《智慧企业工业互联网平台开发与创新》 ——2.3　工业4.0和工业互联网时代基于IT/OT融合的CPS

2.3　工业4.0和工业互联网时代基于IT/OT融合的CPS

在谈及历次工业革命的时候，人们的目光常常会被一些耀眼的技术所吸引，从而不自觉地将工业革命与技术革命等同。但实际上，在技术革命的背后一定有着科学革命的支撑。往往是科学的理论、概念、规范，或者说是范式或模式的突破，推动了技术革命。

系统论、信息论、控制论（三论）是第二次世界大战后诞生的一组新兴学科，为工业3.0提供了新思路和新方法。而在工业4.0的背后，同样可以找到上述“三论”的影子，并且在其基础之上诞生了新的范式和模式——信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）。

2.3.1　从工业3.0的控制论走向工业4.0的CPS

在工业3.0时代，人们总是试图按照控制论的原理，将制造企业定义为一个可以集中控制的系统。这样一个系统具备四个特征（如图2-19所示），具体如下。

要有一个预定的稳定状态或平衡状态，如生产线的生产节拍。

从外部环境到系统内部有一种信息的传递，如对设备状态的监控。

配备一种设计用来专门校正行动的装置，如对设备的调整。

这种系统为了在不断变化的环境中维持自身的稳定，内部都具有自动调节的机制，如全局生产管控。

图2-19　传统的基于控制论设计的生产制造过程管理

在工业3.0时代，这样一种基于传统控制论的生产制造过程管理方式，配合计算机技术和网络技术，已经发展到了顶峰。在设计工厂和业务时，人们总是“尽可能详尽地预先定义所有的流程”，既包括正常运行的流程，也包括意外处理的流程，从而让所谓的“集中在中央”的“业务处理流程”变得极为复杂，同时也极不稳定。面对日益复杂的制造需求，以及一些经常充满矛盾的业务需求，如大规模定制，其经常力不从心，优化提高的空间已经十分有限。

与工业3.0相比，工业4.0背后的理论技术是分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence，DAI）领域的信息物理系统（CPS）技术。按照CPS理论，“权利的分散和自我组织的程度与系统的复杂性呈正相关性”——也就是说系统越复杂，就越需要通过权力分散和自我组织的分布式控制系统来实现。通过这种自组织的分布式控制，可以大幅度地优化现有的生产制造过程。

CPS在企业中的应用不仅仅局限在车间中。未来，企业将建立全球化网络，将它们的机器、仓储系统和生产设施都纳入CPS中。在这样一个新的制造环境下，这些CPS（包括智能的机器、仓储系统和生产设施）相互之间可以自由地进行信息交换，独立地触发相应的动作和控制。这种做法可以为企业的工业流程，如制造、工程、材料使用、供应链、生命周期管理等带来根本性的改变（见图2-20）。

图2-20　由分布式人工智能技术催生的CPS成为工业4.0的核心架构技术