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【智能制造】朱铎先：打造基于CPS理念的智能MES系统

2017/10/2 8:20:37 人评论次浏览来源：产业智能官分类：新闻

下面谈一下我对CPS的基本认识以及基于CPS理念在数字化车间方面的实践，不当之处请大家批评指正。

一，CPS是企业实现智能制造的重要抓手

CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical Systems)的缩写，是工业4.0的核心。针对CPS的概念，笔者曾在2015年7月13日《人民邮电报》上发表过《赛博物理系统：智能制造“炼金术”》一文，下面摘抄其中部分内容与大家分享。

CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作，通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。在制造业中，通过CPS系统，将智能机器、存储系统和生产设施融入到整个生产系统中，并使人、机、料等能够相互独立地自动交换信息、触发动作和自主控制，实现一种智能的、高效的、高质的、个性化的生产方式，推动制造业向智能化转型。

　　CPS 3C模型

CPS源于美国，却因德国工业4.0而风靡全球。CPS在我国也得到高度重视，在《中国制造2025》中明确强调：“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”，CPS已经成为智能制造的核心支撑技术与重要抓手。

2017年3月1日，工信部正式发布《信息物理系统白皮书(2017)》(以下简称“白皮书”)，白皮书中对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述，并对CPS进行了三个层次的明确划分，即单元级、系统级、SoS级(系统之系统)，分别以“网”、“平台”为标准，从功能范围上界定了CPS的分级。白皮书的发布对CPS在中国的快速发展起到了积极的推动作用。

白皮书对CPS三个层次的划分

笔者经过深入研究后认为，这种划分只是从横向上进行了一维的定义，在指导落地方面尚显不足，还应该从其他维度进行定义与划分，通过多维度定义、组合、演进，将CPS进行进一步分类，简化其复杂性，降低其落地难度，形成更多易于落地的解决方案，从而更好地指导、促进智能制造的发展。

为此，笔者从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS，并衍生出九种CPS落地方案的方法，称之为“CPS二维九格定义法”。

	单元级	系统级	SoS级
初级智能	初级智能/单元级	初级智能/系统级	初级智能/SoS级
恒定智能	恒定智能/单元级	恒定智能/系统级	恒定智能/SoS级
开放智能	开放智能/单元级	开放智能/系统级	开放智能/SoS级

CPS二维九格定义法

上面纵向的三个智能等级是依据笔者共同编著的《三体智能革命》一书中的定义，请见下图。

通过以上划分，我们就可以发现CPS在制造业的应用潜力是巨大的，下面举三个例子。

恒定智能/单元级：如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化，基于知识的决策，在较小载荷的情况下自动增大进给速率，在较大载荷的情况下又会减少进给速率，达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点，并且具有不可再分割的特点，所以是一种恒定智能/单元级系统。这类CPS在智能产品中有很广阔的应用场景。

恒定智能/单元级：机床自适应切削系统

恒定智能/系统级：如智能车间/产线。通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、工业大数据分析与可视化展现，并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理，设备、物料、质量等出现问题时，系统会自动通知相关人员，甚至自动进行声光电等报警措施，实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策(准确地说，这里是部分自主决策，有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策)与精准执行，实现了设备等物理世界与MES等赛博世界的深度融合，可以算是一种典型的恒定智能系统级CPS。这种级别的CPS是智能制造中性价比较高且较易实现的CPS系统,是制造业应重点关注的领域。

恒定智能/系统级：智能车间/产线

开放智能/SoS级：系统既具有自认知、自学习等高级智能特点，还具有多系统协同优化的特点，典型的如GE的PREDIX系统等。这是非常复杂、高级的SoS级CPS系统，这类系统具有很好的先进性、前瞻性，但对制造业而言，具有技术难度大、投资大、风险大等特点，建议制造业学习其先进理念，但不要盲目追风。

开放智能/SoS级：工业互联网

二，从6个方面打造基于CPS理念的智能MES系统

兰光创新自2002年成立以来，一直致力于数字化车间建设，在航天航空、军工电子、机械制造等行业有500多家客户，在CPS方面也做了很多的探索。

在公司十多年数字化车间研发的基础上，兰光创新充分借鉴德国工业4.0等先进思想，基于CPS理念，打造了一套国内领先的“设备自动化+管理信息化+生产精益化+人员高效化”的智能MES系统，很好地体现了CPS理念在数字化车间的应用，下面与大家一同分享一下。

