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　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息與通信技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。為了將控制技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng)，2006年美國國家基金會（NSF）科學(xué)家Helen Gill提出了信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System,簡稱CPS）的概念，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推向了一個(gè)新的高度。信息物理融合系統(tǒng)是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體。CPS包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。智能的網(wǎng)絡(luò)世界與物理世界融合產(chǎn)生的CPS亦稱“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”。

　　德國是高度工業(yè)化的并以制造業(yè)為導(dǎo)向的出口型經(jīng)濟(jì)技術(shù)強(qiáng)國。為了確保制造業(yè)世界領(lǐng)先地位，從實(shí)際國情出發(fā)，德國于2012年首先將CPS技術(shù)創(chuàng)新地應(yīng)用于制造工業(yè)，提出了基于信息物理融合系統(tǒng)的第四次工業(yè)革命戰(zhàn)略計(jì)劃“工業(yè)4.0”。由于CPS信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)入制造和物流的技術(shù)集成，以及在工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)，從而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng)——智能工廠（SmartFactory ）。在“工業(yè)4.0”時(shí)代，每個(gè)工廠企業(yè)都將建立“數(shù)字企業(yè)平臺“，通過開放接口將虛擬環(huán)境與基礎(chǔ)架構(gòu)融為一體，從而構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)（CPS）, 生產(chǎn)自動化系統(tǒng)將升級為信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）。智能工廠系統(tǒng)完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動化系統(tǒng)，智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，具體體系架構(gòu)如圖1所示 。從圖中可以看出，對應(yīng)于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場級使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；對應(yīng)于控制級采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)；同時(shí)，對應(yīng)的監(jiān)控管理級連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)，采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)。

　　基于嵌入式Internet技術(shù)、無線有組織的M2M通信網(wǎng)絡(luò)

　　機(jī)器對機(jī)器通信（Machine-to-Machine，簡稱M2M）是基于特定終端行業(yè)，以公共無線網(wǎng)絡(luò)為接入手段，為客戶提供機(jī)器到機(jī)器的通信解決方案，滿足客戶對生產(chǎn)過程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測量、遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。M2M不是簡單的數(shù)據(jù)在機(jī)器和機(jī)器之間的傳輸，它是機(jī)器之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實(shí)時(shí)發(fā)信號，機(jī)器也會根據(jù)既定程序主動進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。工業(yè)控制需要實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)化，隨著無線寬帶的突破，具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低占空比、IP網(wǎng)絡(luò)支持、以及泛在移動性的M2M通信提供了更佳的承載基礎(chǔ)。

　　CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)

　　由于工業(yè)控制的可靠性要求非常高，所以生產(chǎn)流程控制采用靠近工廠機(jī)器設(shè)備的CPPS系統(tǒng)。按照Edward A. Lee教授的定義：CPS是計(jì)算過程和物理過程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進(jìn)行監(jiān)測和控制，并通過反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程和物理過程的相互影響。CPPS系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡(luò)型嵌入式系統(tǒng)，它將打破在PC機(jī)時(shí)代建立的傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)，從而全面實(shí)現(xiàn)分布式智能。

　　安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)

　　智能工廠的IT設(shè)施建立在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，云計(jì)算的本質(zhì)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式，它類似于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。控制室可以理解為私有云，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)的Apps平臺建立在工廠企業(yè)的私有云上。但是一些營運(yùn)和生產(chǎn)管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP，以及MES的一些功能可以通過云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，從而降低創(chuàng)建和優(yōu)化基礎(chǔ)架構(gòu)的成本、提升生產(chǎn)管理的智能化水平、高效的跨地域協(xié)同、以及提高快速響應(yīng)市場需求的能力等。

　　基于CPS的高級工廠輔助系統(tǒng)

　　由西門子公司、菲尼克斯電氣公司，以及SAP公司等23家公司組成的“智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟”十分重視將各種無線技術(shù)、平板電腦、智能手機(jī)、移動通信技術(shù)、新型人機(jī)互動技術(shù)，以及室內(nèi)精確定位等很多IT領(lǐng)域成熟的最新技術(shù)，創(chuàng)新地引入新一代工廠系統(tǒng)，制成高級工廠輔助系統(tǒng)。這些高級工廠輔助系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)效率和維護(hù)效率，降低管理成本，同時(shí)應(yīng)對社會老齡化等帶來的問題。利用這些高級工廠輔助系統(tǒng)還可以支持、幫助和培訓(xùn)新一代工作人員。　

　　最新技術(shù)提高資源利用率

　　智能工廠由集中控制的生產(chǎn)架構(gòu)層級轉(zhuǎn)向分散型自組織的生產(chǎn)方式。分散型生產(chǎn)流程提供一種更為有效的使用資源的方法。由M2M通信構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，在考慮資源哪些相關(guān)參數(shù)應(yīng)由管理者、組件單元和單個(gè)產(chǎn)品規(guī)范設(shè)置時(shí)，會根據(jù)總體情況做出決定。資源浪費(fèi)成為一個(gè)單元的故障，基于詳細(xì)的記錄（包括判斷準(zhǔn)則），該資源浪費(fèi)情況能夠迅速地被診斷。這就使得材料和能源的效益達(dá)到最佳化，達(dá)到節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目的。

　　當(dāng)前，我國裝備制造業(yè)與世界先進(jìn)水平相比存在較大差距，產(chǎn)業(yè)的效率和效益較低，單位產(chǎn)值的能耗居高不下，人均水平差距巨大，創(chuàng)新能力薄弱。長期以來，高投入、高消耗、高污染的生產(chǎn)模式已無法延續(xù)。為了提升競爭力，保持可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型升級，就必須采用CPS信息物理融合系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)技術(shù)，向智能、綠色和高效的智能工廠轉(zhuǎn)型升級。新一代智能工廠系統(tǒng)要求傳統(tǒng)的工業(yè)自動化技術(shù)必須向新一代信息與通信技術(shù)開放。自動化技術(shù)應(yīng)該轉(zhuǎn)換它的研究聚焦點(diǎn)，從在各個(gè)獨(dú)立的學(xué)科（如分散系統(tǒng)或通信）開展?jié)u近的局部改善性研究，走向整體系統(tǒng)功能的再工程化研究。我們正處在由PC技術(shù)向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大轉(zhuǎn)型期，我們應(yīng)該借鑒德國提出的新工業(yè)革命理念、目標(biāo)和制定的路線圖，打破傳統(tǒng)理念，堅(jiān)持進(jìn)行持續(xù)地技術(shù)轉(zhuǎn)型，重視將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成熟的最新技術(shù)引入裝備制造業(yè)領(lǐng)域，勇于創(chuàng)新，加快我國裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。