工业4.0吹响技术“集结号”

如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命，这次革命被称为“工业4.0”。

建立在CPS之上

“工业4.0”的框架内并没有涉及到新技术的引进，而是强调通过信息物理系统（CPS）与生产系统的融合来改变当前的工业生产与服务模式。以物联网、服务网以及数据网为核心内容的CPS将成为“工业4.0”的基础。长期以来占据产业主导地位的制造业技术，由于其系统的封闭性会面临被淘汰的可能，而信息、通信、软件技术在制造业中将发挥越来越重要的作用，成为“工业4.0”时代的新宠儿。

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（计算、通信和控制）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。它是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，是计算进程和物理进程的统一体。CPS通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。具体，CPS包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。

目前，CPS系统还是一个比较新的研究领域。根据百度百科，CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。控制对于我们并不陌生。从上世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，在人们日常居家生活中，各种家电都具有控制功能。但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。

核心中的核心

美国国家科学基金会认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

上面的这种表述听上去似曾相识，这不是物联网的愿景吗？但是，物联网绝对不是CPS，在“工业4.0”的框架内它只能作为CPS一个子集。在很多应用中，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求远非RFID能比。以基于CPS的智能交通系统为例，即便是现有的人们认为已经十分复杂的汽车电子系统也无法胜任，现在的汽车电子系统根本无法实现未来智能交通系统对汽车之间的协同能力的要求。事实上，满足CPS要求的汽车电子系统的计算通常都是海量运算，就算现有的汽车电子系统中的嵌入式计算机的性能也相差甚远。海量运算往往是很多CPS接入设备的特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。如果从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物联网则可视为超级瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。

但是必须指出，物联网技术是CPS以及“工业4.0”的绝对核心。制造业要实现从产品的设计制造、销售服务到回收再利用的全生命周期的管理，物联网技术恰好具备这一优势。物联网与先进制造技术的结合，如：泛在制造信息处理技术、虚拟现实技术、人机交互技术、空间协同技术、平行管理技术、电子商务技术、系统集成制造技术等，应用于制造过程及供应链各环节，实现工业过程中的人-物对话、物-物对话，最大限度地整合各种资源，促进生产过程的自动化与精益化，供应链供应与物流更加准时化、产品性能得以全面提高、生产损耗极大地降低，制造物联向全生命周期有效管理扩展。因此，智慧的、标准化的工厂离不开物联网技术。

复杂网络的机会

除了物联网，云计算、大数据、移动互联等技术都包含在CPS的大技术框架内。另外，CPS还涉及到一个重要的技术概念——复杂网络。这不是个新概念，但有点阳春白雪，过于学术，所以大家不是很熟悉。

复杂网络简而言之即呈现高度复杂性的网络。其复杂性主要表现在以下几个方面：结构复杂，表现在节点数目巨大，网络结构呈现多种不同特征；网络进化，表现在节点或连接的产生与消失；连接多样性，节点之间的连接权重存在差异，且有可能存在方向性；动力学复杂性，节点集可能属于非线性动力学系统，例如节点状态随时间发生复杂变化；节点多样性，复杂网络中的节点可以代表任何事物；多重复杂性融合，即以上多重复杂性相互影响，导致更为难以预料的结果。

在经历了10余年的发展之后，复杂网络正在进入市场应用阶段，CPS和“工业4.0”的出现给复杂网络领域的研究者带来了无限机遇。CPS最大的特点就在于它是由很多具有通信，计算和决策控制功能的设备组成的智能网络，这些设备可以通过相互作用使得整个系统处于最佳状态。例如在机器人足球比赛中，当某个机器人准备传球时，它会收集每个同伴的信息，然后通过计算得出一个最佳的传球方案，并且将该方案传给所有队员，让队员们配合这个传球过程，通过这种方式可以提高整个球队的水平。该思想同样可以应用于很多其他的系统，如交通系统中车辆之间通过通信和计算得出最佳行车路线，并避免各种交通事故；电力系统中各个站点通过信息传递从而动态调整负荷，避免大规模级联故障等。这些系统的运行其实就是复杂网络的动力学过程，只不过这些过程集合了复杂网络中的信息传播、同步、博弈等多种动力学过程，因此研究的内容更加复杂，具体的研究内容有很多，例如系统规则（或协议）的制定，如何制定规则才能使系统在最短的时间内达到最佳状态，此外还可以研究各种外界因素是如何影响系统运行的等等。

所以，无论是CPS还是工业4.0可以说是吹响了信息、通信和控制技术的“集结号”，而“工业4.0”的价值体现也是最终建立在各种实现技术的协同分工、共融共存的基础上。