2.2 工业4.0的核心

实际上，“工业4.0”的本质就是利用信息物理系统（CPS）来实现“智能工厂”，推动制造业模式革新这一过程。

信息物理系统是一个涵盖范围较广的多维复杂体系，其中包括计算、互联网以及物理环境。3C技术是信息物理系统的核心，两者的融合协作，能够帮助大型工程系统实现实时感知、动态控制与信息服务。如图2-28所示为CPS的3C融合。

信息物理系统中含有很多高端技术和工程项目，这些技术和工程能够从根本上帮助其实现计算、通信、协作、控制等功能。信息物理系统注重于计算与物理资源的紧密结合、协调，这些高端技术和项目在许多智能设备上都有所体现，例如智能导航设备、机器人等，如图2-29所示。

信息物理系统想要深度融合计算、通信，实现控制功能，务必保证是在基于环境感知的基础上进行的。另外，它还可以实时获取计算和物理进程，通过信息反馈来实现深度融合，扩展功能，以快速、安全可靠、高效率的方式检控物理实体。

2.2.1 CPS的发展和趋势

1．CPS的特征

一般来说，人们会站在两个角度上分析CPS的特征，一是计算机性能角度，二是产业角度。由于CPS设备内部包含大量计算，所以对待接入设备的要求也集中在计算功能上，强大的计算是CPS对接入设备的基本要求。

那么站在设备的计算性能角度看，由于物联网不具备控制和自治能力，因此基本通信都是发生在物品与服务器两者之间。如果把CPS看作是一个“胖客户服务器”，那么物联网则是“瘦客户服务器”。另外，CPS还能帮助物联网，使其定义更加清晰。

自然界中物理量都是持续变化的，但信息空间的数据却存在离散性。那么所有的信息想要从物理空间流动到信息空间，就务必要通过各式各样的传感器进行传递，并完成物理量到模拟量的转变，最终利用数字和模拟转换器将其转换成数字量并被信息空间接纳。因此，从某种意义上来说，传感器在CPS中发挥着重要作用。

其次，站在产业角度，CPS涵盖范围极广，从大方面来讲关系到工业控制系统、现代智能交通系统；从小方面来讲与人们日常生活，例如家庭网络相联系。特别值得说明的是，这种小范围的涵盖不仅仅是将原本就存在的家电相连接，而是在这一连接过程中还能催生出更多高端设备，这些设备具有极其强大的功能。如图2-30所示为CPS基础下诞生的设备的功能。

2．CPS的意义

CPS的意义是将物理设备与互联网连接，来实现物理设备功能，如图2-31所示。

尽管从本质上看信息物理系统是一个具有控制功能的网络，但实际上它又区别于普通的控制系统。CPS强调物理设备之间的协调与通信是不可分割的，而现有的控制系统则将通信与计算控制放于同一高度。相关研究表明，在不久的将来，CPS将改变世界，最大限度地实现世界互联。

3．CPS的发展

信息物理系统发展进程是怎样的呢？如图2-32所示为CPS的发展进程。

4．CPS的进化

传统的工业自动化是封闭的，与外界没有任何的交流。但“工业4.0”是通过网络功能在传统自动化的基础上对其进行了扩展，使得CPS汇集了计算、通信和控制能力于一体，成为智能工厂的核心，如图2-33所示。

在这样CPS下的智能工厂可以通过网络协同制造，实现制造业的智能生产，并通过自律操作，完成智能产品的制造。同时，CPS下的智能工厂能够实现可视化生产，实时监控生产情况，排除那些不确定的因素。如图2-34所示为“智能工厂”可视化生产的优势。

2.2.2 CPS下的智能工厂

“工业4.0”是从嵌入式系统向CPS（信息物理系统）进化，并最终形成“智能工厂”的过程。2009年，美国提出“智能工厂”的概念，并指出其核心就是将工业化与信息化相结合。实际上，“智能工厂”就是指在数字化工厂的基础上，进一步通过物联网和设备监控技术来实现信息管理与服务。如图2-35所示为“智能工厂”的基本框架。

在不久的将来，通过大数据和云计算形成的“云端智能工厂”将成为现实。另外，在将其与智能化系统相结合，融为一体就可以构建出全新的人性化工厂。如图2-36所示为新兴个性化工厂的特征。

1．可视化生产

由于“智能工厂”具有高度整合性特征，因此在产品加工制程上，包括生产原材料检控与生产流程，都可以实时地被相关人员监管和控制。除此之外，它还能够对系统机具的实际情况进行实时掌握，这样有利于减少生产过程中因系统问题导致的误差发生概率，保证产品生产顺利进行。

通常，制程过程中的相关数据均可以保存在数据库中，让操作人员能够有完整信息作为参考，从而对后续工作进行规划；可按照系统信息整合构建产品制造的智能组合；另外，它还能够依靠生产线系统的实时状况对系统机具展开规划工作。

2．全方位监管

通过物联网概念，以传感器作为链接载体实现制造设备的感知，系统可进行多种作业，如图2-38所示。这种全方位监管可以说实现了多种技术的深度结合。如图2-39所示为全方位监管的技术结合。

3．制造绿色化

“智能工厂”产品生产除了要保障在加工制造上节约资源、注重环境保护之外，企业还可以与上下游厂商间，从多方面出发商量出一条有关绿色产品生命周期管理循环的策略。如图2-40所示为“智能工厂”绿色产品的生命周期。