作者：魏晓东等
出版社：电子工业出版社
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现代工业系统集成技术试读：
前言
2010年元月，国家标委会发布了《工业企业信息化集成系统规范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》（GB/T 26335—2010）。这是一个关于两化融合的国家标准，首次提出了工业企业的信息化系统必须与工业企业生产制造的自动化系统深度融合构建起企业的“信息化集成系统”。标准的主要作者一直致力于他们所在行业的“两化融合”的工作，在各自工作岗位上应用着系统集成技术，建设着大型的自动化、信息化与智能化系统，建设着本企业的信息化集成系统。2013年秋，德国工业4.0第一次在国内传播时，其中的许多技术观点与GB/T 26335—2010中的观点，特别是关于系统集成技术的观点有相似性，这极大地鼓舞了作者将自己在系统集成技术方面的认识与技术积累总结起来编著为这本小书，献给千千万万从事信息化、智能化系统的系统集成工作并在第一线奋斗的工程师与技术工作者。
系统集成技术是构建工业信息化集成系统的关键，也是实现工业4.0核心系统——信息物理系统（CPS,Cyber Physical System）的关键。本书以工业自动化、信息化与智能化的系统集成技术基础为主要内容，集成了作者在大型工业系统的系统集成方面的经验。同时，为深入研究CPS 系统中的系统集成技术，我们特别邀请了一些专门信息集成领域——视频信息系统集成、地理信息系统集成和语音信息系统集成的专家；也邀请了在工业4.0时代迫切需要的信息化集成系统信息安全和云计算与大数据的专家撰写他们所长的有关内容。
一般来讲，现代工业由实体工业设施与设备及其自动控制系统构成。现代工业自动控制系统在工业4.0时代正进步为由物联网（IoT,Internet of Things）和务联网（IoS,Internet of Services）支持的信息化与自动化系统。以工业信息为核心的自动化与信息化深度融合在一起，深入到信息化集成系统的各个层次；各层次的信息采用系统集成技术融合在一起，实现工业企业的经营目标与战略目标，信息系统集成技术成为新工业革命的关键。系统集成技术不仅是大系统层次间的信息传输与接口，更为基础的要素是工业技术诀窍的软件化和工匠精神的抽象化；系统集成不仅需要云端的虚拟化技术，更需要现场设备层的信息化与智能化。系统集成技术正在从工业现场技术进步中积累起来，而新工业革命也需要更深层的系统集成技术来完成智能化制造。因此，新工业革命时代的系统集成是“脚踏实地”的系统集成，是对实体工业进行Cyber（信息化）的系统集成。
德国人在其德国工业4.0纲领中雄心勃勃地提出新工业革命的双重战略——“主导供应与主导市场”（becoming a leading market and supplier），并希望在第四次工业革命中以此拔得头筹。但殊不知新工业革命最大的市场在中国，中国工业制造的“两化融合”正深入各个制造领域，在新工业革命中有着巨大的“优势”——市场优势。中国工业智能化制造与智能产品的巨大市场前景必将催生出工业4.0特别是系统集成的技术成果。例如，中国的高铁自动化与智能化技术与装备正在走向全世界；中国的全世界最大的城市轨道交通市场已经并将继续催生出许多创新的系统集成技术。本书在应用篇介绍的一些系统集成案例只是这些技术成果中凤毛麟角，希望以此抛砖引玉。
现代系统集成技术主要是将Cyber（信息、网络、软件）与Physical（物理实体、设施、设备、现场装置）有机地融为一个完整系统从而实现智能制造、智能生产与智能工厂。现代系统集成技术在互联网的支持下以更大的怀抱将全球的物理实体与虚拟的信息、网络和软件包容在一起，实现第四次工业革命。因此，本书介绍的系统集成技术内容与当下进行的工业革命密不可分。
本书由三部分组成：概论，第一篇系统集成技术基础，第二篇系统集成应用。各章的编写者是：概论、第1章和第2章，魏晓东；第3章，陈朝晖；第4章，赵云飞；第5章，魏祥斌；第6章，赵刚、张少文；第7章，王明顺；第8章，王钢、徐箐；第9章，张晔；第10章，顾炯炯、李焕然；第11章，吴悦明；第12章，陈洪；第13章，王刚；第14章，李文慧、牛锦宇。
魏晓东主编全书，秦绪忠为本书作序，王晓萌、聂曦瑶为本书校对和插图。在此一一感谢。第0篇概论
论及现代工业必然要涉及正在世界范围悄然兴起的第四次工业革命，必然要涉及第四次工业革命的纲领——工业4.0。现代工业的系统集成技术的讨论应在工业4.0的核心——信息物理系统（CPS,Cyber Physical System）背景下展开。本书开篇将介绍在工业4.0时代，信息物理系统（CPS）理念；阐述CPS中的系统集成技术，说明我国信息化与工业化两化深度融合与工业 4.0 纲领的一致性，概述两化融合项目中系统集成与系统集成商；详细介绍工业4.0中的系统集成技术。0.1 工业革命与工业4.00.1.1 第一次工业革命
人类历史进入18世纪，在欧美一些主要资本主义国家先后发生了以机器生产取代手工劳动的一系列重大变革。有许许多多的发明和创造，它们给人类生活的各个领域都带来不同程度的变化。
对人类贡献最大、最能代表这个时代特征的是蒸汽机的发明和使用，它利用热能、为机械供给推动力，结束了人类对畜力、风力、水力的依赖，把人类带入了“蒸汽时代”，是人类认识和利用自然力的一个巨大进步。蒸汽机成为对人类影响最大的发明和创造。
