德国在正式提出工业4.0概念之前，对德国的核心竞争力进行了深入的分析，在Acatech针对CPS的一个名为agendaCPS项目中，Acatech明确提出了基于嵌入式系统的演进技术——CPS将是德国继续领先未来制造业的技术基础。工业4.0研究院CPS研究中心对德国agendaCPS报告进行了编译，分享给行业人士，共同探讨学习。

     嵌入式的硬件和软件系统是德国工业出口和新兴市场创新的决定性驱动力。这些系统提供更多功能，从而增加汽车、飞机、医药设备、生产设备和家用电器的实用价值和竞争力。如今，有98%的微处理器嵌入设备中并通过传感器和触发器与外部世界连接。这些微处理器相互的连接和与互联网的连接日益增加。物理世界和虚拟世界（网络世界）正在融合。人们建立信息物理系统，系统中的产品、设备和物体与嵌入式的硬件和软件互动，这种互动不受单个应用的限制。

     上述信息物理系统成为未来全球网络世界的组成部分。在传感器的帮助下，这些系统处理来自物理世界的数据，并将数据用来提供基于网络的服务，这反过来对信息物理系统产生直接影响。通过信息物理系统，物理世界与虚拟世界连接，形成了“物、数据与服务联网”。

     早期的信息物理系统，例如联网的导航软件，如今仍然存在。这些导航软件在移动通信数据的帮助下筛选实时交通堵塞信息，提供更好的导航服务。更多的例子包括航空电子和铁路运输领域的交通辅助和控制系统。在这些例子中，信息物理系统自动实施控制。

     未来的信息物理系统将在安全、效率、舒适度和健康方面带来前所未有的好处，从而有助于解决我们社会的重要挑战，几个重要的应用领域包括：人口老龄化、资源有限、人口流动或者向可再生资源的转移。

     未来，信息物理系统作为智能电网的组成部分，将控制由多家可再生能源生产商组成的能源网络；未来，信息物理系统将通过协调使交通更安全并且减少二氧化碳排放量；现代智能医疗系统将把病人和医生接入网络，使远程诊断更方便，并提供家庭医疗服务；在制造、物流和交通运输领域将建立用于远程监控自动化生产系统的网络系统。未来还将实现自我组织。机器可以根据工作量自动确定维修方案，确保在维修过程出现故障时，后备能力可以保证生产不受影响。

     信息物理系统对市场结构带来颠覆性影响，它们将极大改变商业模式和市场竞争。基于信息物理系统的新服务提供商正在侵吞市场。革命性的应用将促使新价值链的形成，改变传统产业，例如汽车产业、能源产业和生产工程。

     信息物理系统将给科研带来新挑战。怎样才能以系统的方法，通过机械工程、电力工程和计算机科学的跨学科合作，把各种接入网络的不同结构整合起来？如何从技术层面控制信息物理系统？信息物理系统应该如何建立、运营、监控和维护呢？

     德国是嵌入式系统领域的全球领先者，在安全解决方案和企业软件领域也处于领先地位。另外，德国过去一直拥有研发复杂系统的高水平工程能力，以及语义技术和嵌入式系统方面的丰富研究经验。尽管德国具备很好的先天条件，但还必须考虑自身在发展信息物理系统方面的缺点。

     德国必须努力提高下列能力：互联网的研究和应用的能力、建立平台和操作模式的能力以及提出用户为中心人机界面创新解决方案的能力。另一方面，美国国家自然科学基金会自2006年以来通过与大量项目和计划的合作，一直在推动信息物理系统的研究。

     在采用创新的信息物理系统方面，由于时间紧迫，如果德国希望确保其领先地位，政府就要与科研界、经济界和社会力量合作，快速行动。行动的目标是掌握技术和获得效益，并重点增加社会对信息物理系统的接受度。

     社会接受这些新事物是信息物理系统成功的决定性因素。信息物理系统将隐私和数据安全的要求提升到新高度。未来，大量重要数据将在网络中传输。公众对这一新技术的信心取决于数据传输过程的安全和透明。

     未来，信息物理系统对解决很多关键问题起到重要作用。因此，德国政府必须在能源和资源战略以及高科技和信息通信技术（ICT）战略中考虑信息物理系统。最后，向可再生资源转移也是信息物理系统整体战略中的组成部分。

     为了推动工业4.0体系在中国制造企业的应用，工业4.0研究院经过半年时间的筹备，于2015年4月11日正式成立“CPS研究中心”，其主要工作为跟踪和研究全球CPS技术、标准、专利以及应用等内容。

     在工业4.0体系中，CPS（Cyber-Physical Systems，信息物理系统）是最重要的概念之一，它将在未来制造业中扮演至关重要的角色。

     工业4.0研究院CPS研究中心目前专注：

     （一）基于MOS的CPS体系研究

     MOS（Manufacturing Operation System，制造操作系统）是未来制造业的核心，它可能会成为未来制造体系的决策中心。

     目前工业4.0研究院CPS研究中心已经拥有近10人的专家团队，正在对基于MOS的CPS体系进行深入研究，并积极寻找相关应用的合作方。

     （二）高级MES系统及应用研究

     MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）在各个行业的应用非常广泛，如何构建适用于工业4.0体系的MES系统，需要进一步的研究，形成标准化的模块及系统。

     （三）面向未来制造的SysLM研究

     PLM（Product Lifecycle Management，产品生命周期管理）是制造业创新的起点，在工业4.0体系中，PLM可能会演化为SysLM系统，因为去中心化的智能制造体系，需要全新的产品生命周期管理，这就是SysLM。

     （四）基于物联网的CPS系统研究

     按照德国工业4.0体系，CPS技术未来的演进方向是物联网，但狭义的物联网（传感网）将是目前CPS得以落地的基础技术，从工业无线网、物联网、传感网等核心技术去认识CPS系统，会对工业4.0有深入的认识。

