信息物理系统核心技术的应用实施研究

谢浪雄，杨东裕

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

当前，随着全球范围内新一轮科技革命和产业变革的蓬勃兴起，信息物理系统 （CPS：Cyber-Physical System）作为新一代信息技术与制造业融合的产物，日益成为了新工业革命的关键支撑和深化 “互联网+先进制造业”的重要基石，对未来工业发展产生着全方位、深层次、革命性的影响。CPS作为支撑信息化和工业化深度融合的一套综合技术体系，其本质是把物理空间中的机器、物料、人与信息空间的信息系统和控制系统通过网络连接起来，实现工业数据流的感知、通信、计算和控制，最终提高资源的配置效率，实现资源优化[1]。

互联网创新发展和新工业革命正处于历史交汇期，我国作为制造业大国，应抓住新一轮科技革命的发展机遇，加快建设和发展CPS，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济的深度融合，发展先进制造业，支持传统产业优化升级。但是，总体来说，我国CPS的发展还处于初期阶段，产业支撑能力不足，核心技术和高端产品对外依存度高，关键平台综合能力不强，关键技术有待提升，缺乏有效的实施准则，与建设制造强国还有一定的距离。在这样的背景下，本文主要以CPS的四大核心技术要素[2-3]，即： “一硬” （智能感知与控制）“一软” （工业软件） “一网” （工业网络）和“一平台” （工业云和智能服务平台），为研究对象，针对四大核心要素的技术现状和存在的问题，探讨相关核心技术的应用实施方案，以指引企业建设自身的CPS，加快国家两化融合进程。

1 核心技术要素的现状和存在的问题

智能感知与自动控制、工业软件、工业网络、工业云和智能服务平台作为CPS的四大核心技术要素，在技术上均取得了初步的发展，尤其是在工业云和智能服务平台的基础设施建设方面，我国的华为、阿里和腾讯均接近国际领先水平。但是，要实现CPS内资源配置和运行的按需响应、快速迭代和动态优化，仍然还有不少问题需要解决。

在智能感知和自动控制方面，智能感知和自动控制的本质是利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境和人等要素信息进行实时高效采集、云端汇聚和高效分析，并实现智能控制。当前智能感知与自动控制面临的突出问题是：由于传感器的部署不足，装备智能化水平仍然较低，并且价格偏贵，工业现场存在数据采集数量不足、类型较少和精度不高等问题，无法支撑实时分析、智能优化和科学决策。在安全方面，目前工业设备还是以机械装备为主，重点关注的是物理安全和功能安全，随着生产装备和产品中集成越来越多的嵌入式操作系统和应用软件，海量设备直接暴露在网络攻击之下，信息安全面临着严峻的挑战。另外，由于工厂控制的实时性和可靠性要求高，因此，控制设备中诸如认证、授权和加密等需要附加开销的信息安全功能被舍弃。

在工业软件方面，伴随着信息化的进程，工业软件体系发展逐渐成熟，其主要包括嵌入式软件、系统软件、中间件和应用软件4类，其中应用软件又细分为研发设计、业务管理、生产调度、过程控制、工业仿真和监测等软件。总体上来说，我国工业软件产业整体实力不强，主要体现为：1）传统的生产管理软件云化步伐缓慢，专业的工业APP应用得较少，应用开发者数量有限，商业模式尚未形成；2）工业软件和工业应用的结合不够紧密，国产工业软件大多为标准化的通用产品，难以满足复杂多变的生产业务和特定场景的需求；3）我国的工业软件产品的性能参差不齐，兼容性较差，产品多集中在OA、CRM等门槛较低的软件类型，并且持续服务水平无法保证；4）工业技术软件化水平偏低，大多数的产品设计都是依赖于工程师积累的经验知识，知识的传承性差，若能及时地将工程师积累的工程经验知识以软件化、模块化的形式封装起来，供其他工程人员使用，将大量地减少工程师们的重复劳动；5）工业软件系统主要是以ERP为中心进行数据打通，工厂内部 “信息孤岛”现象严重；6）工业软件与大数据结合程度偏低，没有充分地利用大数据技术来支撑设备预测性维护管理、产线动态排产和产品良率检测等工业智能化应用场景的开发。

在工业网络方面，工业网络主要分为工厂内部网络和工厂外部网络；工厂内部网络又呈现为 “2层3级”的结构， “2层”是指工业控制网络和工厂信息网络， “3级”是指现场级、车间级和工厂级。目前，工厂内部网络 “2层3级”这种网络结构相互隔离的状况使工厂信息网络和生产现场之间的通信存在较多的障碍，主要体现在以下2个方面：1）工业控制网络与工厂信息网络的技术标准各异，难以融合互通；2）工厂网络静态配置、刚性组织的方式难以满足未来用户定制、柔性生产的需要。工厂外部网络是以支撑全生命周期为目的，用于连接企业上下游之间、企业与智能产品、企业与用户之间的网络。目前来看，工厂外部网络承载CPS应用仍存在以下问题：1）工厂外部网络还难以满足工业生产与互联网融合后对网络提出的低时延、高可靠和服务质量有保障的需求；2）VPN专网上能够承载的VPN数量有限，难以满足工业企业专线互联的要求；3）CPS对网络安全的要求进一步地提升，互联网安全能力有待提高；4）目前以IPv4为基础的公众互联网自身面临地址枯竭的局面，难以承载CPS数百亿终端接入的要求。