首先，德国工业4.0中的纵向集成实质上就是一套虚实融合的系统级CPS。

工业4.0中纵向集成的全称为“纵向集成和网络化制造系统”，是工业4.0的基础，其实质是“将各种不同层面的IT系统集成在一起(例如，执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面)”(摘自德国工业4.0战略计划实施建议)，也就是说将企业内不同的IT系统、生产设施(以数控机床、机器人等数字化生产设备为主)进行全面的集成，目的是建立一个高度集成化的系统，为将来智能工厂中数字化、网络化、智能化、个性化制造提供支撑。

我们先从德国人精心绘制的纵向集成示意图上分析一下。

该图可理解为由三部分组成：

左上角，在绿色的云丛之中有三个服务器，表示企业要实施信息化系统，并做到信息化系统之间的深度集成，还表明将来这些系统有可能部署在云端。

在这个图的中央，德国人用更大的篇幅展现了各种生产设备，并用显眼的Wifi符号表明了这些设备是具有网络通讯功能的数字化设备，力图说明实现数字化设备的互联互通是企业纵向集成的重要组成部分。

在图的右侧是一个计算机，表明这是信息化系统，而计算机内的设备之间用虚线连接起来，明显地告诉我们，这些设备之间实现了互联互通。该部分是说明了物理设备在互联互通的基础上，还要实现与信息化系统的深度集成。

因此，纵向集成可理解为三个层面：

1)企业内部的ERP/PLM/MES/APS/DNC/MDC等信息化系统之间的深度集成;

2)通过设备联网、采集、分析、展现等手段，将各种生产设备建成网络化、集中管控的设备网络化管控系统，实现设备的互联互通;

3)信息化系统与设备层之间，通过指令下发、状态反馈、动态调整等功能，实现信息系统与物理设备之间的深度集成。

站在车间角度，我们可以将纵向集成可以分为三部分，一部分是围绕“人”的信息化系统，即狭义上的MES系统，包括车间计划、排产、物料、质量等模块的信息化管理系统，第二部分，是围绕机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试设备等物理实体的互联互通。第三部分是物理设备与MES系统的深度融合。

这三部分实质就是一个虚实融合(设备物理实体与信息化赛博虚体)系统级的CPS系统，也可以称之为广义上的智能MES系统。

其次，兰光智能MES系统将以上理念完全体现在软件系统中。

在领先的数字化车间解决方案的基础上，结合工业4.0等先进理念，兰光创新在国内首次提出了“六维智能理论”，即从6个维度的“智能”打造中国特色的智能MES系统：智能计划排产、智能生产过程协同、智能设备互联互通、智能生产资源管控、智能质量过程控制、智能大数据分析与决策支持。分别从计划源头、过程协同、设备底层、资源优化、质量控制、决策支持等6个方面着手，实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、网络化的智能化管理与控制，从而实现“物理实体与赛博虚体虚实深度融合”的系统级CPS系统。

“六维智能 ”模型

以前，我们都是从MES功能角度讲解“6维智能”，今天我们用CPS的视角分析一下，兰光创新是如何基于CPS理念打造智能MES系统的。

1)智能互联互通——实体联接赛博

通过实施设备物联网系统，将车间中的机床、机器人、AGV、热处理设备等数字化设备实现互联互通，包括加工程序的网络化传输、设备状态的远程自动采集、工业大数据智能化分析与可视化展现，生产设备由信息化孤岛变为一个个信息化节点，物理设备融入到赛博空间，构成了一个设备级的CPS系统，这是智能MES的物理基础。

物理实体联接赛博空间

　　2) 智能资源管理——赛博管理实体

通过MES系统对生产资源(物料、刀具、量具、夹具等)进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等管理，在赛博空间实现对物理空间的库存进行精益化管理，有效地避免因生产资源的积压与短缺，可最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误，也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本居高不下的问题。

　　赛博管理实体

3) 智能生产协同——赛博协同实体

十几年来，兰光创新已经为500余家军工等企业实施了设备物联网系统，根据这些一手的数据，我们发现绝大部分企业的机床利用率徘徊在30%左右，远低于日本80%，欧美70%的水平。经过分析发现，企业机床利用率低的原因主要原因是串行准备，比如工人忙于编程序、模拟轨迹、找刀、找料、装夹等各种辅助活动，机床真正干活的时间却少之又少。

早在2009年，兰光创新就提出协同生产的理念，通过信息化手段，以设备为中心，工人、库房、技术、检验等相关人员并行准备、协同生产，这样，通过智能化的生产协同管理，将串行工作变为并行工工作，从而明显地减少设备等待时间，提升了设备的利用率，缩短了产品生产周期。