     （五）Robotic CPS理论及应用

     在智能工厂空间，Robotic CPS将扮演重要的角色，并推动真正的智能制造创造惊人的价值。Robotic CPS是面向CPS体系的移动工业机器人应用，是工业4.0研究院CPS研究中心重点研究课题之一。

     对以上课题有兴趣的国内外研究机构、高等院校、企业等，可以跟我们建立沟通渠道，共同探讨CPS的相关主题。联系方式：huquan（#）innobase.cn

     在德国工业4.0工作组推荐的一个智能工厂示范点，人们可以看到一个类似科幻的生产制造场景，未来的工人不再是目前大家心目中的身着蓝色工衣，手持各种机械工具的形象，他们如同Google公司一些科技达人，穿着T恤，听着音乐就可以把手头上的生产制造工作完成了。能够实现以上场景的未来制造业，可以基于CPS的不断演进，将在工业4.0体系中得以实现。

图例：未来的智能工厂和工人

     威廉.拉佐尼克在《车间的竞争优势》一书中明确指出了工业制造中车间的重要性，在工厂的现代管理体系中，工厂的现场管理也是重要的部分。因此，本节结合工厂的演变，解读CPS在未来制造业的重要地位。

     对于CPS和智能工厂，目前似乎存在很多混淆视听的说法，一方面学术界为了凸显CPS的价值，认为CPS可以利用到所有场景下去，另外一方面一些提供信息化解决方案的供应商，认为智能工厂的解决方案就是CPS的解决方案。以上两种看法都有问题，前者忽视了智能工厂还有其他非CPS系统的存在，后者则缩小了CPS可以帮助制造企业解决问题的范围。

     我们可以看一个基于CPS的智能工厂示意图，在图中，工厂的CPS占据了一半的面积，但在CPS之外，还有诸如MES、CAD、ERP和PLM等应用系统，严格意义上讲，这些系统不属于CPS的一部分，它们是较为独立的一些系统体系。如果非要把系统包含为一体，或许工业4.0技术体系中的智能工厂才是最好的概念。

图例：基于CPS的智能工厂示意图

     作为第一次工业革命最大的成就，工厂是其中一个创造，由于有了工厂的存在，才有了工人的产生，生产制造才作为一种产业开始显现，工业革命才第一次有了核心的地方去不断创新，不断提升生产力，一次又一次的提升人类的生产效率。试想如果没有工厂的存在，第二次工业革命的流水线、第三次工业革命的数控设备等，将成为无本之木、无源之水，是难以在工业发展进程中出现的，也难以在人类生活中产生巨大影响，因此就谈不上什么工业革命了。

     在工业4.0体系中，传统的工厂将因为应用CPS等技术，成为了智能工厂，这将促使工厂内的生产力大大提升，其生产的柔性也将大大提高，一条生产线可以实现更多的产品型号的生产，从而最终实现大规模个性化生产的目的。因此，CPS在工厂的应用是智能工厂的一部分。

     当然，在制造企业的研发、制造、运营和营销等多个环节中，CPS仍然大有所为，例如，CPS还可以利用到供应链的管理中，通过原材料工厂的CPS应用，并跟工厂的CPS系统连接起来，可以实现网络化CPS系统，这就为智能产品的出现奠定了基础。

     对于产品来讲，其初期的形态是原材料，原材料被工厂采购回来之后，根据将来加工制造的需要，分别要进入不同的生产工厂或流水线，生产制造管理系统将根据生产计划安排，让工人或者物料系统把这些生产资料运送到具体的位置。传统的工厂一般是通过工人根据标签进行判断，安排这些生产资料进入相应的生产线去的，这种场景我们很容易在一家汽车生产车间看到。不过，在未来基于CPS的生产制造中，生产资料在进入生产体系之前就赋予了CPS能力，它一个具有智能的生产资料，它会进行自我描述，可以跟同样赋予了CPS能力的生产线进行对话，生产线可以根据对话的结果，智能化的安排相关生产制造计划。

图例：基于RFID等技术的生产流水线

     按照德国工业4.0体系所设想，智能产品将集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息。在这样的情况下，智能产品具有三个方面的特征：

• 智能产品是信息的载体，智能产品产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息；
• 智能产品是一个AGENT（中文可以翻译为代理，人工智能术语），智能产品将会影响其所在环境；
• 智能产品具有自我监测能力，产品会对其自身状态和环境进行监测。

     对于智能产品的第一个特征来讲，拥有自我识别和描述的信息，是一个基本要求，同时还可以包含大量的生产或销售信息，当然，这些信息可以在生产过程中附加上去。例如，对于一个在生产制造流程中的智能产品来讲，智能产品自己可以对自己进行描述，例如，“我将在2015年2月10日生产，2015年2月14日出厂，并要求运送到清华大学东门。”

     在智能产品进入生产制造流程中的时候，该产品还会作为一个代理，对周围的环境进行感知和产生影响，例如，在生产线上的智能产品可以对智能生产线发出指令，“请握紧我的左边把柄。”

     智能产品还可以对自己不断进行监测，并根据自身状态和环境做出恰当的反应，例如，已经被某智能生产线加工了10多分钟的智能产品，可能会发出指令，“我已经被加工10分钟，请把我传送到下一个生产线环节。”

     以上描绘的智能产品具有的三个特征，是CPS赋予产品的功能，这也是CPS应用所产生的价值。在生产制造领域采用CPS，将给产品赋予大量的智能，结合到智能工厂拥有的智能设备、智能流水线和智能管理设备等，智能产品将跟他们产生大量的交互，从而使得智能产品在智能工厂实现所谓智能制造，这就是未来制造业的图景。