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1.介紹
信息物理系統（CyberPhysicalSystem，簡稱為CPS）的概念最早由美國國家基金委員會于2006年提出，被認為有望成為繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次浪潮。信息物理系統在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可擴展的網絡化信息物理系統，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環機制實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、、高效和實時的方式監測或者控制物理實體，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。
在人類工業發展的過程中，經歷了從1.0~4.0的發展過程。工業1.0是從18世紀60年代至19世紀中期的機械制造時代，通過水力和蒸汽機實現工廠機械化。工業2.0是從19世紀后半期至20世紀初的電氣化與自動化時代，在勞動分工基礎上采用電力驅動產品的大規模生產。工業3.0是從20世紀70年代開始并一直延續至現在的電子信息化時代，廣泛應用電子與信息技術，使制造過程自動化控制程度進一步大幅度提高。2010年德國聯邦政府制定的《高技術戰略2020》中提出了“工業4.0”的戰略，其核心是以智能制造為主導的第4次工業革命，采用信息通訊技術與信息物理系統相結合的手段，實現由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，推動制造業向智能化轉型。
1.3全文內容安排
信息物理系統是工業4.0的核心技術，在工業場景中有著廣闊的應用前景。在中國從“中國制造”到“中國智造”、實施中國制造2025綱領和“制造強國”戰略的跨越式發展過程中，信息物理系統會發揮不可忽視的作用。在這樣的背景下，本文討論了信息物理系統的基礎技術、信息物理系統在工業4.0中的應用案例以及信息物理系統在工業4.0應用過程中面臨的挑戰。
2.信息物理系統的基礎技術概述
正如信息物理系統的定義描述的那樣，信息物理系統深度融合了計算、通信和控制技術。在這一章，我們會從這三個角度概述信息物理系統的基礎技術。
2.1計算技術
提到計算，大家首先想到的是包含臺式機和筆記本在內的計算機。基于數字信號0和1的基本操作，今天我們已經可以用計算機觀看視頻，預測明天的天氣情況，甚至是模擬核物理實驗的過程。正是不斷更新換代的中央處理器給我們帶來了越來越強的計算能力。今天計算的概念已經大大拓展，例如我們每天使用的智能手機的計算能力越來越強，可以運行一系列APP，實現各種功能。基于各種開源電子平臺，普適計算、邊緣計算等新的概念應運而生，使得計算無處不在。
2.2通信技術
通信技術可以分為有線通信和無線通信，實現信息的傳輸和交流。有線通信包含大家熟悉的有線電報、有線電話和有線網絡等。在光纖普及之后，人類的有線通信能力達到了。無線通信又可以分為短距離無線通信和長距離無線通信。短距離無線通信有大家熟悉的WiFi、藍牙等技術，而跟大家生活最接近的長距離無線通信包括3G、4G和即將到來的5G技術等。作為一種基礎技術，通信技術還支撐著云計算、云存儲等一系列應用的實現。
2.3控制技術
控制技術通過具有一定控制功能的自動控制系統，來完成某種控制任務，保障某個過程按照預想進行，或者實現某個預設的目標。控制技術可以分為開環控制和閉環控制兩種。開環控制是最簡單的一種控制方式，是指受控客體不對控制主體產生反作用的控制過程，也即不存在反饋回路的控制。在這種控制中，控制系統的輸出僅由輸入來確定。與之相對的，閉環控制是根據控制對象輸出反饋來進行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發生偏差時，按定額或標準來進行糾正的。閉環控制的成本更高，但是抗干擾能力也更強。
3.信息物理系統在工業
4.0中的應用案例自從工業4.0的戰略提出之后，信息物理系統作為其核心技術，已經開始在工業4.0中嶄露頭角。在這一章，我們以機械設備維護和生產流程優化為例，探討目前信息物理系統在工業4.0中的應用現狀。
3.1機械設備維護
在工業生產制造環境下，機械設備在不停地高強度使用下性能會隨著時間衰退甚至發生故障。由于設備的故障和不的生產過程控制，當前大批量生產制造的平均生產率不足60%。為了及時排查出現故障的機械設備，傳統的人工檢查方式已經遠遠不能滿足現代大規模生產的需求。信息物理系統為解決這個問題提出了新的解決思路。通過在機械設備中嵌入各種傳感器，可以不斷地采集能夠反映機械設備生產狀態的數據，并實時地將這些數據上傳到云端的服務器。服務器通過分析過往的機械設備生產數據，判斷目前在使用過程中的機械設備發生故障的可能性，及時發出預警，為機器提供預測性維護，從而幫助工廠減少損失。
3.2生產流程優化
結合計算機視覺、人工智能等技術，信息物理系統也可以幫助工廠優化生產流程、提高生產效率。在工業環境中使用大量的傳感器采集海量的數據，可以用來預測生產環節的風險、降低材料浪費和能源消耗。例如在化工廠安裝大量氣體傳感器，一旦發生有毒氣體泄漏，系統會及時發現并發出預警。傳統生產線上都安排大量的檢測工人用肉眼進行質量檢測。這種人工檢測方式不僅容易漏檢和誤判，更會給質檢工人造成疲勞傷害。因此很多工業產品公司開發使用人工智能的視覺工具，幫助工廠自動檢測出形態各異的缺陷，從而優化質檢流程。
4.信息物理系統在工業
4.0應用過程中面臨的挑戰盡管信息物理系統在工業4.0有著巨大的應用潛力，在其發展的道路上仍然面臨著一系列挑戰。在這一部分，本文從數據的保護和企業的接受程度這兩個方面探討信息物理系統面臨的挑戰及可能的應對方案。
4.1數據的保護
由于信息物理系統記錄了大量實際生產過程的數據，并通過網絡的方式進行傳輸。在這個過程中，難免會有重要的生產數據泄露的風險。特別是競爭對手有可能會想方設法地獲取這些數據，從而盜取商業機密。處于數據保護的需求，我們可以加強信息防火墻和身份驗證系統的建設。對于進出生產區域的人員，采取一卡通和人臉識別相結合的驗證方式，并且對于重點區域還需要采取二次驗證。在網絡的使用過程中，需要對接入的終端設備做授權或者是物理地址的認證。只有在認證成功之后，才允許設備實現網絡接入，盡可能保護網絡的安全。
4.2企業的接受程度
盡管信息物理系統能夠給生產過程帶來一系列好處，它也可能使得原本生產過程中隱含的問題暴露出來，而這些問題是企業不愿意看到的。例如對于一些重污染企業而言，一旦部署了基于傳感器的信息系統，生產過程中產生的污染情況就會被系統如實地記錄下來。一些企業出于護短的心態，有可能會不愿意接受信息物理系統。面對這樣的情況，一方面我們需要讓這些企業家意識到解決問題比掩蓋問題更加重要，而通過信息物理系統正是可以幫助他們改進原有的工藝和流程；另一方面，我們也要應用相應的法律措施，淘汰那些生產工藝落后又不愿改善的企業，才能促進中國制造業的整體提升。
5.結論
在中國“制造強國”戰略的背景下，本文討論了信息物理系統的基礎技術、信息物理系統在工業4.0中的應用案例以及信息物理系統在工業4.0應用過程中面臨的挑戰。盡管信息物理系統能夠給企業帶來一系列好處，但也面臨著數據保護要求更高、企業不接受等難題。為此，信息物理系統需要采取更加嚴格的身份驗證方案，并且在推廣和應用過程中采用教育手段和法律手段相結合的方式。本文認為信息物理系統方興未艾，未來還需要進一步的研究和實踐。
