1.4　外因之一：CPS、物联网等新技术对传统技术的推动

在过去的20多年里，全球化的快速和广泛发展主要是凭借了低成本、低技能的劳动力带来的竞争优势，它是通过使用传统的制造技术来实现的。这种方法在今天已经不能够应对新的挑战，包括：

·近年来数字化技术的发展。

·发展中地区的劳动力波动。

·可靠制造（Assured Manufacturing）的需要。

·产品的定制化和个性化的需求。

·对高效利用能源的要求。

·在成本不变的前提下缩短交货提前期。

·在供应链的端到端提高敏捷性、响应速度和可恢复弹性。

·在制造业中对信息系统的使用和集成的驱动。

为了解决这些问题，出现了一大批新的技术。正是由于这些技术的诞生和日益成熟，推动了工业4.0的出现。如图1-24所示，从信息技术的角度来看，在工业4.0的背后，有八个主要的技术 支撑。它们分别是：网络物理系统、物联网、云计算、移动、大数据、内存计算、分析、增强现实。其中，最具有代表性的技术是网络物理系统和物联网这两个技术，而这两个技术之间还存在一定的联系和交叉。

1.4.1　网络物理系统

网络物理系统（Cyber Physical System，CPS）是工业4.0的标志性技术。很多人第一次是从2013年发布的德国工业4.0报告中看到CPS 这个名词的。但实际上，CPS这个概念的出现要早于工业4.0的提出。Cyber这个词来自1948年Norbert Wiener在《Cybernetics：or Control and Communication in the Animal and the Machine》一书中提出的“Cybernetics（控制论）”。“Cyber Physical System”可以看成是由“Cyber System”+“Physical System”构成的组合词 ，也就是我们经常提到的所谓“虚拟世界”和“物理世界”。“Cyber”是计算系统、通信系统和控制系统的集成；“Physical”是自然形成的或人工打造的系统，它一直处于物理规范和物理功能的管理和控制之下。在“Cyber Physical System”中，“Cyber System”和“Physical System”在各个阶段和方面紧密地结合在一起。

到了2004年，美国国家科学基金（National Foundation Science，NSF）的Helen Gill女士，在一个关于高可信软件和系统（High Confidence Software and Systems，HCSS）的研讨会上提出了CPS的概念。从2006年开始，CPS被NSF列为重点支持的研究课题，2007年更被美国总统科学技术顾问委员会（President’s Council of Advisor on Science and Technology，PCAST）的一份报告列为八大关键的信息技术之首，成为美国政府、研究机构和企业的研究热点问题。

如图1-25所示是CPS的诞生路径。应该说，CPS的出现有两个来源：一是人类对人工智能的不断探索；二是网络技术的日益成熟。

人工智能技术在诞生之初，就是人类对存在于大脑和自然界中的智能的研究、模仿和探索。面对实际问题，人类很自然地会从自身和自然界中寻求答案。其中有两个现象引起了很多科学家的注意。一个是人类大脑的工作机制。另一个是自然界里一些简单生物通过协作来完成复杂工作的方式。对以上两个问题的研究，推动了人工智能，特别是分布式人工智能学科的出现。

网络技术的不断发展，特别是互联网和物联网，对于CPS的出现，起到了至关重要的推动作用。在工业4.0的最终报告中，是这么谈论CPS和网络的：“强大的、自主的微型计算机（内嵌系统）以无线联网的方式进行互联和连入互联网，这一趋势正在不断加快。这导致了在物理世界和虚拟世界（网络空间）中都出现了CPS。随着IPv6在2012年的启用，已经有足够多的地址来确保在互联网上将这些智能的对象连接起来。这意味着在人类的历史上首次可以将资源、信息、对象和人都联网起来，从而建立一个事物和服务的互联网（Internet of Things and Services）。”

