工业4.0：智能工业
编译:工业和信息化部国际经济技术合作中心 王喜文
德国期望成为基于互联网的高端工业生产技术的主导市场，并将其作为《高科技战略2020》的一部分。实现这一目标的代表性项目，也就是被称为“工业 4.0”的“智能工业”项目，它将引领工业领域，开创分散型生产的新时代。
智能工业或者“工业 4.0”，是从嵌入式系统向信息物理融合系统（CPS）发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业 4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网 （物联网、数据网和服务互联网）的方向发展。
同时，分散型智能利用，代表了生产制造过程的虚拟世界与现实世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥重要作用。
工业 4.0体现了生产模式从“集中型”到“分散型”的范式转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成为可能。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，取而代之的是，产品通过通信向机械传达如何采取正确操作。
工业 4.0通过将嵌入式系统生产技术与智能生产过程相结合，将给工业领域、生产价值链、业务模式带来根本性变革（例：智能工厂），从而开创一条通往新技术时代的道路。
工业 4.0进化过程
工业革命1.0
18世纪末期始于英国的第一次工业革命，19世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。
工业革命 2.0
第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，批量工业生产开始的阶段。通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，随着电子工程和信息技术充实到工业过程之中，实现了生产的最优化和自动化。
工业革命3.0
第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。自此，机械能够逐步替代人类作业。
工业革命4.0
未来10年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。工业 4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，实现实时管理。
CPS
CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信以及相互作用，创造一个真正的网络世界。
CPS 体现了当前嵌入式系统的进一步进化。与互联网或者网上可搜集的数据、服务一起，嵌入式系统也是构成CPS的要素之一。
CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与“服务互联网”一体化，实现工业 4.0。这些技术被称为“实现技术”，培育更加广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。
基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间，发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身通话功能。
由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新价值链，所以，CPS也将对现有业务与市场模式带来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业 4.0的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。
未来，CPS将以以往人类无法想象的形式，对人类安全、效率、生活舒适度、提升健康水平等做出贡献。同时，CPS也将对解决人口结构变化、自然资源不足、可持续发展以及能源结构变化等带来的问题，发挥关键性的作用。
德国—2020年主要CPS市场
德国将推进“工业 4.0”项目作为国家战略的一个重要环节，就是在2020年让德国成为CPS的主要市场。与其他大多工业发达国家完全不同的是，在推进工业进程的同时，德国一直维持稳定的制造业劳动力。
要联通现实世界与虚拟空间，从生产设备、工业产品到内置存储装置、通信功能、广播传感器、智能软件系统的日常用品等，所有物品都要实现数字化。
现实世界与虚拟空间的界限越来越模糊，物联网正在快速发展。德国发达的嵌入式系统、CPS的有关经验，将为德国工业引领第四次工业革命 （工业 4.0）提供极好的机遇。
CPS进程
德国是嵌入式系统、移动通信网络等CPS相关领域的全球市场领袖。德国教育与研究部（BMBF）委托德国科学技术工程院牵头的CPS进程项目的目的，是确立综合的CPS研究议程，提升工业技术的国家竞争力，巩固德国作为主要市场及提供商的全球地位，在此基础上实现德国技术革命。
CPS进程列举了当前至2025年间四个主要应用领域：
- 能源：智能电网中的CPS
- 机动性：网络化的机动性中的CPS
- 健康：远程治疗以及远程诊断中的CPS
- 工业（智能工厂）：工业以及自动化生产中的CPS
CPS 2025—未来
CPS应对社会面临的主要问题的同时，对涵盖自动化、生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部门、应用领域，带有非常重要的意义。因CPS而实现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。CPS不仅可以降低实际成本，提高能源、时间等的效率，还能降低CO2排放水平，在保护环境上发挥重大作用。
仅从制造业来看，CPS就可带来惊人的效率提升。CPS实时地统筹处理制造、
工业链以及各个顾客的要求，实现智能工厂。
智能工厂：自动化制造业的未来
CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，技术过程与业务过程也因此得到融合，从而开创新工业时代。最能准确表达新工业时代的就是工业 4.0 项目倡导的“智能工厂”概念，“智能工厂”是通过在生产系统中配备CPS来实现的。相对于传统
生产系统，智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在，将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中也颇具优势。
智能工厂，按照重视可持续性的服务中心的业务来设计。因此，服从性、灵活性、自适应以及学习等特征、容错能力，甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。
智能工厂的装备将实现高级自动化，主要是由基于自动观察生产过程的CPS的生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产工程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下一次性体现，也可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。
这就意味着，创新技术、成本与时间的节约，拥有培育新市场机会的网络容量的“自下而上”型生产模式中的革命。
智能工厂的生产相对于传统制造工业有如下优势：
- 由CPS形成最优化的生产过程：智能工厂的“单元”决定其活动范围、设定选项以及生产条件，可与其他单元进行独立的无线通信；
- 理想的生产系统，智能编辑产品特性、成本、物流管理、安全、信赖性、时间以及可持续性等要素，为各个顾客进行最优化的产品制造；
- 为了让机械服从人类的作业周期，可对人工进行定制调整。
信息-物理融合系统CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。
CPS系统把计算与通信深深地嵌入实物过程、使之与实物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。这种CPS系统小如心脏起搏器，大如国家电网。由于计算机增强的（computer-augmented）的装置无处不在，CPS系统具有巨大的经济影响力。
CPS的研究与应用将会改变了人类与自然物理世界的交互方式，在健康医疗设备与辅助生活、智能交通控制与安全、先进汽车系统、能源储备、环境监控、航空电子、防御系统、基础设施建设、加工制造与工业过程控制、智能建筑等领域均有着广泛的应用前景。
如家居、交通控制、安全、高级汽车、过程控制。环境控制、关键基础设施控制（电力、灌溉网络、通信系统）、分布式机器人、防御系统、制造业、智能构造、交通系统能够从智能汽车提高安全性和传送效率中有效地获益。家居技术将提高老人护理并有效控制与日俱增的护理花费。减少国家能源依赖。这很难估计CPS为未来生活带来的积极地潜在的价值。但我们都知道CPS的价值是巨大的。
微观与宏观的CPS材料、受控组件、运行中的医疗装置与系统、下一代电网、未来防务系统、下一代汽车、智能高速公路、灵活的机器人主导的制造、下一代航空器、空域与天域管理系统等。美国国防部预先研究局（DARPA）认为：赛博-实物系统（cyber-physical system，CPS）是指这样的系统：其功能中的很大一部分是从软件与机电系统中导出的。事实上，所有的防务系统（如飞机、航天器、海军舰船、地面载具，等等）和系统的系统，都属于CPS。另外，集成电路、MEMS、NEMS……也属于CPS
CPS是物理过程和计算过程的集成系统，是人类通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的主体既包括人类自身也包括在人的意图知道下的系统。而作用的客体包括真实世界的各方面：自然环境、建筑、机器、同时也包括人类自身等。
CPS是可能是一个分布式异构系统，他不仅包含了许多功能不同的字系统，而且这些子系统之间结构和功能各异，而且分布在不同的地理范围内。各个子系统之间要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。物理构建和软件构建必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。比如一个超市安防系统，在加入传感器、摄像头、监视器等物理节点或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机就可以动态升级。CPS应该是一个智能的有自主行为的系统，CPS不仅能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信息，并且根据系统规则通过效应器作用于环境。