赛博协同实体

4)智能计划排产——赛博优化实体

通过APS高级排产算法，按照交货期、同一订单优先等多种排产方式，将每一道工序、分解到每一设备的每一分钟，可最大程度地减少交期延误，以及最大程度从整体上提升设备的有效利用率。只有从源头上做到计划的优化，才能保证生产过程的有序、高效。

　　赛博优化实体

5) 智能质量控制——赛博控制实体

困扰中国很多企业的质量问题，不是不能生产出高质量的产品，而是产品质量不稳定，找不出内在规律与关键原因，企业不知道如何提升。

通过对熔炼、压铸、热处理、涂装等数字化生产设备进行数据采集与智能化管理，对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等功能，可实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制，确保产品生产过程完全受控。

赛博控制实体

当生产一段时间，质量出现一定的规律时，通过对工序过程的主要工艺参数与产品质量进行综合分析，为技术人员与管理人员进行工艺改进提供科学、量化的参考数据，在以后的生产过程中，避免不好的参数，确保最优的生产参数，从而保证产品的一致性与稳定性。

　　6) 智能决策支持——赛博交互实体

通过对生产过程中的设备、生产、质量、库存等多维数据的采集、分析、挖掘、展现，为各类人员提供科学、直观的各类图形、报表，在赛博空间实现对物理实体的同步展现与人机交互。

赛博展现实体

由于兰光MES模块众多，功能庞大，我们这里只是从6个方面以点带面地对CPS的一些理念进行了阐述。

我们通过进一步研究可以发现，在CPS视角中，兰光智能MES中的6个动词分别是联接、管理、控制、协同、优化、交互，如果用英文表达，可分别使用Connect(联接，包含通讯、采集等技术内容，也包含物与物的联接，如物联网，人与人的联接，互联网等，都属于联接范畴)，Manage(管理)，Optimize(优化)，Collaborate(协同)，Control(控制)，Interact(交互)，首字母可组合为COMICC，笔者称之为CPS COMICC模型。CPS传统的3C模型(Communication(通讯)、Computing(计算)、Control(控制))总体上停留在技术层面，没有体现联接、管理、优化、人机友好等层面的含义，相对3C模型，笔者认为COMICC模型内容更丰富，应用场景更清晰，对制造业有更强的落地指导性。

CPS COMICC模型

兰光智能MES系统正是在以上理论的指导下，结合企业的实际情况，经过多年潜心研发而成，已经在众多单位得到成功应用，并荣获“2016年度工业大数据十大创新引领”、“2016年度中国工业软件优秀产品奖”等荣誉。实践证明，CPS这些理念对数字化车间及MES的建设是非常重要的，也是很有指导意义的。

三，CPS在数字化车间中的实践应用——打造车间级CPS，实现数据的自由流动

下面举一个具体应用案例。

宁夏共享集团始建于1966年，是宁夏50户工业龙头企业之一、出口创汇骨干企业和利税大户。企业同时也是国家级技术中心，近三年连续被评为中国机械工业企业核心竞争力100强企业，多次获得美国通用电气、西门子最佳供应商。自1992年以来，连续十余年，在铸造产品的行业评比中持续获得第一名或金奖，是中国专业铸造企业的排头兵。

产品主要包括能源设备铸件(燃气轮机、蒸汽轮机、水力发电设备、核电设备等)、压缩机铸件、近海石油设备铸件、造船设备铸件、通用机械类铸件，以及燃汽轮机、蒸汽轮机、风力发电、重型机械、通用机械等的机械加工、装配以及金属模具制作。

经过多年的信息化建设，共享集团已经实施了ERP、PLM、TDM等多个信息化系统，为集团经济效益的提升提供了强有力的保障。但是车间层面还处于信息化“真空状态”，制约了企业的快速发展。针对这种情况，企业决定从车间数字化建设方面进行突破。希望通过生产设备的互联互通，实现设备的网络化生产，并在此基础上打造智能化的MES系统，从而实现人、机、IT系统的深度协作。

2012年，兰光创新为共享集团实施了国内领先的MES(制造执行系统)、APS(高级排产系统)、DNC/MDC(设备联网与数据采集)系统，并通过与ERP、PLM等系统的深度集成，实现了数据在信息化之间、物理设备之间的自由流动。

实现数据自由流动的车间级CPS

产品在PLM中使用CAD进行三维设计，在ERP做出主生产计划，计划被MES接收后，经APS(高级排产系统)自动生成最优的作业计划，可以具体到每一工序、每一设备、每一分钟，机床需要的加工程序直接通过DNC系统传输到机床里，通过MDC系统实时采集机床状态、加工进度，基于这些数据基础上形成智能化的决策分析与可视化展现，并通过MES系统反馈到ERP系统，实现企业闭环的管理。