第一次工业革命从英国发起，开创了以机器代替手工劳动的时代。这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革。第一次工业革命以工作机的诞生开始，以蒸汽机作为动力机广泛使用为标志。第一次工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器代替了手工劳动；第一次工业革命大大加强了世界各地之间的联系，改变了世界的面貌，最终确立了资产阶级对世界的统治地位。
从1933年“飞梭”的发明开始，紧接下来“珍妮纺织机”的出现使当时纺织业突飞猛进。不久，在采煤、冶金等许多工业部门，也都陆续有了机器生产。随着机器生产越来越多，原有的动力如蓄力、水力和风力等已经无法满足需要。1785年，瓦特制造的改良型蒸汽机的投入使用，提供了更加便利的动力，得到迅速推广，极大推动了机器的普及和发展。瓦特蒸汽机是大工业普遍应用的第一动力机，它取代了在生产过程中动力提供者——人。同时，一台蒸汽机推动许多台工具机形成有组织的机器体系，从而产生了工厂，导致了工业革命或产业革命。人类社会由此进入“蒸汽时代”。（此间，大家所熟悉的蒸汽发动机的瓦特调速系统则是一个典型的负反馈自动调节系统，它开启了机械自动化系统的技术发展之门。）
随着工业生产中机器生产逐渐取代手工操作，传统的手工业无法适应机器生产的需要，为了更好地进行生产管理、提高效率，资本家开始建造工房，安置机器雇佣工人集中生产，这样，一种新型的生产组织形式——工厂——出现了。工厂成为工业化生产的最主要组织形式，发挥着日益重要的作用。机器生产的发展，促进了交通运输事业的革新。为了快捷便利地运送货物、原料，人们想方设计地改造交通工具。美国人富尔顿制成的以蒸汽为动力的汽船试航成功。英国人史蒂芬孙又发明了蒸汽机车。这些重大的机器发明推动人类文明进入了第一次工业革命。从制造的视角看，第一次工业革命的主要特点就是机械化。0.1.2 第二次工业革命
第二次工业革命以电力的发明与应用而开始。1871年法拉第电磁定律的发现奠定了发明电力的基础；1878年，爱迪生发明了商业普遍应用的双极发电机，并提出公共供电系统计划，次年，爱迪生制造出了白炽电灯，进而出现了完全新型的电力工业。接着又出现了长距离的输电线路。于是电器开始代替机器，电力成为替代以蒸汽机为动力的新能源。随后，电车、电影放映机相继问世，人类进入“电气时代”。
19世纪七八十年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，19世纪90年代柴油机创制成功。内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。19世纪80年代德国人卡尔• 弗里特立奇•本茨等人成功地制造出由内燃机驱动的内燃汽车。洋轮船、飞机等也得到了迅速发展。内燃机的发明，推动了石油开采业的发展和石油化工工业的生产。
19世纪70年代，美国人贝尔发明了电话，19世纪90年代意大利人马可尼试验无线电报取得成功，都为迅速传递信息提供了方便。世界各国的经济、政治和文化联系进一步加强，世界的面貌因工业革命而改变。
电气化开启了新的工业革命。从制造的视角看，第二次工业革命就是电气化+机械化。0.1.3 第三次工业革命
第三次工业革命始于信息技术广泛应用之时。20世纪70年代至今，IT进军工业的脚步一直未停。在世界范围内，工业领域广泛应用电子技术、通信技术与IT技术，自动化生产线上应用了可编程逻辑控制器（PLC）；机器不光由电力驱动，代替人的劳动，还带上了电脑，装上了微处理器具有了人脑的某些功能。此后又出现了智能电子装置 IED（Intelegent Electronic Devices）。制造业在 IT 的推动下，实现了全自动化，实现了全过程的信息化。曾经风靡一时的CIMS制造推动了工业领域的大变革。
IT进入工业生产，与生产有关的企业部门集成地用电子数据处理，包括了在生产计划和控制、计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、计算机辅助质量管理之间信息技术上的协同工作，其中为生产产品所必需的各种技术功能和管理功能都可集成地实现。
从企业系统到制造控制系统都在采用计算机装置与系统。以计算机为基础的DCS控制器遍布流程工业生产线，PLC 和 IED 遍布在离散制造生产线上，地理上分散的大型监控系统——SCADA（Supevisory Control And Data Aquisision）系统进入电力、输油、输气等社会重大经济领域。工业生产的面貌由于IT的促进发生根本变化。工业与信息化在深度融合，企业管理系统与计算机制造控制系统被集成在一起。工业过程由于IT的加入起了革命性变化。第三次工业革命在机械化、电气化的基础上由于信息技术的促进而实现。从制造的视角看，第三次工业革命就是IT+电气化+机械化。0.2 第四次工业革命纲领——工业4.0
自20世纪70年代以来，信息通信技术（ICT）成为第三次工业革命发展的灵魂。在一些工业发展较快的国家，ICT大约支撑了90%的工业制造过程。IT革命给我们生活和工作带来了根本性的变革。