工业云和智能服务平台是可集成部署各类工业云服务能力和资源的平台，以实现在线设计研发、协同开发的工业云计算服务。目前，工业云和智能服务平台仍处在发展的初期，主要面临的突出问题有：1）平台缺乏标准和规范，企业可能会对云服务商业务绑定、数据迁移和数据安全等问题有所顾虑；2）平台开发工具不足，行业算法和模型库缺失，模块化组件化能力偏弱，现有的云平台尚不能完全满足工业级的应用需求；3）目前，工业设备和信息系统存在多种通信总线和协议，平台与工厂内部设备和系统在信息交互方面存在困难；4）虽然上层信息系统可以实现基于SOA的集成，但生产控制层面主要还是基于定制协议和定制逻辑，难以快速地进行服务组合与设计。

2 信息物理系统的基础

2.1 信息物理系统的体系架构

CPS的体系架构如图1所示，其主要包括智能感知与控制设备、工业软件、工业网络、工业云和智能服务平台等四大核心技术要素。

图1 CPS的体系架构

智能感知与控制设备通过各种传感器实现生产制造流程中人、设备、物料和环境等隐性信息的显性化，并在数据采集、传输、存储和建模分析的基础上做出精准的执行；工业软件主要运行在感知器、控制器、工业控制系统、工业信息系统和工业云平台上，是以软件的形式封装、承载、应用、迭代更新研发设计、生产制造、经营管理、服务等工业技术和知识；工业网络主要通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术实现现场级、车间级、企业级设备和系统之间的互联，是连接工业生产各个要素的信息网络；工业云和智能服务平台通过实时、精准、高效的数据采集，建立工业大数据存储、集成、共享、分析和管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化和复用化，不断地优化研发设计、生产制造和运营管理等资源配置效率。

2.2 信息物理系统的工作流程

从工作流程来看，部署在网络边缘侧的边缘计算节点通过工业以太网、工业总线等工业通用协议，以太网、光钎等通用协议，LTE、NB-LOT等无线协议将传感设备感知的数据采集上来，然后根据实时性和安全隐私性要求，对数据进行本地化处理，并实现实时的自动化控制。接着，边缘节点将过滤后的数据传输到CPS工业云和智能服务平台上，与云端分析形成协同。与此同时，CPS工业云和智能服务平台汇聚来自各类机器、产线和仪表等工厂内部数据，以及来自设计、生产、物流、市场、产品、用户和协助企业信息等工厂外部数据，并对数据进行存储、管理和分析，以实现围绕生产全生命周期、全价值链的全局数据优化。除此之外，CPS工业云和智能服务平台还通过构建工业知识库和算法库，为应用层的工业APP提供多种碎片化的微服务，并实现工业APP的快速开发部署和应用。

3 信息物理系统核心技术的应用实施

现阶段工业系统的数字化、网络化已经具备了一定的基础，但与CPS泛在互联、全生命周期和全价值链的全向数据优化等愿景相比，智能感知与自动控制、工业网络、工业软件、工业云与智能服务平台等核心技术要素还存在很大的改造和提升空间。

针对智能感知与控制设备，当前，无论是跨国公司，还是国内平台企业，都把数据智能感知和控制解决方案能力建设作为CPS建设的基础：一方面通过构建一套能够兼容、转换多种协议的平台使能技术产品体系，如OPC-UA协议，实现工业数据互联互通互操作；另一方面通过部署边缘计算模块，实现数据在生产现场的轻量级运算和实时分析，缓解数据向云端传输、存储和计算的压力，并实现实时控制。除此之外，还可以对机床、产线等工业装备或装置增加网络接口，以加强工业设备的在线监控能力；在工业装备或装置上部署传感器、监测设备、扫描器和执行器，以方便采集生产现场信息或执行反馈控制，增加与外部信息的交互；对在制品通过内嵌通信模块或附加标签，并采用蓝牙、二维码或者RFID等通信方式来加强产品的全生命周期管理；针对智能设备的部署位置分散，容易被劫持、假冒和攻击，以及信息泄露等安全问题，还需要对智能设备进行专门的安全加固，如采用安全软件开发工具包 （SDK）、安全操作系统和安全芯片等技术手段，实现防劫持、防仿冒、防攻击和防泄密。