本项目虽然是几年前实施的，那时候还没工业4.0等概念，但我们可以看出，本案例与今天“工业4.0”的理念是不谋而合的：实现了信息化系统之间的深度集成，生产设备之间的深度集成，生产设备等物理世界与信息化等赛博世界的深度融合，这是COMICC模型的具体应用，也非常符合工业4.0中的CPS(赛博物理系统)以及纵向集成等思想。

由于在智能制造方面取得的优异成绩，共享集团被评选为工信部2015年46个智能制造试点示范项目之一，以及国内唯一的铸造行业智能制造试点示范企业。其先进事迹被中央电视台、人民日报、新华社、光明日报等顶级媒体纷纷报道，每天来自全国各地的参观学习者络绎不绝。2016年2月，李克强总理视察该企业时，对企业进行了高度评价，称赞企业由 “傻大黑粗”转型升级成为了“窈窕淑女”， “展示了‘中国制造2025+互联网’的融合，是新旧动能转换的生动体现。”

四，结束语

以上是笔者对CPS的一些浅显的理解及具体实践，希望对大家有所启发。

笔者相信，随着大家对CPS认识加深与实践的深入，作为智能制造核心支撑技术的CPS，必将在中国智能制造转型升级中发挥越来越重要的价值。

谢谢大家!

作者简介：

朱铎先，北京兰光创新科技有限公司创始人、董事长，致力于制造信息化研究20余年，《三体智能革命》作者之一。提出“CPPS人机网三元战略”、“六维智能工厂”、"CPS二维九格落地方案"等工业4.0落地理论。是工信部、人社部智能制造授课专家。

兰光创新是国内第一家提供DNC/MDC/APS/MES数字化车间整体解决方案的公司，拥有军工、机械制造等500多家高端客户，是智能制造领域引领者。

延展阅读：工业4.0术语：CPS赛博物理系统（上）

知识自动化

英文：Cyber-Physical Systems

中文：赛博物理系统（不建议叫做：信息物理系统）

德国人提出的工业4.0中，CPS（Cyber-Physical Systems）居核心地位。对于这个概念，充满了各种解读。而最重要的一个误区之一，就是它被翻译成“信息物理系统”——这种说法，有些背离了它原本的含义。

该词条详细解读CPS的本意，分为上下篇。本文为上篇。

CPS的由来

在全球范围内，无论是德国工业4.0，还是美国工业互联网，以及“中国制造2025”等等提法很多；尽管各不相同，CPS是一个始终无法回避的概念。现在国内把CPS译成“信息物理系统”。这种译法虽然简易，但并不确切，因其没有对Cyber进行正确的理解。

1948年“控制论”的开创者维纳，如神来之笔，援引希腊语单词并创造了“Cybernetics”一词，意思为控制。随后这个词真的“控制”了许多领域，并主宰多年。在上世纪九十年代后的很长一段时间，Cyper又被称作3C（控制、通信、计算）。现在Cybe常作为前缀，代表与Internet或电脑相关的事物，即采用电子或计算机进行的控制。

从Cyber的本意来看，它实质是一种实现控制的机制（或机构），是藉由信息，来控制物质、能量和信息。而“信息”只是被控制载体，并不是控制结构和控制机制。因此，把Cyber译成“信息”，偏离了它真正的指向。就像我们提起足球运动，不能把它简单地理解为那个黑白相间的球体（ball），而必须把它理解为基于一种特定规则基础上的球类运动。从“编程”的角度看来，Cyber是“控制机构”类。

工四术语100 解读

CPS赛博物理系统，一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、协作和智能化的方式操控一个物理实体。

在这个语境下，Cyber应该有几个含义：控制、通讯、协同、虚拟；而这些含义中都包含了计算。

要全面而准确也理解这些含义，对CPS才可以形成全面而深刻的认知，并在理解它的基础上实施智能制造，才不会出现偏差。

CPS的认识

CPS源自军方推动

由于太空探索经常需要派无人飞行器执行各种危险的任务，因此NASA在1992年率先提出并定义了CPS（Cyber–Physical Systems）的概念。

其后这个概念因为一个危机事件而被美国政府高度重视。1993年，数百名美国特种部队在索马里首都摩加迪沙的军事行动中被数千名索马里民兵围攻，结果造成19名美军死亡，73人受伤，事后索马里民兵将美军士兵尸体吊在桥上向全世界展示。该事件极大地刺激了美国民众和美国政府。

