1.工業(yè)革命與制造業(yè)

    制造業(yè)是一門歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，然而每次工業(yè)革命都給制造業(yè)注入了新的生命力。已通過水力和蒸汽機實現(xiàn)工廠機械化為特征的工業(yè)1.0革命，使得機械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟社會也從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)的模式轉(zhuǎn)型到了以機械制造為中心的工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展模式。以電力驅(qū)動產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)為特征的工業(yè)2.0革命，使得零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配得以成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。以電子與信息技術(shù)在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用為特征的工業(yè)3.0革命，得以實現(xiàn)初步的智能制造。至此，機器不僅接管了相當(dāng)比例的體力勞動，還接管了一些腦力勞動。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來10年中基于信息物理系統(tǒng)的智能化，將使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的工業(yè)4.0革命時代。德國技術(shù)科學(xué)院劃分的四次工業(yè)革命的特征如圖一所示，德國西門子工業(yè)集團總裁魯斯沃博士認(rèn)為：“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。

    圖一 四次工業(yè)革命的不同特征

    與起源于機械化、電力化和信息技術(shù)化的前三次革命不同，工業(yè)4.0則是虛擬網(wǎng)絡(luò)與實體物理系統(tǒng)相整合的革命。在制造業(yè)中，它促使企業(yè)建立全球網(wǎng)絡(luò)，把產(chǎn)品設(shè)計、制造、倉儲、生產(chǎn)設(shè)備融入CPS中，通過這些制造要素信息間相互獨立地自動交換，接收動作指令、進行無人控制。本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化為特征的工業(yè)4.0，指出信息物理系統(tǒng)在引領(lǐng)智能制造的工程中發(fā)揮的重要作用。由此可以看出，工業(yè)4.0的核心是通過CPS系統(tǒng)將制造業(yè)智能化，通過智能制造生產(chǎn)智能產(chǎn)品。

    2.信息物理系統(tǒng)（CPS)

    CPS系統(tǒng)由美國科學(xué)家Helen Gill 在2006年首次提出，可看作基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)化智能信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過計算單元和物理對象的集成與相互交換，提高系統(tǒng)的在線信息處理能力，如在線通信、遠(yuǎn)程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等，因此，CPS系統(tǒng)有如下特征：

    （1）網(wǎng)絡(luò)與物理高度有機集成，局部具有物理性，全局具有虛擬性；

    （2）系統(tǒng)的每個物理組件中都嵌有傳感器與執(zhí)行器，具有在線通信、遠(yuǎn)程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等功能；

    （3）閉環(huán)控制與事件驅(qū)動過程。組件嵌入的傳感器通過對對象姿態(tài)的感知與反饋，將控制決策作用于執(zhí)行對象，從而形成基于事件驅(qū)動控制的閉環(huán)過程；

    （4）大規(guī)模、高效協(xié)調(diào)分配的網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜系統(tǒng)。CPS系統(tǒng)通過末端傳感器對對象的信息采集，而后不斷提升、抽象，最終形成自下而上的信息數(shù)據(jù)傳輸模式，該模式融合各類信息并提供精確而又全面的信息。

    （5）在時間和空間等維度上具有多重復(fù)雜性；

    （6）系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自主協(xié)同功能，高度自治，滿足實時魯棒控制；

    （7）系統(tǒng)安全、可靠、抗毀、可驗證。CPS系統(tǒng)必須在保證自身的安全性、隱秘性的基礎(chǔ)上，抵御各類外部攻擊并實現(xiàn)各種功能、結(jié)構(gòu)各異的子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運行。

    基本的CPS系統(tǒng)由決策控制部分、檢測感知部分與驅(qū)動執(zhí)行部分構(gòu)成（圖2），決策控制部分根據(jù)控制要求下達控制指令；驅(qū)動執(zhí)行部分根據(jù)控制指令驅(qū)動物理對象；檢測感知部分與驅(qū)動執(zhí)行部分是物理世界和計算世界的接口，檢測感知部分根據(jù)感知信息，經(jīng)過計算得到控制指令并反饋給決策控制部分。

圖2 基本CPS系統(tǒng)構(gòu)成

    該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)方式將傳統(tǒng)的集中式控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹皆鰪娦涂刂颇Ｊ?。傳統(tǒng)的行業(yè)界限也將因這種模式的轉(zhuǎn)變而消失，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，各種新的活動領(lǐng)域也會因此而產(chǎn)生。制造業(yè)的自動化生產(chǎn)從此進入智能化、循環(huán)化與綠色化的過程。智能化生產(chǎn)的工廠業(yè)務(wù)模式示意圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)4.0智能工廠示意圖

    3.智能制造的未來

    在工業(yè)4.0時代的推動下，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，主要體現(xiàn)在智能工廠設(shè)備將實現(xiàn)高度的自動化，生產(chǎn)系統(tǒng)具備靈活、能實時應(yīng)對各種事件的功能，保證生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化。同時，這種生產(chǎn)優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在特定的生產(chǎn)條件下，而且在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)橫向的最優(yōu)化。在智能制造的過程中，借助CPS系統(tǒng)實現(xiàn)實際裝置與控制網(wǎng)絡(luò)的有機連接，在時間與空間上拓展了技術(shù)人員的思維。一個智能產(chǎn)品的生產(chǎn)過程可從基礎(chǔ)技術(shù)、智能制造單元技術(shù)、智能制造系統(tǒng)、智慧工廠與智慧產(chǎn)品等方面展開?；A(chǔ)技術(shù)部分包含智能傳感器、信息物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息采集與處理、建模仿真；智能制造單元技術(shù)部分包含智能核心器件、實時運行監(jiān)控、智能化執(zhí)行單元等；智能制造系統(tǒng)部分包含測控一體化智能加工機床、機器人焊接、噴涂智能化系統(tǒng)、智能化整體壁板成形系統(tǒng)、智能化復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)與智能移動運輸平臺（圖4）。

圖4 智能產(chǎn)品生產(chǎn)過程

    4.結(jié)束語

    本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務(wù)化為特征的工業(yè)4.0，指出工業(yè)4.0借助CPS系統(tǒng)實現(xiàn)實際裝置與控制網(wǎng)絡(luò)的有機連接，將技術(shù)人員的工作思維在時間與空間方面都得到延伸。借助物聯(lián)網(wǎng)，智能工廠生產(chǎn)出智能產(chǎn)品，實現(xiàn)人、機、物的有機結(jié)合。總之，在工業(yè)4.0時代，CPS系統(tǒng)在引領(lǐng)智能制造的過程中發(fā)揮著重要作用，工業(yè)4.0的到來必然改變現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力。