信息物理系统和工业4.0

德国工业4.0 平台科学顾问委员会主席、德国技术科学院院士艾纳·安德尔（本文根据演讲录音整理）信息物理系统催生工业 4.0 互联网技术发展分成几个阶段，每个阶段大概五年时间。首先是1995 ～ 2000 年。1993 年万维网诞生之后，我们通过万维网能够将文本信息进行相互连接。2000 年后，我们开始将图片、音频和影像信息直接记录入文件中，并引入互联网世界。2005 年，我们进入社交媒体时代，人与人通过互联网密切联系。2010 年，社交媒体之间开始相互连接，企业开始利用互联网开展业务工作。2015 年，我们开始进入信息物理系统（cps，对“信息物理系统”的译法存在一定争议）时代，人与人相联，企业相联，最终物理系统之间也要相联。工业4.0 是这个时期非常重要的议题，它受到物联网、服务联网、数据联网的极大的影响，是第四次工业革命的重要议题。第一次工业革命是在18 世纪末，当时引入了制造工厂，它的基础是水和蒸汽动力的使用。第二次工业革命是由大规模生产带动的，电力促成了第二次工业革命。第三次工业革命发生在20 世纪70 年代初，信息技术开始促进生产的自动化。第四次工业革命的基础将是信息物理系统。为什么称之为革命？这是因为通过引入新的技术，不管是蒸气动力、电力，还是信息技术等，都彻底地改变了我们的工作和生活，我们需要新的标准、新的资质，新的教育结构和新的企业。所以工业4.0 将是第四次工业革命，它的目标是创建新的价值链，将覆盖整个产品生命周期，技术方法则是信息物理系统。信息物理系统既在虚拟世界存在，也在现实世界存在，它包含现有的现代控制技术和嵌入式系统，是工业4.0 的主要推动力。现在的嵌入式系统必须有互联网地址，所有物理世界中的设备都能进行逻辑连接，能够相互交流通信，即系统之间能够进行通信。德国工业 4.0 的五大支柱和十七点纲要工业 4.0 的路线图是我们的发展战略，在未来的10 ～ 20 年的时间里，它将基于五大支柱。第一大支柱是“水平融合”，通过价值创造网络来实现水平融合，实现机器与机器的沟通，乃至企业之间的通讯。第二大支柱是指整个生命周期的无缝集成。企业的产品信息，在全产品生命周期流动，企业甚至能从客户处获取产品使用的信息，从而持续改进产品。第三个支柱是“垂直融合”和互联生产系统，这种方式使得企业能够使用设计信息推动制造流程，这个过程应该是无缝的信息流动。第四个支柱是新的社会基础设施，行业需要新的资格认证和新的组织方式。第五个支柱是指混合技术的持续发展。例如，工厂的有线和无线通讯，还要考虑帐户安全、隐私保护和知识保护等。参考架构也非常重要，未来的目标是建立一个分散化、以服务为导向的结构。工业4.0 平台的17 个纲要是2014 年年初由（我们）科学顾问委员会推出的，我们把17 个纲要划分为三类。第一类是以人类为中心的问题，第二类是技术问题，第三类是组织性的问题。第一类是以人类为中心的问题，包括四点纲要。第一点纲要，以人类为导向的“工作组织”方案设计，工业4.0 的发展存在越来越多的可能性，组织者面对的可能性也越来越多，针对不同年龄层工作者的机遇不断出现，希望在老龄化社会，使工业4.0 发展能更有优势。第二点纲要，工业4.0 应该被理解为社会技术系统，可以为人们提供机遇，可以扩展业务范围、资格和员工的行动范围，同时可以大大丰富知识的获取渠道。第三点纲要，就是工作设备，特别是那些有助于学习和沟通的设备，它能提升教育、学习的效率。第四点纲要，是指学习工具，它能自动为用户提供他们所需要的功能。第二类是技术问题，包含9 大纲要。第五点纲要是以技术为导向。第六点纲要，工业4.0 系统对于用户而言，要易于理解、容易操作和方便学习。工业4.0 系统提供了获取解决方案的渠道，它使我们可以综合不同的因素来构建、实施和运营工业4.0 系统。我们的新产品需要发展，才能符合新的行业规定和发展趋势。第七点纲要，企业流程和产品网络化、个性化后的复杂性。这种复杂性可以通过一些手段来管理，如三维建模、仿真分析和自我组织等，现在出现了更多的相关解决方案。现实和虚拟世界是相互交叉的，例如对现实的数字化，以及让虚拟空间服务于物理世界。第八点纲要，对资源的有效性和资源效率进行规划、实施、检测和持续自我优化。第九点纲要，是指智能产品，它

