引自：《傳感與測量技術》（作者：董永貴）

2011年，Kagermann等人在德國漢諾威博覽會上提出了工業4.0的概念，認為工業的發展經曆了從1.0到4.0的四個時代。

工業1.0：始于18世紀末，伴随蒸汽機的出現，工業生産從手工活動轉向以機器為基礎機械化生産。标識性事件是1784年第一台紡織機械的出現。

工業2.0：始于19世紀末，電力機械的出現，工業生産開始進入規模化大生産時代，标識性事件是1870年辛辛那提屠宰場的生産線。

工業3.0：始于20世紀70年代，機械電子、計算機、工業機器人等新技術的出現，工業生産開始進入自動化時代。标識性事件是1969年可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。

工業4.0：始于21世紀初，信息與通訊技術的進步對制造業産生深遠的影響，機器學習算法開始進入自動化系統。生産過程中人的因素越來越重要，但實際的人工操作越來越少。

工業4.0目前尚無公認的标識性事件，但2006年出現的信息物理系統（cyber-physical system，CPS）是工業4.0核心的說法，開始被越來越多的人所接受。

CPS是一種連接多個計算實體，實現協同運算的系統。這裡所說的計算實體，可以是個人計算機或服務器，也可以是功能相對簡單的嵌入式系統。

許多人認為CPS的概念起源于嵌入式系統。現場設備中布設了大量的嵌入式系統。嵌入式系統實現了具體物理過程與數值計算的緊密集成與協同。CPS在更高一級的層面上，将布設于不同地理位置的嵌入式系統進行連接與協同運算，同時提供和使用網絡中可用的數據訪問和數據處理服務，實現對具體物理過程的感知、監視與操控。與傳統意義上的測控系統不同之處在于，CPS采用了“全局虛拟、本地物理”的工作模式。物理過程的感知與操縱發生在本地，而控制與觀察則借助虛拟網絡安全、可靠、實時地實現。由于CPS更強調系統中各個單元之間的互動，因此被形象地稱作“系統之系統”。

如圖1所示，CPS包括3個部分，即物理過程、接口、信息系統。物理過程是指所需要監測或控制的具體物理現象，信息系統包括了嵌入式系統以及在分布式環境中進行信息處理與通訊的全部器件。接口則是連接信息系統與物理過程的那些通訊網絡與中間器件，包括彼此連接的傳感器、執行器、模拟數字轉換器（ADC）、數字模拟轉換器（DAC）等等。

圖1 CPS的基本組成

CPS實現了網絡與物理系統的緊密耦合。物理系統是CPS最重要的部分。根據具體需求，合理地整合傳感器與執行器網絡資源，是決定CPS運行效果的關鍵。信息系統是CPS的核心。CPS具有安全性、實時性和可預測性的要求。大部分執行器所執行的物理操作是不可逆的，信息系統給出的決策信息，不僅要求具備可信度、安全性、有效性，還需要有足夠的實時性，需要CPS能夠在任何時刻、任何情況下合理地将資源分配給多個相互競争的實時任務，從而滿足每個實時任務的實時性要求。

圖2給出了5C體系架構，是CPS常用的參考模型。5C模型包括5個層次，即配置（configuration）、認知(cognition)、網絡(cyber)、轉換（conversion）、連接(connection)。

圖2 CPS的5C參考模型

例如，考慮某機械加工設備的維護問題時，5C中每個層次對應的内容如下：

（1）連接——傳感器（振動、聲發射、溫度、電流）、控制參數（PLC上的轉速、切割參數等）。由位于本地的工控機處理成數據。

（2）轉換——特征提取（時頻參數、RMS、鞘度等）、控制數據整合，上傳到雲服務器。

（3）網絡——數據聚類分析（與曆史數據比對），如發現新的類别（工況），則添加。

（4）認知——設備的健康水平。如刀具的工況。

（5）配置——根據健康水平進行決策，給出配置信息，反饋到設備中。

顯然，與傳統形式的狀态監測協同相比，CPS不僅可針對具體設備、具體工況給出決策，并且可以添加新的工況，并能及時将決策反饋到設備中。

現實應用中，不可能要求CPS中的每個連接節點都源自同一廠家，執行同一标準，即存在所謂的“異構”問題。使用過蘋果手機與安卓手機的讀者，應該對應用軟件的異構性質有所體會：有些應用軟件是不能直接共享的。

異構是CPS的一個基本特征，或者說，CPS是信息系統與物理系統深度集成和交互的異構分布式系統。

圖3給出了CPS與OSI七層模型的對比。從物理層到傳輸層，已經與基于以太網的TCP/IP技術融合。所以，實現異構系統的無縫連接，應用層是需要解決的關鍵所在。CPS将系統劃分為3個層次。物理層是指CPS中的單元組分及相互的物理作用，平台層是指支持包括通訊基礎器件在内的數字系統硬件設備，軟件層包括操作系統各種不同的數字進程。軟件層實際控制CPS，并提供實現智能或複雜任務的方法。

圖3 CPS與OSI模型的對比

由于CPS鮮明的網絡特征，很容易将CPS與物聯網的概念聯系在一起。實際上，物聯網是CPS概念形成的重要驅動力。物理網概念的出現要早于CPS。1999年，麻省理工學院（MIT）汽車識别中心的Ashton提出了物聯網，建議為每種産品提供一個獨特的電子标簽，并将産品連接到互聯網中。20多年後的今天，學術界從不同的角度對物聯網進行了闡述，但依然還沒有統一的定義。一般來說，物聯網更多是一個計算概念，描述了一種将大量對象直接連接到互聯網的方法。通過部署智能傳感器感知周圍環境，傳輸和處理采集到的數據，然後使用智能執行器與環境進行交互。物聯網主要應用場合還是在消費領域，包括家庭自動化，能源管理和家庭健康監測等。

與CPS更接近的概念，是工業物聯網。工業物聯網是物聯網的一個子集，描述了制造過程中機器對機器（m2m）的連接與工業通訊技術。工業物聯網中的通訊是面向機器的，應用的整體網絡往往比物聯網系統更大。工業物理網借助大量數據的收集與分析提供解決方案，從而實現工業操作的優化，以更好地進行質量控制、預防性維護和資産管理。

CPS可以簡單理解為一種分布式的自動化系統。同時考慮物理對象與計算機網絡，是CPS不同于物理網的關鍵，如圖4所示。

圖4 物聯網與CPS

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