基于CPS的工业4.0智能制造研究

    1.工业革命与制造业

    制造业是一门历史悠久的传统行业，然而每次工业革命都给制造业注入了新的生命力。已通过水力和蒸汽机实现工厂机械化为特征的工业1.0革命，使得机械生产代替了手工劳动，经济社会也从以农业、手工业为基础的模式转型到了以机械制造为中心的工业经济发展模式。以电力驱动产品的大规模生产为特征的工业2.0革命，使得零部件生产与产品装配得以成功分离，开创了产品批量生产的新模式。以电子与信息技术在制造业的广泛应用为特征的工业3.0革命，得以实现初步的智能制造。至此，机器不仅接管了相当比例的体力劳动，还接管了一些脑力劳动。德国学术界和产业界认为，未来10年中基于信息物理系统的智能化，将使人类步入以智能制造为主导的工业4.0革命时代。德国技术科学院划分的四次工业革命的特征如图一所示，德国西门子工业集团总裁鲁斯沃博士认为：“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。

    图一 四次工业革命的不同特征

    与起源于机械化、电力化和信息技术化的前三次革命不同，工业4.0则是虚拟网络与实体物理系统相整合的革命。在制造业中，它促使企业建立全球网络，把产品设计、制造、仓储、生产设备融入CPS中，通过这些制造要素信息间相互独立地自动交换，接收动作指令、进行无人控制。本文通过研究以物联网和制造业服务化为特征的工业4.0，指出信息物理系统在引领智能制造的工程中发挥的重要作用。由此可以看出，工业4.0的核心是通过CPS系统将制造业智能化，通过智能制造生产智能产品。

    2.信息物理系统（CPS)

    CPS系统由美国科学家Helen Gill 在2006年首次提出，可看作基于嵌入式的网络化智能信息系统。该系统在网络环境下通过计算单元和物理对象的集成与相互交换，提高系统的在线信息处理能力，如在线通信、远程控制与各部件间自主协调等，因此，CPS系统有如下特征：

    （1）网络与物理高度有机集成，局部具有物理性，全局具有虚拟性；

    （2）系统的每个物理组件中都嵌有传感器与执行器，具有在线通信、远程控制与各部件间自主协调等功能；

    （3）闭环控制与事件驱动过程。组件嵌入的传感器通过对对象姿态的感知与反馈，将控制决策作用于执行对象，从而形成基于事件驱动控制的闭环过程；

    （4）大规模、高效协调分配的网络化复杂系统。CPS系统通过末端传感器对对象的信息采集，而后不断提升、抽象，最终形成自下而上的信息数据传输模式，该模式融合各类信息并提供精确而又全面的信息。

    （5）在时间和空间等维度上具有多重复杂性；

    （6）系统具有自学习、自适应、自主协同功能，高度自治，满足实时鲁棒控制；

    （7）系统安全、可靠、抗毁、可验证。CPS系统必须在保证自身的安全性、隐秘性的基础上，抵御各类外部攻击并实现各种功能、结构各异的子系统之间协调运行。

    基本的CPS系统由决策控制部分、检测感知部分与驱动执行部分构成（图2），决策控制部分根据控制要求下达控制指令；驱动执行部分根据控制指令驱动物理对象；检测感知部分与驱动执行部分是物理世界和计算世界的接口，检测感知部分根据感知信息，经过计算得到控制指令并反馈给决策控制部分。

图2 基本CPS系统构成

    该系统通过网络方式将传统的集中式控制模式转变为分散式增强型控制模式。传统的行业界限也将因这种模式的转变而消失，制造业产业链分工将被重组，各种新的活动领域也会因此而产生。制造业的自动化生产从此进入智能化、循环化与绿色化的过程。智能化生产的工厂业务模式示意图如图3所示。

图3 工业4.0智能工厂示意图

    3.智能制造的未来

    在工业4.0时代的推动下，智能制造业必将又一次焕发出新的生命力，主要体现在智能工厂设备将实现高度的自动化，生产系统具备灵活、能实时应对各种事件的功能，保证生产过程的彻底优化。同时，这种生产优势不仅体现在特定的生产条件下，而且在Internet网络环境下实现横向的最优化。在智能制造的过程中，借助CPS系统实现实际装置与控制网络的有机连接，在时间与空间上拓展了技术人员的思维。一个智能产品的生产过程可从基础技术、智能制造单元技术、智能制造系统、智慧工厂与智慧产品等方面展开。基础技术部分包含智能传感器、信息物理网络技术、信息采集与处理、建模仿真；智能制造单元技术部分包含智能核心器件、实时运行监控、智能化执行单元等；智能制造系统部分包含测控一体化智能加工机床、机器人焊接、喷涂智能化系统、智能化整体壁板成形系统、智能化复杂结构装配系统与智能移动运输平台（图4）。

图4 智能产品生产过程

    4.结束语

    本文通过研究以物联网和制造业服务化为特征的工业4.0，指出工业4.0借助CPS系统实现实际装置与控制网络的有机连接，将技术人员的工作思维在时间与空间方面都得到延伸。借助物联网，智能工厂生产出智能产品，实现人、机、物的有机结合。总之，在工业4.0时代，CPS系统在引领智能制造的过程中发挥着重要作用，工业4.0的到来必然改变现有的工业结构，智能制造业必将又一次焕发出新的生命力。