由于CPS技术可以让士兵在安全的军事基地中远程控制各种武器装备执行危险的作战任务，大大降低部队的伤亡，因此很快引起美国国防部（DoD）的重视。2006年美国国家自然科学基金会（NSF-The US National Science Foundation）的海伦、吉尔把CPS（赛博物理系统）定义为：“赛博物理系统是在物理、生物和工程系统中，其操作是相互协调的、互相监控的和由计算核心控制着每一个联网的组件，计算被深深嵌入每一个物理成分，甚至可能进入材料，这个计算的核心是一个嵌入式系统，通常需要实时响应，并且一般是分布的。”

在美国国防部的推动下，美国将CPS技术从太空探索引入到军事领域，其无人机作战系统能够在军事基地控制数千公里外的无人机，对目标进行侦察、打击，很大程度上得益于美国无人机系统利用CPS技术随时获取了所需要的地空信息，在军事基地的控制端就可以对无人机侦察、打击所需要的各种要素进行评估，并进行了数字化的展示，这就是CPS在军事领域的具体应用成果。

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的《站在风暴之上》报告问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将赛博物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）列为重要的研究项目。

2006年美国国家自然科学基金会（NSF）将CPS技术列为其重要研究项目开展研究。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。

等到2013年德国工业4.0开始大热，做为其基础支撑理念的CPS则受到广泛关注，这个词已经彻底成为“制造业明星词”了。

应用的重点领域

从上面的CPS历史回顾我们可以看出，CPS是因为控制而兴起，由于计算而发展壮大，借助互联网而普及应用。飞机，特别是无人机（很多场合甚至直接叫做空中机器人），就是CPS应用的重点领域之一。

无人飞机具有非常完整、强大的基于计算机的控制系统；是一个具有高度智能的产品。飞机上安装了大量计算机之后，每台计算机各司其职，随时处理大量的内部和外部信息。对外部信息如：机场塔台指挥、航线、气像、高度、空速、到达目的地时间等；而内部信息则包括飞机质量质心变化、机翼机身温度和积冰、发动机燃油消耗、温度火灾巡检报警等作实时监测。

这些都是状态感知，当把数以千计的状态数据采集送到计算机后，可以按照设定好的算法进行实时的综合分析计算，给出最优的飞行数据（这是机器自主决策），通过赛博系统反馈给飞机的各个飞控设备（这是机器精准执行），控制飞机的空中姿态始终处于最好的状态；与此同时，综合后的信息发送给地面的飞行控制人员，在飞行控制人员面前的大屏幕液晶显示器上展现，特殊情况或者紧急情况直接由飞行控制人员直接介入，由人工直接决策。

这样，以前无人机飞行全部靠地面飞行控制人员完成的工作，现在已经基本上靠计算机完成了，而且这个过程不断演变，人的工作越来越少，越来越轻松。在飞机上强大的计算机的支持下，飞机达到了高度智能的状态，计算机可以瞬间完成飞行员无法在短时间内完成的计算工作，让飞机更加安全可靠。

从产业角度看，CPS涵盖了小到智能家庭网络，大到智能交通系统、工业控制系统等应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是比如说将现有设备简单地连接，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。回到智能制造系统中来，CPS内容博大精深，它大到包括整个工业体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的基础——不能正确理解CPS，就很难完整地理解智能制造。

我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用；同时也要认识到，根据目前人工智能的进展，技术尽管很重要，但是“人”仍然是整个智能制造的最为重要的因素。只有把人整体地融入到赛博物理系统中，有机结合在一起，才能提升我国制造业的整体发展水平。

中国企业在这轮的转型升级浪潮中，将一些复杂的高附加值的产品CPS化（如远程监测系统、设备健康维护管理系统、等）是一个可行的方向，而对于制造过程，需要根据行业的装备水平、传感水平、投入产出来确定哪些生产资源可以进行CPS化（改造），然后分步实现生产过程的智能化转型升级。

延展阅读：工业4.0术语：CPS赛博物理系统（下）

知识自动化

英文：Cyber-Physical Systems

翻译：赛博物理系统不可翻译成：信息物理系统

该词条解读分为上下两篇，本文为下篇。

CPS与各系统的关系

CPS是多学科的融合，涉及跨学科的理论，将控制论的基本原理，机电一体化设计，设计与流程科学融合在一起。

控制系统：如今基于嵌入式系统的工业控制系统遍地开花，但是这些控制系统基本是封闭的系统，网络内部各个独立的子系统或者说设备很难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。CPS则强调与外界的互联，包括通过互联网进行信息的采集和传递。由于CPS包含控制的思想，其算法有别于传统的控制算法，更高级的人工智能算法应用也在其中。