近年来，从个人电脑到智能设备的演进，越来越多的IT基础设施和服务正在由智能网络（云计算）提供。出现了以下发展趋势：
比以往任何时候都更加小型化的设备与势不可挡的互联网相结合，使无处不在的计算成为现实。
功能强大的、自主的微型计算机（嵌入式系统）越来越多地互联或与互联网以无线方式互联，正在实现所谓“无处不连接”。
这一发展主流正在导致实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）以虚拟网络——信息物理系统（CPS）的方式相融合。
继2012年推出新的互联网协议 IPv6，现在已有足够的地址使智能对象间通过互联网大范围直接互联。技术的发展，使工业制造进入了互联网时代。
2013年，德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上提出了一个崭新的概念——“德国工业4.0”。人类社会从此步入了工业4.0时代。工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，预计投资2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。中国首套工业4.0流水线也已经亮相第十六届中国工业博览会。工业4.0也进入中德合作新时代，中德双方签署的《中德合作行动纲要》中，明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”，对于未来中德经济发展具有重大意义。
德国人在工业4.0的纲领中提出：第四次工业革命就是第三次工业革命的成果上再加上互联网技术。“The introduction of the Internet of Things and Services into the manufacturing environment is ushering in a fourth industrial revolution”。物事互联网与服务互联网引入制造业引发了第四次工业革命。
必须说明这里所要求的互联网是，“Things and Services”的互联网，Things可认识为物和事情，或曰“物事”; Services泛指一切服务。所以，第四次工业革命首先要建设“物事互联网”与“服务互联网”（简称“物联网”和“务联网”，英文缩写为IoT和IoS）。这意味着有史以来第一次将资源、信息、物事、人和对这一切的服务进行互联。在the Internet of Things and Services的支持下，革新、改造整个工业及制造业。制造业中的智能机器、存储系统和生产设施将融入the Internet of Things and Services中。第四次工业革命从制造的视角看就是“机械化+电气化+信息技术+互联网”。参见图0-1。图0-1 四次工业革命的发展历程0.3 工业4.0新工业革命的特点
目前，工业4.0仅仅是新工业革命的发展纲领，但刚刚出现就产生了极大的影响力。
首先，“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。
在这种模式中：
传统的行业界限将消失，产生各种新的活动领域和合作形式。
创造新价值的过程在发生改变，产业链分工将重组。
工业4.0描绘了制造业的未来愿景，提出人类将迎来以信息物理系统（CPS）为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。
第四次工业革命的兴起、发展及其核心特征有以下5个方面：（1）工业4.0的核心是通过IoT和IoS支持的CPS实现4个“智能”。
通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统相结合的手段，促成信息物理系统的实现，将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为四大主题：
一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D打印技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网（IoT）、务联网（IoS）整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。四是“智能产品”，新工业革命时代，工业产品是智能产品。
工业4.0的CPS系统将实现4个智能化：第一，通过价值网络的横向集成实现世界范围的智能制造。第二，实现IoT和IoS支持的智能工厂。第三，实现智能生产线。第四，生产出源源不断的智能工业产品。物联网（IoT）和务联网（IoS）支持下的智能生产线如图0-2所示。图0-2 在物联网与务联网支持下的智能生产线（2）工业4.0的基础是从底层的制造系统发起。
近年来，新一代信息通信技术的发展，催生了移动互联网、大数据、云计算、智能工业可编程控制器等的创新和应用，推动了制造业生产方式和发展模式的深刻变革。在这一过程中，尽管德国拥有世界一流的机器设备和装备制造业，尤其在嵌入式系统和自动化工程领域德国更是处于领军地位，但德国工业面临的挑战及其相对弱项也显而易见。一方面，机械设备领域的全球竞争日趋激烈，不仅美国积极重振制造业，亚洲的机械设备制造商也正在奋起直追，威胁到德国制造商在全球市场的领先地位。另一方面，互联网技术是德国工业的相对弱项。为了保持作为全球领先的装备制造供应商以及在嵌入式系统领域的优势，面对新一轮技术革命的挑战，德国推出“工业4.0”战略，其目的就是充分发挥德国的制造业基础及传统优势，大力推动物联网和服务互联网技术在制造业领域的应用，形成信息物理系统（CPS），以便在向未来制造业迈进的过程中先发制人，与美国争夺新一轮工业革命的话语权。