针对工业软件的整体改造思路是：一方面要加快传统的CAx、ERP和MES等研发设计工具和运营管理软件的云化改造，实现工业软件的云端部署、集成和应用，满足企业分布式管理和远程协作的需要；另一方面是围绕多行业、多领域和多场景的云应用需求，通过对工业云和智能服务平台提供的微服务的调用、组合、封装和二次开发，形成面向特定行业特定场景的工业APP。除此之外，还应加大企业管理和生产管理等传统工业软件与大数据技术的结合力度，通过对设备、用户和市场等数据的分析，提升场景可视化能力，实现对用户行为和市场需求的预测和判断；将新型工业软件基于全生命周期管理软件PLM进行系统性集成，推动工厂内 “信息孤岛”聚合为 “信息大陆”，实现工厂从底层到上层的信息贯通；加强工业软件与行业需求结合，促进软件技术与工业技术的深度融合，鼓励发展与工业领域紧密结合的定制化软件与解决方案，使工业软件产品更具有行业特性。

针对工业网络，网络互联的实施主要是解决CPS各种设备、系统之间互联互通的问题，涉及现场级、车间级、企业级设备和系统之间的互联，以及企业信息系统、产品、用户与云平台之间的互联。针对现有工业网络的改造，既包含现有设备与系统的网络化改造，也包含新型网络连接的建设。

在现场级和车间级，主要实现底层设备的横向互联，以及其与上层系统纵向互通的连接：1）对控制器、机床和产线的通信方式进行改造，比如用工业以太网替代现场总线；2）对于新上线的设备和系统，应考虑对OPC-UA的支持，解决设备与系统的信息交互和集成问题；3）部署边缘计算节点，对现场、控制系统和历史数据库的数据进行边缘处理。具体采用的联网方式需要结合通信需求、布线情况和电源供应等，并充分地结合IP化、无线化等趋势，如针对在制品，可以采用短距离通信和标识技术，如蓝牙、二维码和RFID等；针对生产装备或装置，可以直接利用现有的联网方式，也可以考虑利用工业以太网、工业无线等增加联网接口；针对监测设备，如果实时性要求不高，可以采用有线宽带通信、无线宽带、LTE增强、NB-IoT和5G等技术。

在工厂企业级或工厂外部，应注重引入云平台和大数据技术，并通过云平台实现与生产设备、系统、产品和用户之间的信息交互，以便为制造企业提供不同地域、不同功能的各类系统的横向互联，以及与上层应用、跨企业/跨行业各类主体之间的互联，为价值链协作提供支持。具体的改造方案可参考如下方式：1）针对云平台与协作企业信息系统中的一些网络质量要求较高，或比较关键的业务，需要考虑建立安全、可靠的VPN专线来实现信息交互；2）利用NB-lOT、5G等无线技术实现工业云平台与海量智能产品的无线连接；3）发展基于IPv6的公众互联网，以适应CPS中百亿终端互联的需求；4）智能网关应考虑对OPC-UA、MQTT XMPP等多种通信技术的支持，同时应具备协议适配和转换的功能；5）通过外部网络传输的数据，应采用IPSec VPN或者SSL VPN等加密隧道传输机制或MPLS VPN等专网，防止数据泄漏、被侦听或篡改。

针对工业云与智能服务平台，首先，部署工业云与智能服务平台，既可以采集产线上各类机器、仪表、工厂信息系统或者管理系统的数据，也可以汇聚来自设计、生产、物流、市场和用户等工厂外部数据，通过借助云储存和大数据分析技术，可以推动工厂内部数据的集成分析，实现对工业生产的控制以及各种智能管理决策的应用，同时，在对工厂内部数据进行集成与分析的基础上，建立从工厂外部数据到工厂内部信息系统的综合分析反馈闭环，提升工厂的内外联动；其次，工业云与智能服务平台应与边缘计算节点协同部署，通过这种方式，边缘计算节点可按照实时性和隐私性需求进行本地化处理，同时将过滤后的数据传送到工业云与智能服务平台中，最终形成 “基于云计算的全局优化+基于边缘计算的局部优化”的架构；然后，在对设备和系统进行改造的过程中，应考虑对设备和系统的功能进行服务化抽象和封装，并提供服务调用接口，若设备或者系统改造困难，则可以通过部署适配器 （独立的硬件或者软件中间件）的形式来进行服务化封装，同时，在服务化抽象和封装的实施过程中，还应逐步地引入语义技术；最后，在工业云与智能服务平台上应提供服务适配、注册、发现、组合和管理等功能，以支持服务的灵活编排和调用。

4 结束语

本文从CPS的四大核心技术要素出发，详细地论述了CPS的研究背景、技术架构、工作流程和核心技术要素存在的问题和应用实施方案，明确了CPS四大核心技术要素的改造方向，为两化深度融合的发展奠定了基础。未来，针对我国工业企业数字化水平相对落后的现状，必须实事求是，号召我国工业企业踏踏实实地完成数字化改造，以夯实CPS发展的基础。同时，应时刻关注核心技术的最新发展动向，比如工业产品的智能化技术、工业设备信息安全和功能安全的融合化技术、工业设备和产品的云化改造技术、工业网络的扁平化、IP化、无线化和组网灵活化技术、工业云和智能服务平台的应用使能技术和微服务技术等等，努力探讨一条两化融合的跨越式发展道路。