嵌入式系统：在嵌入式系统中，重点往往是更多的计算单元，在计算单元和物理单元之间的强交互更少。CPS也类似于物联网（IoT），有相同的基本架构，然而，CPS对物理和计算单元之间的交互提出较高的结合和协同。不同于传统的嵌入式系统，一个完整的CPS通常设计为一个相互作用的元素的物理输入和输出，而不是作为独立的网络设备。并且随着科学和工程的不断推进，采用智能机制将明显提高计算单元和物理单元的联系，大大提高了CPS的适应性、自主性、效率、可靠性、安全性、功能性和可用性。

物联网：流行的观点CPS包含物联网。实际上，从二者是从不同的角度来描述物理世界和虚拟世界的融合系统（Digital Twin），物联网是其外在表现形式，CPS是其技术内涵。CPS强调循环反馈，要求系统能够在感知物理世界之后通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用。二者为一体两面。而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。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用。

工业互联网：从本质内容来看，CPS等同于工业互联网。CPS与工业互联网的本质都是基于传感器、处理器、执行器、信息网络、云计算、大数据将现实的物理世界映射为虚拟的数字模型，通过基于高级算法的大数据分析，将最优的决策数据反馈给物理世界，优化物理世界运转效率，提升安全水平。从应用领域来看，CPS涵盖工业互联网。工业互联网强调的是对工业生产系统的感知、互联和计算，实现对生产过程和产品服务的优化。CPS在包含工业生产系统之外，还包含对交通、医疗、农业、能源等其它生产生活领域的应用。从技术侧重来看，CPS与工业互联网略有差异。虽然CPS与工业互联网在本质内容和组织要素上是一致的，但从NIST的《愿景申明》中可以看到，CPS特别强调对嵌入式计算、分布式控制系统的应用，工业互联网强调对互联网、云计算平台和大数据技术的应用。因此，在技术侧重方面，CPS与工业互联网略有差异。

CPS在工厂中的应用

CPS更像是一种类似于六西格玛DMACI的管理思想，而这个思想是依赖嵌入式系统、物联网技术、互联网技术、人工智能、控制理论（闭环控制思想）予以实例化。

再来谈谈CPS的作用对象（定义中为一个物理实体），就是我们要把什么CPS化（enable），从工业4.0的角度看，德国把生产设备作为CPS化的重要对象，如设备可以感知产品的类别，并据此进行工艺参数和控制参数的自动调整。而GE提出的工业互联网，则把产品作为CPS化的最典型应用，如飞机发动机可以采集运行数据发送到云端，云端对其进行运行分析，并予以优化运行建议和回馈。

笔者认为智能工厂需要CPS化的物理实体不仅仅是设备，而是应该对涉及产品生产的5M1E（人、机、料、法、环、测）予以全面CPS化。比如通过对携带RFID的人的移动轨迹的采集分析，提出更精益的操作规程，并通过穿戴设备提供给员工，最典型的如现场的物料配送人员；还有通过现场工艺参数（如热处理温度）的实时采集，并通过大数据分析，给出工艺参数优化的指导。

如何进行CPS设计

设计CPS的框架

CPS的发展面临的挑战是在设计实践中涉及到的各种工程学科，如软件和机械工程之间的巨大差异。另外控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。迄今为止，还没有产生设计CPS的“语言”。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。因此，各学科的工程师需要能够研究系统协同设计，分配物理单元和计算单元的职责。

CPS可基于5C架构进行设计（连接、转换、网络、认知、配置）。“连接层”：设备可以自我连接和自我的行为感知。“转换层”：从连接的设备和传感器的数据，采用自我感知和预测功能来感知设备的关键问题和状态。“网络层”：每台设备创建自己的“双胞胎”，即数字模型，并进行自我比较和评价。在“认知层”：自我评价和自我评价的结果将提交给人或人工智能，进行决策分析。在“配置层”：机器或生产系统可以自我配置、自我调整和自我优化，实现柔性配置。

延展阅读：工业4.0通讯协议OPC UA关键知识点

来源：土人创新

1.什么是OPC UA？

OPC UA基于OPC基金会提供的新一代技术，提供安全，可靠和独立于厂商的，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。通过OPC UA ，所有需要的信息在任何时间，任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用。这种功能独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统。 OPC UA是目前已经使用的OPC 工业标准的补充，提供重要的一些特性，包括如平台独立性，扩展性，高可靠性和连接互联网的能力。 OPC UA不再依靠DCOM，而是基于面向服务的架构(SOA),OPC UA的使用更简便。现在，OPC UA已经成为独立于微软,UNIX或其他的操作系统企业层和嵌入式自动组建之间的桥梁。