美国是利用互联网优势，向未来制造业进军。而德国是基于制造业基础，向未来互联网融合。
实施“工业4.0”战略是积极应对新一轮工业革命、争夺国际竞争力和话语权的重要举措。为此，德国的“工业4.0”战略详尽描绘了信息物理系统（CPS）的概念。希望利用CPS系统，开创新的制造方式，通过传感器物联网紧密连接物理现实世界，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中，从而实现“智能工厂”，使得在生产制造过程中，设计、开发、生产有关的所有数据都将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统。
从某种意义上说，“工业4.0”是德国希望阻止信息技术不断融入制造业之后带来的支配地位。一旦制造业各个环节都被云计算接管，那么制造业还是制造业吗？所以，“工业4.0”希望用“信息物理系统”升级“智能工厂”中的“生产设备”，使生产设备因信息物理系统而获得智能，使工厂成为一个实现自律分散型系统的“智能工厂”。那时，云计算不过是制造业中的一个使用对象，不会成为掌控生产制造的中枢。
德国人专注于创新工业科技产品的科研和开发以及对复杂工业过程的管理。德国拥有强大的设备和车间制造工业，在世界信息技术领域拥有很高的能力水平，在嵌入式系统和自动化工程方面也有很专业的技术，这些因素共同奠定了德国在制造工程工业上的领军地位。“工业4.0”战略的实施，将使德国成为新一代工业生产技术（即信息物理系统）的供应国和主导市场，使德国在继续保持国内制造业发展的前提下再次提升它的全球竞争力。以上也是“工业4.0”诞生的一个特殊背景。由此也可以理解为什么德国在其“工业4.0”中提出了“通吃”的市场主导与供应主导的战略（The dual strategy: leading market and leading supplier）。
事实上，世界工业发展的历史表明，工业发展是由生产现场、生产设备、生产线、生产的控制系统、生产的监控系统及信息化系统来决定的，其中的IT技术包括云计算只是其内涵部分。本质上讲，新工业革命应该是从大地上奠基而起的，不应该是从云端降落。工业4.0开启了正确的工业发展方向。（3）工业4.0采用新的生产模式。
工业4.0不再以大规模生产模式为主，开创的定制化生产，是可以盈利的小规模甚至极小量产品、个性化产品的生产模式，由数字网络支持，由数字化的自动生产线的支持。由于生产可实现动态配置，整个生产流程支持自律的生产设备，支持智能产品在流程中的定制与修改，生产方式更加灵活。传统的大规模生产才可盈利的模式被数字化与智能化打破。（4）工业4.0将满足现代社会对工业革命的要求，意义非常深远。
如同前三次工业革命一样，新的工业革命必然要解决全社会对工业的新要求。新工业革命将应对并解决当今世界所面临的一些挑战，如资源和能源利用效率、城市生产和人口结构变化等。
工业4.0使资源生产率和效率增益不间断地贯穿于整个价值网络，它使工作的组织考虑到人口结构变化和社会因素。
智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值的活动。智能生产与智能工厂的发展，引发技术工人短缺问题，也将允许年长的工人延长其工龄，保持更长的生产力。灵活的工作组织使得工人能够将他们的工作和私人生活相结合，并且继续实现更好的平衡。
工业4.0的实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感的目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤。员工能够专注于创新性和高附加值的生产活动。他们将在智能生产线上、在智能工厂里，保持关键作用，特别是在质量保证方面。与此同时，灵活的工作条件，将在他们的工作和个人需求之间实现更好的协调。（5）工业4.0更注重人在智能生产中的作用。
工业4.0是从生产、制造的实体经济产生的革命，而不是由信息的虚拟云中产生的推动。工业4.0与生产的工作组织和工厂劳动力的素质密切相关。通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间的互动合作将为企业提供新的机会，将人口变化转化为自身的优势。面对熟练劳动力的短缺和日益多样化的劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0将提供灵活多样的职业路径，让人们的工作生涯更长，并且保持生产能力。使用CPS的公司具有更加灵活的工作组织模式，意味着它们可以很好地满足员工不断增长的需求，让员工在工作与私人生活之间，以及个人发展与持续的职业发展之间，实现更好的平衡。例如，智能辅助系统将提供新的组织工作的机会，即提供一种灵活的新标准以满足公司的需要和员工个人的需求。随着劳动力规模的缩减，CPS公司在招聘最优秀员工方面将具备明显优势。创新不仅聚焦在克服技术难题上，由于员工在执行与吸收技术创新中起到关键作用，创新的范围应扩展到包括工作与员工技能的智能组织。随着开放虚拟工作平台与人机交互系统的广泛使用，员工的角色会发生很大变化。工作内容、工作流程和工作环境会发生转变，同时在工作灵活性、工作时间规章、医疗保健、人口学和人们业余生活方面产生影响。