CPS的出现是人工智能和网络技术发展的共同结果，如图1-26所示。

按照Wikipedia的定义 ，CPS是一个用来控制物理实体的由协同计算元素构成的系统。早先一代的CPS在很多行业中都得到了应用，例如航天、汽车、化工、土建、能源、卫生、制造、运输、娱乐和消费品。这一代的CPS也常常被称为嵌入式系统（Embedded System），例如工业自动化中的工业控制系统，甚至人们日常生活中的家电控制功能。在嵌入式系统中，强调的是计算元素的一面，而对于计算元素和物理元素之间密切的联系，则强调得很少。其原因是这些控制系统基本上都是封闭的系统，即便其中一些工业控制网络具有联网和通信的功能，但此网络大都使用的是工控总线，网络内部各个独立的子系统或设备之间难以通过开放总线或者通过互联网进行互联，并且通信的功能也比较弱。这一阶段，最典型的是汽车产品。

与传统的嵌入式系统不同，接下来一代的CPS概念强调的是一个网络，它是由相互作用的具有物理输入和输出的元素构成的网络，而不是独立的设备。这一概念与在机器人和传感器网络中，将计算智能用于指引行走道路的智能机械有关。实际上，典型的CPS就是机器人。这一阶段的CPS把通信放在与计算和控制同等的地位上。在后续的研究中，逐步给CPS加入了适应、自治、效率、功能、可靠、安全、可用等特性。这些特性都扩展了CPS在机器人应用领域的潜在用途，包括：干涉（如碰撞避免）、精度（如机器人手术、纳米级制造）、危险和无法进入的环境中的操作（如搜索和营救、救火、深海考察）、协作（如空中交通控制）、效率（如零能源建筑）、人力增强（如医疗监控）等方面。

在工业4.0中，CPS更多指的是包括计算机、实时作用的传感器与执行机构的把虚拟和现实连接起来的系统。这种技术推动了分布式的自动化流程，构成了一张协同网络。CPS能够适应动态的需求，因此是自优化的。除了在机器协同方面的改进之外，CPS还可以推动熟练工人与机器系统的结合，实现更加灵活的生产流程。最后，需要特别指出的是——人——在配备了联网设备之后，也被纳入了CPS中。工业4.0不等于无人工厂。

关于CPS在工业4.0中的应用，我们将在下一章详细介绍。

1.4.2　物联网

对于物联网（Internet of Things，IoT），国外普遍公认的是由MIT Auto-ID中心主任Kevin Ashton教授1999年在研究无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的时候提出来的。在后来的发展中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围也有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。

顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸、扩展的网络。其二，其用户端延伸、扩展到了任何物品与物品之间，能进行信息交换和通信，也就是物物相连。如图1-27所示，从早期的将网页等内容通过互联网加以连接，到后来人与人、企业与企业之间的社交网络、企业与消费者（Business-to-Customer，B2C）、企业与企业（Business-to-Business，B2B）的连接，再到万物的互联。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛地应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。近年来，连接设备数量的指数级增长和相关硬件价格的快速跌落，为物联网的广泛普及和应用奠定了基础。

根据IDC在2015年的一份报告，IoT将会很快地在制造行业中发展成熟起来。制造企业将在互联设备、产品和物料等领域加大投资，从提高生产现场的生产流程自动化、自我调整水平中获取效率和收益。

CPS与物联网之间的关系也是一个经常被讨论的问题。应该说，物联网是在互联网的基础上，利用RFID、传感器、GPS、无线数据通信等技术，把世界上万物万事连接起来，从而进行智能化的识别、定位、跟踪、监控。实际上，在很多应用中，物联网所擅长的基于RFID的连接，对于CPS来说太过简单。此外，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求也远非RFID可比。以基于CPS的智能交通系统为例，虽然目前人们驾驶的汽车里都嵌入了各种电子系统，但这些嵌入式系统的计算能力还远未达到智能交通系统对汽车之间的协同能力的要求。实际上，满足CPS要求的汽车电子系统的计算能力通常都是海量计算。海量计算往往是很多CPS接入设备的特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。因此，我们可以认为，物联网可以看作是CPS的简化版，或者说是一种更宽泛的CPS。而物联网的概念也超越了工业4.0，具体如图1-28所示。