层含义是通过各个零部件上采集的数据配合上各种已知设计参数，做到小至产品，大至整个工厂的仿真模拟，现实空间中的各种状态都能反应在虚拟空间上，通过虚拟空间的仿真，预测产品或者生产空间可能出现的偏差。CPS提供构建物联网的基础部分并且与“互联网”一体化，实现“工业4.0”。未来，众多的智能化生产设备通过网络紧密地联接在一起，产品则通过网络通信向生产设备反馈变量，设备根据变量自动进行调整，生产过程更加智能，生产效率更高。

3 CPS系统的构建

CPS的构建是一个复杂的系统工程，需要将机械、电子、通信、计算机等多种学科和领域进行融合，CPS的构建可以分成三个层面进行构建。

第一个层面是物理技术层面，企业需要采集涉及产品全周期过程的直接数据，对不直接产生数据的生产过程则利用传感器技术、嵌入式系统等技术手段将这些过程数据化[5]，数据采集后利用蓝牙、RFID等技术手段进行上传。采集过程实现自动化，人工侧重于数据采集稳定的把控和采集方式的创新。

第二个层面是数据格式的统一和通信标准的统一，这一层面需要行业之间确定一个标准。不同设备之间、不同企业之间的数据格式往往不同，数据无法直接进行沟通，需要对采集的数据进行格式统一和通信标准统一。统一之后，对于企业内部而言，这些数据与企业的ERP系统和MES系统对接，实现企业内部的高效管理，对于企业之间而言，通信标准统一后，企业之间的沟通和交流才能成为可能。

第三个层面是物联网与互联网的结合，这个层面需要有数据平台为企业提供技术支持，但是对于一些中小型企业而言，单独建立数据平台是不经济的，所以中小型企业可以利用工业云平台实现数据平台的功能。在CPS第三个层面，企业与外部的互联，企业的产品全周期的数据与供应商、与客户、与各行业者进行共享，供应商可根据企业的产品全周期数据提供快捷的供应，减少了供应的中间过程，企业减少原料、备件等的采购风险和仓储成本，客户通过企业的产品信息实现定制化生产，同时企业通过客户需求信息帮助企业实现产品升级和创新，行业之间的互联则能够优势互补实现共赢。第三个层面的构建完成后，企业就完成了物联网与互联网的结合，企业改变传统的生产方式，形成新的商业模式。

4 结论

从德国工业4.0的模型和CPS的构建可以看出：

1）RAMI 4.0提供了一个工业4.0的框架和模式，企业可以根据自己的条件，找准自己的位置，RAMI 4.0也为企业实现工业4.0提供了参考途径。

2）CPS是工业4.0的核心，为了实现CPS，企业需要在硬件和软件上都有所投入，从三个层面上实现产品全周期的数据采集、上传和应用。

3）三个层面中，第一个层面和第二个层面是基础，也是企业升级改造的过程，第三个层面是企业的外部互联，可借助于工业云计算实现，减少企业的数据平台的投入成本。通过三个层面的构建，企业可实现物联网和互联网的结合，实现生产模式升级。

4）CPS的构建最终是催生新的商业模式，形成一个良好的工业生态环境，企业与供应商、企业与客户、企业之间都能实现信息的互通，实现共赢。