1.工業革命與制造業

    制造業是一門歷史悠久的傳統行業，然而每次工業革命都給制造業注入了新的生命力。已通過水力和蒸汽機實現工廠機械化為特征的工業1.0革命，使得機械生產代替了手工勞動，經濟社會也從以農業、手工業為基礎的模式轉型到了以機械制造為中心的工業經濟發展模式。以電力驅動產品的大規模生產為特征的工業2.0革命，使得零部件生產與產品裝配得以成功分離，開創了產品批量生產的新模式。以電子與信息技術在制造業的廣泛應用為特征的工業3.0革命，得以實現初步的智能制造。至此，機器不僅接管了相當比例的體力勞動，還接管了一些腦力勞動。德國學術界和產業界認為，未來10年中基于信息物理系統的智能化，將使人類步入以智能制造為主導的工業4.0革命時代。德國技術科學院劃分的四次工業革命的特征如圖一所示，德國西門子工業集團總裁魯斯沃博士認為：“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。

    圖一 四次工業革命的不同特征

    與起源于機械化、電力化和信息技術化的前三次革命不同，工業4.0則是虛擬網絡與實體物理系統相整合的革命。在制造業中，它促使企業建立全球網絡，把產品設計、制造、倉儲、生產設備融入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網和制造業服務化為特征的工業4.0，指出信息物理系統在引領智能制造的工程中發揮的重要作用。由此可以看出，工業4.0的核心是通過CPS系統將制造業智能化，通過智能制造生產智能產品。

    2.信息物理系統（CPS)

    CPS系統由美國科學家Helen Gill 在2006年首次提出，可看作基于嵌入式的網絡化智能信息系統。該系統在網絡環境下通過計算單元和物理對象的集成與相互交換，提高系統的在線信息處理能力，如在線通信、遠程控制與各部件間自主協調等，因此，CPS系統有如下特征：

    （1）網絡與物理高度有機集成，局部具有物理性，全局具有虛擬性；

    （2）系統的每個物理組件中都嵌有傳感器與執行器，具有在線通信、遠程控制與各部件間自主協調等功能；

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

    （4）大規模、高效協調分配的網絡化復雜系統。CPS系統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據傳輸模式，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雜性；

    （6）系統具有自學習、自適應、自主協同功能，高度自治，滿足實時魯棒控制；

    （7）系統安全、可靠、抗毀、可驗證。CPS系統必須在保證自身的安全性、隱秘性的基礎上，抵御各類外部攻擊并實現各種功能、結構各異的子系統之間協調運行。

    基本的CPS系統由決策控制部分、檢測感知部分與驅動執行部分構成（圖2），決策控制部分根據控制要求下達控制指令；驅動執行部分根據控制指令驅動物理對象；檢測感知部分與驅動執行部分是物理世界和計算世界的接口，檢測感知部分根據感知信息，經過計算得到控制指令并反饋給決策控制部分。

圖2 基本CPS系統構成

    該系統通過網絡方式將傳統的集中式控制模式轉變為分散式增強型控制模式。傳統的行業界限也將因這種模式的轉變而消失，制造業產業鏈分工將被重組，各種新的活動領域也會因此而產生。制造業的自動化生產從此進入智能化、循環化與綠色化的過程。智能化生產的工廠業務模式示意圖如圖3所示。

圖3 工業4.0智能工廠示意圖

    3.智能制造的未來

    在工業4.0時代的推動下，智能制造業必將又一次煥發出新的生命力，主要體現在智能工廠設備將實現高度的自動化，生產系統具備靈活、能實時應對各種事件的功能，保證生產過程的徹底優化。同時，這種生產優勢不僅體現在特定的生產條件下，而且在Internet網絡環境下實現橫向的最優化。在智能制造的過程中，借助CPS系統實現實際裝置與控制網絡的有機連接，在時間與空間上拓展了技術人員的思維。一個智能產品的生產過程可從基礎技術、智能制造單元技術、智能制造系統、智慧工廠與智慧產品等方面展開。基礎技術部分包含智能傳感器、信息物理網絡技術、信息采集與處理、建模仿真；智能制造單元技術部分包含智能核心器件、實時運行監控、智能化執行單元等；智能制造系統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、智能化整體壁板成形系統、智能化復雜結構裝配系統與智能移動運輸平臺（圖4）。

圖4 智能產品生產過程

    4.結束語

    本文通過研究以物聯網和制造業服務化為特征的工業4.0，指出工業4.0借助CPS系統實現實際裝置與控制網絡的有機連接，將技術人員的工作思維在時間與空間方面都得到延伸。借助物聯網，智能工廠生產出智能產品，實現人、機、物的有機結合。總之，在工業4.0時代，CPS系統在引領智能制造的過程中發揮著重要作用，工業4.0的到來必然改變現有的工業結構，智能制造業必將又一次煥發出新的生命力。