在工业4.0时代，工作性质很可能将在管理复杂局面、抽象工作与解决问题方面对所有的劳动力提出更高的要求。员工需要有更强的主观能动性、极好的沟通能力、组织自身工作的能力，简单地说，就是对员工的主观能力和潜力提出更高的要求。同时，也会在丰富的工作内容、更有趣的工作环境、很好的自主性和个人发展方面提供更多机会。新的虚拟工作场所的要求对维持和保护人才资本的安全构成威胁。随着技术集成的不断提升，员工需要更具灵活性和处理更多要求苛刻的任务，同时，虚拟世界与员工实际工作之间的冲突也会上升。这会导致员工失去控制或在工作中出现疏离感，这正是渐渐形成的无形虚拟的商业与工作模式所导致，也有可能是新老矛盾叠加导致大量的创造力和生产效率丧失和员工工作量增加的倾向。还需要考虑的重要一点是，制造业中出现越来越多的信息技术对招聘员工数量的影响。智能生产环境将培育出新一代技术专家与线上员工，整个社会的劳动力将因此而发生巨变。
智能工厂将提供一个创建新的工作文化环境的机会来满足劳工人员的利益。采用合适的工作组织和设计模型将至关重要，这种组织模型可以将高度的个人责任感和自主权与分散的领导和管理方法相结合，让员工拥有更大的自由来做出决定，更多地参与和调节他们自己的工作量，同时又能支持灵活的工作安排。技术可用于十分不同的工作，系统可以对一个人工作的微小细节设置实施严格的控制，或者它们可以配置为一个开放的信息来源，员工以此为基础做出自己的决定。在工业4.0中，将持续的职业发展措施与技术、软件进行紧密配合，提供一个单一的、连贯的解决方案，解决方案贯穿于整条个值链的员工和技术操作系统之间提供智能、合作、自我组织的相互协调机制。“智能”将在人性化方面有所作为。工业4.0的智能工厂将被配置为高度复杂的、动态的和灵活的系统。工厂里被授权的员工将充当决策者和控制者，这一点是工业4.0的重要特征！在工业4.0框架下，技术发展目标和工作组织模式应该根据具体的经济和社会条件一起建立和配置。建立灵活的制造业组织模式是必要的，可以在员工的工作和私人生活之间建立清晰的边界，使他们达到现实的工作和生活的平衡。在这种背景下可以为创造良好和公平就业与未来制造业网站和工作人员的安全提供标准和途径。这一战略包含一个拥有参与权、共同决策和培训机会的以员工为本的组织设计。尽管如此，它仍能满足全球竞争力的要求和更大灵活性的需要。CPS对员工的辅助功能见图0-3。图0-3 CPS对员工的辅助功能
由上可见，工业4.0非常重要的变革始于工厂、始于生产线、始于工作组织以及新的工作关系。工业4.0是真正的以人为本的系统，这是工业4.0“脚踏实地”的根本所在。
工业4.0对智能产品提出了一个重要的战略目标：“更好，而不是更便宜”。这就确保了“好的工作”、“技术创新”和“职工共同决策”三方面在工业4.0背景下并不相排斥；相反，在智能生产线上生产出的高质量智能产品得到市场的认可，物有所值，甚至使得困扰电商的假冒伪劣得到根治。
总结起来以工业4.0为纲领的新工业革命与旧的工业有许多新发展：
1）工业4.0将在制造领域的所有因素和资源间形成全新的社会——技术互动水平。它将使生产资源（生产设备、机器人、传送、装置、仓储系统和生产设施）形成一个循环网络，这些生产资源将具有以下特性：自主性、可自我调节以应对不同形势、可自我配置、基于以往经验、配备传感设备、分散配置，同时，它们也包含相关的计划与管理系统。
2）作为工业4.0的一个核心组成，智能工厂将渗透到公司间的价值网络中，并最终促使数字世界和现实的完美结合。智能工厂以端对端的工程制造为特征，这种端对端的工程制造不仅涵盖制造流程，同时也包含了制造的产品，从而实现数字和物质两个系统的无缝融合。智能工厂将使制造流程的日益复杂性对于工作人员来说变得可控，在确保生产过程具有吸引力的同时使制造产品在都市环境中具有可持续性，并且可以盈利。
3）工业4.0中的智能产品具有独特的可识别性，可以在任何时候被分辨出来，甚至当它们在被制造时，就可以知道整个制造过程中的细节。在某些领域，这意味着智能产品能半自主地控制它们生产的各个阶段。此外，智能产品也有可能确保它们在工作范围内发挥最佳作用，同时在整个生命周期内随时确认自身的损耗程度。这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以判断工厂是否在物流、装配和保养方面达到最优，当然，也可以应用于商业管理应用的整合。
4）在未来，工业4.0将有可能使有特殊产品特性需求的客户直接参与到产品的设计、构造、预订、计划、生产、运作和回收各个阶段。更有甚者，在即将生产前或者在生产的过程中，如果有临时的需求变化，工业4.0都可立即使之变为可能。当然，这就会使生产独一无二的产品或者小批量的商品仍然可以获利。
5）工业4.0的实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感的目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤。员工将从执行例行任务中解脱出来，使他们能够专注于创新性和高附加值的生产活动。因此，他们将保持关键作用，特别是在质量保证方面。与此同时，灵活的工作条件，将在他们的工作和个人需求之间实现更好的协调。
