1.介绍

1.1信息物理系统简介

信息物理系统（CyberPhysicalSystem，简称为CPS）的概念最早由美国国家基金委员会于2006年提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮。信息物理系统在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化信息物理系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环机制实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、、高效和实时的方式监测或者控制物理实体，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。

1.2工业4.0简介

在人类工业发展的过程中，经历了从1.0~4.0的发展过程。工业1.0是从18世纪60年代至19世纪中期的机械制造时代，通过水力和蒸汽机实现工厂机械化。工业2.0是从19世纪后半期至20世纪初的电气化与自动化时代，在劳动分工基础上采用电力驱动产品的大规模生产。工业3.0是从20世纪70年代开始并一直延续至现在的电子信息化时代，广泛应用电子与信息技术，使制造过程自动化控制程度进一步大幅度提高。2010年德国联邦政府制定的《高技术战略2020》中提出了“工业4.0”的战略，其核心是以智能制造为主导的第4次工业革命，采用信息通讯技术与信息物理系统相结合的手段，实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，推动制造业向智能化转型。

1.3全文内容安排

信息物理系统是工业4.0的核心技术，在工业场景中有着广阔的应用前景。在中国从“中国制造”到“中国智造”、实施中国制造2025纲领和“制造强国”战略的跨越式发展过程中，信息物理系统会发挥不可忽视的作用。在这样的背景下，本文讨论了信息物理系统的基础技术、信息物理系统在工业4.0中的应用案例以及信息物理系统在工业4.0应用过程中面临的挑战。

2.信息物理系统的基础技术概述

正如信息物理系统的定义描述的那样，信息物理系统深度融合了计算、通信和控制技术。在这一章，我们会从这三个角度概述信息物理系统的基础技术。

2.1计算技术

提到计算，大家首先想到的是包含台式机和笔记本在内的计算机。基于数字信号0和1的基本操作，今天我们已经可以用计算机观看视频，预测明天的天气情况，甚至是模拟核物理实验的过程。正是不断更新换代的中央处理器给我们带来了越来越强的计算能力。今天计算的概念已经大大拓展，例如我们每天使用的智能手机的计算能力越来越强，可以运行一系列APP，实现各种功能。基于各种开源电子平台，普适计算、边缘计算等新的概念应运而生，使得计算无处不在。

2.2通信技术

通信技术可以分为有线通信和无线通信，实现信息的传输和交流。有线通信包含大家熟悉的有线电报、有线电话和有线网络等。在光纤普及之后，人类的有线通信能力达到了。无线通信又可以分为短距离无线通信和长距离无线通信。短距离无线通信有大家熟悉的WiFi、蓝牙等技术，而跟大家生活最接近的长距离无线通信包括3G、4G和即将到来的5G技术等。作为一种基础技术，通信技术还支撑着云计算、云存储等一系列应用的实现。

2.3控制技术

控制技术通过具有一定控制功能的自动控制系统，来完成某种控制任务，保障某个过程按照预想进行，或者实现某个预设的目标。控制技术可以分为开环控制和闭环控制两种。开环控制是最简单的一种控制方式，是指受控客体不对控制主体产生反作用的控制过程，也即不存在反馈回路的控制。在这种控制中，控制系统的输出仅由输入来确定。与之相对的，闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制的成本更高，但是抗干扰能力也更强。

3.信息物理系统在工业

4.0中的应用案例自从工业4.0的战略提出之后，信息物理系统作为其核心技术，已经开始在工业4.0中崭露头角。在这一章，我们以机械设备维护和生产流程优化为例，探讨目前信息物理系统在工业4.0中的应用现状。

3.1机械设备维护

在工业生产制造环境下，机械设备在不停地高强度使用下性能会随着时间衰退甚至发生故障。由于设备的故障和不的生产过程控制，当前大批量生产制造的平均生产率不足60%。为了及时排查出现故障的机械设备，传统的人工检查方式已经远远不能满足现代大规模生产的需求。信息物理系统为解决这个问题提出了新的解决思路。通过在机械设备中嵌入各种传感器，可以不断地采集能够反映机械设备生产状态的数据，并实时地将这些数据上传到云端的服务器。服务器通过分析过往的机械设备生产数据，判断目前在使用过程中的机械设备发生故障的可能性，及时发出预警，为机器提供预测性维护，从而帮助工厂减少损失。

3.2生产流程优化

结合计算机视觉、人工智能等技术，信息物理系统也可以帮助工厂优化生产流程、提高生产效率。在工业环境中使用大量的传感器采集海量的数据，可以用来预测生产环节的风险、降低材料浪费和能源消耗。例如在化工厂安装大量气体传感器，一旦发生有毒气体泄漏，系统会及时发现并发出预警。传统生产线上都安排大量的检测工人用肉眼进行质量检测。这种人工检测方式不仅容易漏检和误判，更会给质检工人造成疲劳伤害。因此很多工业产品公司开发使用人工智能的视觉工具，帮助工厂自动检测出形态各异的缺陷，从而优化质检流程。

4.信息物理系统在工业

4.0应用过程中面临的挑战尽管信息物理系统在工业4.0有着巨大的应用潜力，在其发展的道路上仍然面临着一系列挑战。在这一部分，本文从数据的保护和企业的接受程度这两个方面探讨信息物理系统面临的挑战及可能的应对方案。

4.1数据的保护

由于信息物理系统记录了大量实际生产过程的数据，并通过网络的方式进行传输。在这个过程中，难免会有重要的生产数据泄露的风险。特别是竞争对手有可能会想方设法地获取这些数据，从而盗取商业机密。处于数据保护的需求，我们可以加强信息防火墙和身份验证系统的建设。对于进出生产区域的人员，采取一卡通和人脸识别相结合的验证方式，并且对于重点区域还需要采取二次验证。在网络的使用过程中，需要对接入的终端设备做授权或者是物理地址的认证。只有在认证成功之后，才允许设备实现网络接入，尽可能保护网络的安全。

4.2企业的接受程度

尽管信息物理系统能够给生产过程带来一系列好处，它也可能使得原本生产过程中隐含的问题暴露出来，而这些问题是企业不愿意看到的。例如对于一些重污染企业而言，一旦部署了基于传感器的信息系统，生产过程中产生的污染情况就会被系统如实地记录下来。一些企业出于护短的心态，有可能会不愿意接受信息物理系统。面对这样的情况，一方面我们需要让这些企业家意识到解决问题比掩盖问题更加重要，而通过信息物理系统正是可以帮助他们改进原有的工艺和流程；另一方面，我们也要应用相应的法律措施，淘汰那些生产工艺落后又不愿改善的企业，才能促进中国制造业的整体提升。

5.结论

在中国“制造强国”战略的背景下，本文讨论了信息物理系统的基础技术、信息物理系统在工业4.0中的应用案例以及信息物理系统在工业4.0应用过程中面临的挑战。尽管信息物理系统能够给企业带来一系列好处，但也面临着数据保护要求更高、企业不接受等难题。为此，信息物理系统需要采取更加严格的身份验证方案，并且在推广和应用过程中采用教育手段和法律手段相结合的方式。本文认为信息物理系统方兴未艾，未来还需要进一步的研究和实践。