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　　進入21世紀以來，信息與通信技術取得了突破性進展。為了將控制技術融入互聯(lián)網(wǎng)，2006年美國國家基金會（NSF）科學家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)技術的發(fā)展推向了一個新的高度。信息物理融合系統(tǒng)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體。CPS包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。智能的網(wǎng)絡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)為導向的出口型經(jīng)濟技術強國。為了確保制造業(yè)世界領先地位，從實際國情出發(fā)，德國于2012年首先將CPS技術創(chuàng)新地應用于制造工業(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)略計劃“工業(yè)4.0”。由于CPS信息物理融合系統(tǒng)進入制造和物流的技術集成，以及在工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務，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”時代，每個工廠企業(yè)都將建立“數(shù)字企業(yè)平臺“，通過開放接口將虛擬環(huán)境與基礎架構融為一體，從而構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的體系架構，具體體系架構如圖1所示 。從圖中可以看出，對應于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場級使用物聯(lián)網(wǎng)技術；對應于控制級采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)；同時，對應的監(jiān)控管理級連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡主干網(wǎng)，采用服務互聯(lián)網(wǎng)提供的服務。

　　基于嵌入式Internet技術、無線有組織的M2M通信網(wǎng)絡

　　機器對機器通信（Machine-to-Machine，簡稱M2M）是基于特定終端行業(yè)，以公共無線網(wǎng)絡為接入手段，為客戶提供機器到機器的通信解決方案，滿足客戶對生產(chǎn)過程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠程數(shù)據(jù)采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。M2M不是簡單的數(shù)據(jù)在機器和機器之間的傳輸，它是機器之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實時發(fā)信號，機器也會根據(jù)既定程序主動進行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對相關設備發(fā)出正確的指令。工業(yè)控制需要實現(xiàn)智能化、遠程化和實時化，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)絡支持、以及泛在移動性的M2M通信提供了更佳的承載基礎。

　　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器設備的CPPS系統(tǒng)。按照Edward A. Lee教授的定義：CPS是計算過程和物理過程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計算機和網(wǎng)絡對物理過程進行監(jiān)測和控制，并通過反饋環(huán)實現(xiàn)計算過程和物理過程的相互影響。CPPS系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡型嵌入式系統(tǒng)，它將打破在PC機時代建立的傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的體系架構，從而全面實現(xiàn)分布式智能。

　　安全可靠和可信的云網(wǎng)絡

　　智能工廠的IT設施建立在云計算網(wǎng)絡基礎上，云計算的本質(zhì)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務模式，它類似于遠程數(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)提供服務的Apps平臺建立在工廠企業(yè)的私有云上。但是一些營運和生產(chǎn)管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP，以及MES的一些功能可以通過云計算網(wǎng)絡提供服務，從而降低創(chuàng)建和優(yōu)化基礎架構的成本、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、平板電腦、智能手機、移動通信技術、新型人機互動技術，以及室內(nèi)精確定位等很多IT領域成熟的最新技術，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)效率和維護效率，降低管理成本，同時應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、幫助和培訓新一代工作人員?！?/p>

　　最新技術提高資源利用率

　　智能工廠由集中控制的生產(chǎn)架構層級轉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通信構成的分布式網(wǎng)絡化系統(tǒng)，在考慮資源哪些相關參數(shù)應由管理者、組件單元和單個產(chǎn)品規(guī)范設置時，會根據(jù)總體情況做出決定。資源浪費成為一個單元的故障，基于詳細的記錄（包括判斷準則），該資源浪費情況能夠迅速地被診斷。這就使得材料和能源的效益達到最佳化，達到節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目的。

　　當前，我國裝備制造業(yè)與世界先進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，實現(xiàn)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉型升級，就必須采用CPS信息物理融合系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)與服務網(wǎng)技術，向智能、綠色和高效的智能工廠轉型升級。新一代智能工廠系統(tǒng)要求傳統(tǒng)的工業(yè)自動化技術必須向新一代信息與通信技術開放。自動化技術應該轉換它的研究聚焦點，從在各個獨立的學科（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技術向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的重大轉型期，我們應該借鑒德國提出的新工業(yè)革命理念、目標和制定的路線圖，打破傳統(tǒng)理念，堅持進行持續(xù)地技術轉型，重視將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域成熟的最新技術引入裝備制造業(yè)領域，勇于創(chuàng)新，加快我國裝備制造業(yè)轉型升級。