6）工业4.0的实施需要通过服务水平协议来进一步拓展相关的网络基础设施和特定的网络服务质量。这将可能满足那些具有高带宽需求的数据密集型应用，同时也可以满足那些提供运行时间保障的服务供应商，因为有些应用具有严格的时间要求。0.4 信息物理系统（CPS）——新工业革命的基础0.4.1 信息物理系统（CPS）释义
什么是Cyber Physical System（信息物理系统），这要从Cyber这个英文词说起。Cyber（赛博）源自希腊语单词Kubernetes，意思是舵手。控制论创始人诺伯特·维纳在《控制论》中使用Cybernetics一词表示计算机控制。Cyber作为前缀，代表与Internet相关或计算机相关的事物，即采用计算机进行的控制。Cyber Physical System称为信息物理系统。
Cyber Physical System有一个极为通俗的解释，即所谓鸡蛋模型，将CPS比喻成一个鸡蛋，如图0-4所示。图0-4 CPS鸡蛋模型
蛋黄——Physical表示物理实体，蛋清——Cyber表示信息的、网络的、计算机的等虚拟世界。光有蛋黄不成其为鸡蛋，Cyber 愈多，鸡蛋的营养愈大，价值愈高。它形象地说明了Cyber的虚拟空间对实体的作用，说明了Cyber与Physical的相依关系。
最典型的CPS是我们生活中须臾不能离开的智能手机。它的物理实体就是握在手中的手机本体，Cyber就是手机的软件和通信系统。智能手机的价值主要由其Cyber来决定。手机的技术进步一方面是物理实体的进步：机体的尺寸、占屏比、摄像头的水平，等等。更重要的是软件的进步，各大公司一代又一代的软件版本，竞争既在物理实体上又主要在Cyber上进行。
再以一个小CPS为例：洗衣机这个物理设备，仅仅一台洗衣机也就是一个洗衣服设备。但是，如果在这个物理设备上加上网络，加上计算机软件（管理洗衣机系统）这样一些Cyber，这个小的 CPS 就变成一个服装管理系统，它可以为用户提供对洗涤衣服的全面管理。这个CPS可以按照每一个客户的个性要求提供各类服装服务，比如带着熏衣草味的衣服，比如，准时地将衣服洗好并用手机短信通知客户，比如，客户随时可以得到所洗衣服处在什么状态，他可以随时变更原来的要求。总之，使小小的洗衣机也因为加入了赛博（Cyber）而变成了智能的服装管理系统。这种加了赛博（Cyber）的洗衣机成为智能设备，它随时按照用户要求进行服务的特征带上了工业4.0的特征。
再例如，一组农业机械设备，它们是物理实体。但如果加上通信网络，加上传感器，加上来自各方的农业信息，加上农业管理软件那样的 Cyber，就产生了一个大的农业耕作管理系统。这样一个CPS系统就成为智能的农业生产管理系统。
CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使物理实体能够通信，能与虚拟世界相互作用，创造一个真正的网络互联物理实体的世界。一旦网络扩展到互联网范畴，CPS就可发展成为无处不在的智能系统。一个个物理实体就处在“无处不连接”的连接之中，互联网的“蛋清”将与物理实体的“蛋黄”融为一体成为工业4.0的核心。
由上可见，信息物理系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工业系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同。CPS因Cyber而变得应用非常广泛。
信息物理系统作为计算进程和物理进程的统一体，集成计算、通信与控制于一体的新型智能系统。它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、协作的方式操控物理实体。
2005年5月，美国科学院在评估美国的技术竞争力时提出了维持和提高技术竞争力的建议并于2006年2月发布了《美国竞争力计划》将信息物理系统（CPS）列为重要的研究项目。到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。与此同时，欧盟从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），研究CPS等先进技术，希望成为智能电子系统的世界领袖。CPS在工业4.0之前已经受到科学界、工业界的广泛重视。
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，是一个具有Cyber的智能控制系统。
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、远程协调和自治等功能，为新的工业革命注入原动力。
从产业角度看，CPS涵盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。它不仅仅可将现有的家电简单地连在一起，而是可催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。下一代工业将建立在CPS之上，CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局，推动新一次工业革命发展。
CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与“服务互联网”一体化（见图0-5），实现工业4.0。这些技术被称为“实现技术”，培育更加广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。图0-5 物联网和服务互联网——网络中的人、物和系统
工业4.0中的 CPS 实质上由物联网（物事互联网），务联网（服务互联网）以及广义的人联网支持的各种物理实体：智能工厂，智能电网，智能建筑，智慧城市，各种服务网络及人们所持的智能终端构成，它们实现着智能生产、智能制造，创造出全新的人类生活。0.4.2 工业4.0中的CPS
按照工业4.0纲领，未来的工业企业各种CPS将由全球的工业互联网支持，将各类智能机器、后勤系统与生产系统集成在一起，在制造环境中，这些CPS所包含的智能机器、存储系统和生产实体可以自动地交换信息，触发动作、相互独立地控制。这些实体对工业过程的基本改进涉及了制造、工程、材料使用、供应链和全生命周期管理。在CPS支持下，出现了实现全新生产方法的智能工厂及具有动态配置生产方式的智能生产线。CPS生产出的智能产品在整个生产时段内，都知道自己的历史、现在的状态以及达到最终生产目标的生产路径。
以物联网与务联网为基础的工业4.0的CPS，其核心是智能工厂和智能产品。
CPS支持的智能工厂有如下特点：（1）智能工厂蕴含在公司内价值网络中。（2）它由包含了制造过程和制造产品的端到端工程来定性，使得数字信息与物理实体无缝地融合。（3）它便于工作人员管理制造过程不断增长的复杂性。（4）它同时确保生产本身极具吸引力、适应城市环境并赢利。（5）智能工厂的生产过程与企业的战略目标协同，同时它的进程因互联网的支持敏捷而灵活，因此可实现效益最大化。（6）智能工厂可以最大限度地发挥员工的智慧与潜能；可以恰当地融入成功的生产经验与生产诀窍（knowhow），使工业4.0落地生根。（7）智能工厂可实现动态配置生产方式和工程流程化，使得产品在最后时刻也可以根据实时需求变化。（8）可提供端到端的实时透明，实现优化的决策支持技术。（9）创造新价值方式和新的商业模式，特别是它将为初创企业和小企业提供发展良机，并提供下游服务。
由智能工厂生产的智能产品有如下特点：（1）具有独特的可识别性，在全生命周期可定位。（2）即便在它被制造过程中也知道自己制造过程的细节。（3）在生产过程一定的区域，可以半自动控制智能产品的生产单独阶段。（4）确保智能产品知道其成品功能指标和生命周期内损耗。（5）智能产品的信息汇集在一起，实现动态配置以便优化智能工厂的物流、配置、维护和企业管理应用集成。（6）智能产品可以追踪朔源，杜绝假冒伪劣。因而它质量第一，好而不便宜（better not cheap），这是工业4.0时代的重要经营准则。
在智能工厂里，机器和资源如同在一个社交网络里一样，自然地相互沟通协作。智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用。它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等问题。其与智能移动性、智能物流和智能系统网络相对接将使智能工厂成为未来的智能基础设施中的一个关键组成部分。这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现，如图0-6所示。图0-6 工业4.0的智能工厂
智能工厂也是一个典型的CPS系统，通过横向集成技术，可以将相关的全球的实体工厂和公用机器集成起来组成智能生产线，而软件、网络、智能产品设计、虚拟生产等Cyber与工厂实体协同构成了智能工厂。这种虚实结合的结构正是CPS的本质。
由此可见，工业4.0是将互联网技术和IT引入到基础生产中，引入到产品制造中，引入到实体经济的变革中，促进工业智能化。
CPS生产出的智能产品不再是一个产品实体，而是包含了产品制造和未来使用中的全部信息的智能产品。通过 ID 号可以获得它被制造过程的全部信息。将来产品生命周期结束，它的使用或运行信息比用过的产品更有价值。一辆典型的智能汽车在报废后，也许它自身的运行信息比它的原价值还高。
由此工业4.0的CPS可将个体客户和产品特殊性能需求融入产品设计、组态、订货、生产、运行与回收各阶段。也可在制造前或制造进行时将最后一分钟的客户需求加入制造中，可实现单件或小批量制造并盈利。也可让生产者来控制、调节或组态智能制造的资源网络和制造步骤。生产者可以从生产任务的过程中解放出来，致力于创新和增值的生产活动。他们将在生产过程中起关键作用特别是在质量保证方面。同时灵活的工作条件将可协调他们的工作和个人的需求。
由互联网乃至 CPS 支持的智能生产与智能工厂以及智能产品将深层次地改变生产过程本身、改变工作者的工作条件与状态，继而改变产品的交易以及整个社会的商业模式。