2.OPC UA的优势有哪一些？

与平台无关，可在任何操作系统上运行
为未来的先进系统做好准备，与保留系统继续兼容
配置和维护更加方便
基于服务的技术
可见性增加
通信范围更广
通信性能提高

3.OPC UA的主要特点是什么？

1）访问统一性

OPC UA有效地将现有的OPC规范（DA、A&E、HDA、命令、复杂数据和对象类型）集成进来，成为现在的新的OPC UA规范。 OPC UA提供了一致、完整的地址空间和服务模型，解决了过去同一系统的信息不能以统一方式被访问的问题。

2）通信性能

OPC UA 规范可以通过任何单一端口（经管理员开放后）进行通信。这让穿越防火墙不再是OPC通信的路障，并且为提高传输性能， OPC UA消息的编码格式可以是XML文本格式或二进制格式，也可使用多种传输协议进行传输，比如：TCP和通过HTTP的网络服务。

3）可靠性、冗余性

OPC UA的开发含有高度可靠性和冗余性的设计。可调试的逾时设置，错误发现和自动纠正等新特征，都使得符合OPC UA规范的软件产品可以很自如地处理通信错误和失败。 OPC UA的标准冗余模型也使得来自不同厂商的软件应用可以同时被采纳并彼此兼容。

4）标准安全模型

OPC UA 访问规范明确提出了标准安全模型，每个OPC UA应用都必须执行OPC UA安全协议，这在提高互通性的同时降低了维护和额外配置费用。用于OPC UA应用程序之间传递消息的底层通信技术提供了加密功能和标记技术，保证了消息的完整性，也防止信息的泄漏。

5）平台无关

OPC UA软件的开发不再依靠和局限于任何特定的操作平台。过去只局限于Windows平台的OPC技术拓展到了Linux、Unix、Mac等各种其它平台。基于Internet的WebService服务架构 (SOA) 和非常灵活的数据交换系统， OPC UA的发展不仅立足于现在，更加面向未来。

4.OPC UA 服务器体系结构？

OPC UA服务器体系结构中主要包括真实对象、OPC UA服务器应用程序、OPC UA地址空间、公布/预定实体、OPC UA服务器服务API、OPC UA通信栈，其中真实对象包括物理对象和软件对象。

5.OPC UA服务器的链接机制？

一个服务器可作为一个客户与另一个服务器进行交互：

由此，通过OPC UA 服务器，企业容易实现现场层到企业层的数据访问。

6.OPC UA 服务器与现有OPC 服务器比较如何？

1) 可互操作性:集成了现有OPC 各自独立的API，增强了可互操作性。

2) 开放性:增加了对Linux/Unix 等其他非微软平台的支持。

3) 安全性:增加了服务器的鉴别与授权、消息的签名与加密，提高了安全性能。

4) 集成能力:服务器间的链接机制使得更容易实现现场层到管理层的集成，诸如实现MES，ERP 系统，更适合作为系统的集成工具。

5) 可靠性:利用冗余技术、消息序列号、生存保持期等方法，提高了可靠性。

7.OPC UA 适用场合有哪些？

OPC UA规范为独立于平台的通讯和信息技术创造了基础。UA 技术具有可升级性、网络兼容性、独立于平台和安全性等特点。因此，它可广泛应用于控制系统、MES（制造执行系统）以及 ERP（企业资源计划系统）。

8.OPC UA 对象模型？

现有OPC API 定义的对象是相互分离独立的，OPC UA 通过OPC UA 对象模型，实现了对各个对象服务的集成。对象模型是通过对象的变量、方法、事件及其相关的服务来表现对象的。

变量：现有OPC DA API

方法：现有OPC Commands API

事件：现有OPC A&E API

变量表示对象的数据属性，它可以是简单值或构造值。变量有值特性、质量特性和时间戳特性。值特性表示变量的值，质量特性表示生成的变量值的可信度，时间戳特性表示变量值的生成时间。

方法是被客户调用执行的操作。它分为状态的和无状态的。无状态是指方法一旦被调用，必须执行到结束，而状态指方法在调用后可以暂停，重新执行或者中止。

事件表示发生了系统认为的重要事情，而其中表现异常情况的事件被称为报警。

通过对象模型实现了数据、报警、事件以及历史数据集成到一个单独的OPC UA 服务器中。例如，OPC UA 服务器把一个温度传送器视为一个对象，它由一个温度值，一组警报参数和相关的警报界限组成。