们是信息的载体，是人们可获取和可发现的，将贯穿于整个生命周期。第十点纲要，是指系统组件和组成部分，存在于生产方式中，同时它们也支持生产系统和生产流程的虚拟规划。第十一点纲要，是指发展新的系统组成部分和新的功能。第十二点纲要，是指系统的组成部分，为我们提供一些服务功能，这些功能可以由其他机构、其他人来获取。第十三点纲要，是指新的安全要求，要创造一种可信、有弹性且被社会所接受的工业 4.0 安全系统环境。第三类是组织性相关的问题，包含 4 大纲领。第十四点纲要，是指拥有一体化增值产品和服务的新增值网络，它们能实现不同的分工。第十五点纲要，是合作与竞争，简称为竞合，竞合会从经济和法律上创造新的架构，不同工种的代表都将整合进工业4.0 的架构中。第十六点纲要，是系统结构和业务流程，这是在适用的法律结构体系内实现的，新的法律解决方案也会让新的商业模型实现。第十七点纲要，创造区域的价值和机会，在发展中市场也同样有机遇，我们希望建立一些定制化的系统来满足不同市场的需求。信息物理系统及其安全措施为什么需要信息物理系统？原因在于，我们希望建立智能体系，在加工技术和制造流程中，以功能整合的方式创造更高的价值。从纯机械的社会到机械电子的社会，然后进入电子电控的社会，最后进入信息物理系统的世界。信息物理系统基于嵌入式系统，嵌入式系统加入了传感器，我们可以安装嵌入式软件，让传感器的操作更为智能，成为智能传感器设备。将嵌入式软件整合入执行器，出现了智能执行器。将智能传感器和智能执行器进行组合，这种全智能的系统已经得到了验证，可以适用于不同的电子系统。现在，新的方法已经出现，将嵌入式系统和互联网技术相结合，建立信息物理系统。信息物理系统具有互联网地址之后，嵌入式系统将具备额外的功能。通过这样的做法定义一个单元，可以把这个单元用于生产体系，在生产设备环境中把这个系统称之为信息物理生产系统，或是用于生产设备的物理系统。关于安全保障措施，共有三个层面，分别为系统层面、应用层面和技术层面。应用层面的目标是保障工业4.0 的流程安全，系统层面的目标是保证信息物理系统的安全，技术层面则确保安全的数据和安全的服务。物理系统的安全通过可信赖的机器控制来实现，其中融入了可检测、可核实的完整措施。数据安全可以使用现代的加密技术、数据签名和不可篡改技术来保证，安全服务采用使用权限、可信任环境和身份验证这三个措施来保证。工业 4.0 系统发展的四个应用场景工业4.0 的定义基于两个完整的方案，一是物理系统，如控制系统、单个零件的控制系统等，另一个是管理层，例如，有独立网址、可执行的嵌入式系统软件，这些是附加在物理系统之上的。每个工业4.0 系统的组成部分，都能通过网络服务获取实体部件的相关信息。在实际应用中，需要经过一些步骤，第一步是理论模型，第二步则是测试。测试之后，我们可以对应用场景进行实施、贯彻和落实。下面我列举四个应用场景。应用场景一信息载体的组成部分出现故障。首先找到和分析这个出现错误数据的部件，哪个部分出错？哪些不符合规范？当然这有点为时过晚，因为这个部件已经出现了错误。所以，只有对机床和工具进行持续的跟踪分析，才能获取足够的信息，才能了解机床、工具是否可以继续使用，是否出现了老化。如果这个工具已经达到生命周期的终点，那么需要对它进行自动更换。应用场景二为了进一步提高整个环节的生产效率，需要对现有生产线进行升级。生产线已经存在，且使用现存生产技术，维持现有生产流程。我们把现有部分替换到工业4.0 系统中，方法是分析绩效指标，对组织系统的经济情况进行评估。当然，最重要的是要把工人放到核心位置。应用场景三针对制造系统，需要从科学发展和工程实践的角度来看问题，对工业4.0 系统进行研究，设计出符合自身条件的工业4.0 生产系统。这个系统主要是系统控制单元，这个控制单元作为工业4.0 的组成部分被实施和融合。基于控制单元，我们可以进行远程系统控制，也可以监测整个生产流程。如果发现正确率比较高的加工流程，我们可以从外部加以精确控制，也可以通过互联网接入系统，直接从系统中采集数据。应用场景四灵活智能的工人辅助。工业4.0 系统可以让工人贯穿整个流水线，直接获知工人在流水线上组装了哪个部件？处理了哪个部件？用了什么工具？我们把这个组成部分作为一个信息载体，

希望能够单独地获取每个部件的数据，并对每个部件进行数字化。