在工业4.0的CPS中，有以下特点。（1）满足用户个性化需求，允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节能够考虑到个体和客户特殊需求，而且即使在最后阶段仍能变动。在CPS支持的工业4.0中，有可能在一次性生产且产量很低的情况下仍能获利。（2）灵活性。基于 CPS 的自组织网络可以根据业务过程的不同方面，如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等，进行动态配置。这有利于原料和供应链的连续“微调”。也意味着工程流程可以更加灵活，制造工艺可以被改变，暂时短缺（例如供应问题）可以得到补偿，输出的大量增加可以在短时间内实现。（3）决策优化。为了在全球市场上取得成功，在短时间内能够做出正确决定变得越来越关键。工业4.0提供了端到端的实时透明，使得工程领域的设计决策可以进行早期验证，并且既可以对干扰做出更灵活的反应，还可以对生产领域中公司的所有位置进行全局优化。（4）资源生产率和利用效率。工业制造过程的总体战略目标仍然适用于工业4.0：在给定资源量（资源生产率）的前提下，得到尽可能高的产品输出；使用尽可能低的资源量，达到指定的输出（资源利用效率）。CPS 在贯穿整个价值网络的各个环节基础上，对制造过程进行优化。此外，系统可就生产过程中的资源和能源消耗或降低排放进行持续优化，而不是停止生产。（5）通过新的服务创造价值机会。工业4.0的CPS，由于得到IoS的支持，开辟了创造价值的新途径和就业的新形式，比如通过下游服务，智能算法可用于各种大数据，这些数据是为了提供创新服务而由智能设备所记录的。尤其是对于中小企业和初创公司来说，有显著的机遇发展。（6）B2B（企业对企业）服务。应对工作场所人口的变化通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间的互动合作为企业提供新的机会，将人口变化转化为自身的优势。面对熟练劳动力的短缺和日益多样化的劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0的CPS将提供灵活多样的职业路径，让人们的工作生涯更长，并且保持生产能力。（7）工作和生活的平衡。使用CPS的公司将具有更加灵活的工作组织模式，它们可以很好地满足员工不断增长的需求，让员工在工作与私人生活之间，以及个人发展与持续的职业发展之间实现更好的平衡。（8）智能辅助系统。CPS中，具备智能辅助系统，使人的工作融入智能生产线中。它将提供新的组织工作的机会，即提供一种灵活的新标准以满足公司的需要和员工个人的需求。它将智能地辅助工人融入智能生产线中。它通过机器人、智能机械工具，对复杂工作过程的适应性智能辅助，技术错误诊断的智能辅助，本地维护计划辅助以及多模的人机交互，使经过辅助系统培训的工人适应智能生产线的环境与要求。
总而言之，具有战略意义的工业4.0纲领将极大地促进全新的CPS平台适应具有协作特点的商业化进程；（整个商业网络在全生命周期连接智能工厂和智能产品）CPS 平台将提供服务和实际应用，并且能联系到所有参与的人员、物体和系统（见图0-6），同时还将拥有以下特征：
灵活性，可以提供迅速和简单流程的服务和应用，包括基于 CPS 的软件；
在AppStore模式链下实现商业进程中的调配和部署；
提供综合性强、安全可信的全商业进程支持；
保障从传感器到客户交流所有环节的安全和可靠系统；
支持移动端设备；
支持商业网络中互相协助的生产、服务、分析和预测。
在商业网络中，共享的CPS平台往往针对包括服务流程和应用在内的IT技术发展有特殊需求。CPS的横向与纵向集成、工业流程中的应用及服务往往也会诞生出一些特殊的需求。对于工业4.0来说，在整个服务网络中，重要的是需要更加广阔的规则，包容复杂的流程。在互相协作的公司间和商业网络中，应建立起共享的服务和应用。在CPS平台上，诸如物理安全与信息安全，系统可靠性与响应性、使用、操作模式的融合，实时分析和预测等特性尤为重要。在互相协作的生产和服务过程中，确立流程标准以及安全、可靠、高效的操作都离不开这些特性，同样，它们对于执行活跃的商业活动也至关重要。
CPS 还需要应对由大范围数据源和终端设备引发的各种问题。CPS 平台被公司间的 IT人员、软件和服务提供商以及公司本身所使用，需要有一个工业4.0的参考框架，该参考框架应该考虑到 ICT 和制造企业的不同特征。模式化的操作流程要求 CPS 平台开发全新的应用和服务，以此来满足那些瞬息万变的复杂变化。最后，拥有一个高带宽、安全高效的网络基础则是保障数据交换安全的关键。0.4.3 工业4.0 CPS的动态配置生产方式
工业4.0的CPS系统有一个基本特点就是它的动态配置生产方式。智能工厂里的智能生产线由一系列可以动态配置的生产模块或生产单元组成。每一个生产模块包含了许多从事生产作业的机器，所有的生产机器设备都能够通过网络实施存取相关的实时信息，并根据信息指示，自主地切换，自主地更换生产材料和在加工零件，从而自动调整为所要求的、最匹配的模式生产作业。
在智能工厂中，固定的生产线的概念已经消失，采取的是可以动态配置的、可根据需求重构的模块化生产方式。这种生产方式能够按照每个客户（单个或小批量客户）、每个产品不同要求进行设计，组织生产。所有生产环节以最匹配的方式进行，杜绝生产链中的一切浪费。与传统的生产方式不同，动态配置生产方式在生产前、生产过程中都可随时变更最初的设计方案，变更工艺路线，如图0-7所示。图0-7 智能工厂CPS动态配置生产
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