延展阅读：跨平台交互OPC UA，助推智能制造发展进程

来源：电气技术

2017年9月5日，“GB/T 33863.1～.8-2017《OPC统一架构》发布报告会暨OPC UA认证测试实验室授权仪式”在北京圆满落幕。会上，国家标准化管理委员会正式发布《OPC统一架构》（8个部分）成为中国推荐性国家标准，同时OPC基金会与联合机械工业仪器仪表综合技术经济研究所《OPC产品认证测试合作协议》，并宣布在中国建立OPC认证测试实验室。

《OPC统一架构》的引进与落地，标志着OPC UA将全面进入中国智能制造行业市场，有助于解决当前我国智能制造实施过程中异构系统信息集成难的问题，更好地支撑我国智能制造标准体系建设。

随着世界经济的快速发展，智能制造将给所有产业带来转型与冲击，也将引领全球制造业发展模式的转型与创新，制造业向自动化、透明化、智能化的转型是必然选择。其中，制造业现场的数据采集、数据传输、数据显示、数据存贮以及数据的分析应用是基础，这无疑需要数据采集、通信技术标准和基础信息软件平台的技术支撑。

OPC UA（OPC UnifiedArchitecture）是OPC基金会创建的最新一代技术，用于安全、可靠及独立于供应商的，从传感器和现场层传输原始数据和预处理的信息与控制系统和生产规划系统，实现不同操作系统和不同制造商设备之间的数据交互。2007年，工业自动化系统中提出了面向服务架构（SOA）的思想，OPC UA，即集成了Web服务和安全统一的数据模型，为不同性能等级、跨平台交互提供了完整的解决方案。

OPC UA采用基于语义和面向服务（SOA）的架构，以统一的架构与模式，既可实现设备底层的数据采集、设备互操作等的横向信息集成，还可实现设备与SCADA、SCADA与MES、设备与云端的垂直信息集成，在当今工业网络系统跨网络、跨平台的通讯方式中，OPC UA已经成为连接企业级计算机与嵌入式自动化组件的“桥梁”。同时，在其他市场中，如IT、物联网，OPC UA也越来越受到青睐。

2016年以来，《中国制造2025》由文件编制阶段逐渐迈入全面实施新阶段：至2020年，基本实现工业化，制造业信息化水平大幅提升；至2025年，制造业整体素质大幅提升，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。为贯彻落实《中国制造2025》战略，《智能制造发展规划（2016-2020）》指出，加快智能制造装备发展，建设智能制造标准体系，构筑工业互联网基础，加大智能制造试点示范推广力度，推动重点领域智能转型，推动中小企业智能化改造等，全面推动我国智能制造发展。

OPC UA是解决智能制造互联互通互操作的关键支撑技术，可实现工厂内IT系统与OT系统的有效集成。基于对象的信息建模，OPC UA可以将一个具体对象相关的所有数值、操作方式、历史等信息进行打包的同时，加入“描述数据的数据”，即元数据（Metadata），实现信息的真正传递。

在自动化行业，专家们很早就认识到OPC通信跨越计算机边界的必要性。在通信性能方面，OPC UA针对不同场合，不仅设定了传统的TCP传输二进制方法，同时还设定了优化的SOAP来传输XML的方法。通过后者，可以使用通用的80端口来进行传输数据，而80端口正是Web使用的端口，这意味着OPC UA甚至具备将数据上传至Internet的能力。

在信息安全性方面，OPC UA访问规范明确提出了标准安全模型，每个OPC UA应用都必须执行OPC UA安全协议，这在提高互通性的同时降低了维护和额外配置费用。此外，用于OPC UA应用程序之间传递信息的底层通信技术提供了加密功能和标记技术，保证了信息传递的完整性与安全性。

据了解，IEC 62541OPCUA技术规范是一个系列标准，共12个部分），9月5日发布的推荐性国家标准是前8个部分，剩余的4个部分标准的转化工作也已陆续启动。

此外，联合机械工业仪器仪表综合技术经济研究所被授权建立当前中国唯一的“OPC认证测试实验室”，该实验室将依据OPC技术规范对国内外的OPC产品，包括基于OPC Classic架构和OPC-UA统一架构的服务器、客户端以及服务器&客户端一体化产品）开展认证测试服务，以最大程度保证国内外OPC/OPC UA产品的一致性、互操作性、可靠性和可用性。

（作者：《电气技术》杂志记者，刘星）

新一代技术+商业操作系统：

AI-CPS OS

在新一代技术+商业操作系统（AI-CPS OS：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPSOS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：

重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？

AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：

精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：

创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：

超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新
评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开
发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临
较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。” 《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。

如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！

新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

产业智能官AI-CPS

用“新一代技术+商业操作系统”（AI-CPS OS：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能），在场景中构建状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的认知计算和机器智能；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。