引論：我們?yōu)槟砹?篇信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中的運(yùn)用范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫(xiě)作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
1.介紹
信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)為CPS）的概念最早由美國(guó)國(guó)家基金委員會(huì)于2006年提出，被認(rèn)為有望成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。信息物理系統(tǒng)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化信息物理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)機(jī)制實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制物理實(shí)體，并最終從根本上改變?nèi)祟?lèi)構(gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。
在人類(lèi)工業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，經(jīng)歷了從1.0~4.0的發(fā)展過(guò)程。工業(yè)1.0是從18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期的機(jī)械制造時(shí)代，通過(guò)水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)工廠機(jī)械化。工業(yè)2.0是從19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初的電氣化與自動(dòng)化時(shí)代，在勞動(dòng)分工基礎(chǔ)上采用電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。工業(yè)3.0是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始并一直延續(xù)至現(xiàn)在的電子信息化時(shí)代，廣泛應(yīng)用電子與信息技術(shù)，使制造過(guò)程自動(dòng)化控制程度進(jìn)一步大幅度提高。2010年德國(guó)聯(lián)邦政府制定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中提出了“工業(yè)4.0”的戰(zhàn)略，其核心是以智能制造為主導(dǎo)的第4次工業(yè)革命，采用信息通訊技術(shù)與信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。
1.3全文內(nèi)容安排
信息物理系統(tǒng)是工業(yè)4.0的核心技術(shù)，在工業(yè)場(chǎng)景中有著廣闊的應(yīng)用前景。在中國(guó)從“中國(guó)制造”到“中國(guó)智造”、實(shí)施中國(guó)制造2025綱領(lǐng)和“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的跨越式發(fā)展過(guò)程中，信息物理系統(tǒng)會(huì)發(fā)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(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)、信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中的應(yīng)用案例以及信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0應(yīng)用過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)。
2.信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)概述
正如信息物理系統(tǒng)的定義描述的那樣，信息物理系統(tǒng)深度融合了計(jì)算、通信和控制技術(shù)。在這一章，我們會(huì)從這三個(gè)角度概述信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。
2.1計(jì)算技術(shù)
提到計(jì)算，大家首先想到的是包含臺(tái)式機(jī)和筆記本在內(nèi)的計(jì)算機(jī)。基于數(shù)字信號(hào)0和1的基本操作，今天我們已經(jīng)可以用計(jì)算機(jī)觀看視頻，預(yù)測(cè)明天的天氣情況，甚至是模擬核物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。正是不斷更新?lián)Q代的中央處理器給我們帶來(lái)了越來(lái)越強(qiáng)的計(jì)算能力。今天計(jì)算的概念已經(jīng)大大拓展，例如我們每天使用的智能手機(jī)的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，可以運(yùn)行一系列APP，實(shí)現(xiàn)各種功能。基于各種開(kāi)源電子平臺(tái)，普適計(jì)算、邊緣計(jì)算等新的概念應(yīng)運(yùn)而生，使得計(jì)算無(wú)處不在。
2.2通信技術(shù)
通信技術(shù)可以分為有線通信和無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和交流。有線通信包含大家熟悉的有線電報(bào)、有線電話和有線網(wǎng)絡(luò)等。在光纖普及之后，人類(lèi)的有線通信能力達(dá)到了。無(wú)線通信又可以分為短距離無(wú)線通信和長(zhǎng)距離無(wú)線通信。短距離無(wú)線通信有大家熟悉的WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)，而跟大家生活最接近的長(zhǎng)距離無(wú)線通信包括3G、4G和即將到來(lái)的5G技術(shù)等。作為一種基礎(chǔ)技術(shù)，通信技術(shù)還支撐著云計(jì)算、云存儲(chǔ)等一系列應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。
2.3控制技術(shù)
控制技術(shù)通過(guò)具有一定控制功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)，來(lái)完成某種控制任務(wù)，保障某個(gè)過(guò)程按照預(yù)想進(jìn)行，或者實(shí)現(xiàn)某個(gè)預(yù)設(shè)的目標(biāo)。控制技術(shù)可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，是指受控客體不對(duì)控制主體產(chǎn)生反作用的控制過(guò)程，也即不存在反饋回路的控制。在這種控制中，控制系統(tǒng)的輸出僅由輸入來(lái)確定。與之相對(duì)的，閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象輸出反饋來(lái)進(jìn)行校正的控制方式，它是在測(cè)量出實(shí)際與計(jì)劃發(fā)生偏差時(shí)，按定額或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行糾正的。閉環(huán)控制的成本更高，但是抗干擾能力也更強(qiáng)。
3.信息物理系統(tǒng)在工業(yè)
4.0中的應(yīng)用案例自從工業(yè)4.0的戰(zhàn)略提出之后，信息物理系統(tǒng)作為其核心技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始在工業(yè)4.0中嶄露頭角。在這一章，我們以機(jī)械設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)流程優(yōu)化為例，探討目前信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中的應(yīng)用現(xiàn)狀。
3.1機(jī)械設(shè)備維護(hù)
在工業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)境下，機(jī)械設(shè)備在不停地高強(qiáng)度使用下性能會(huì)隨著時(shí)間衰退甚至發(fā)生故障。由于設(shè)備的故障和不的生產(chǎn)過(guò)程控制，當(dāng)前大批量生產(chǎn)制造的平均生產(chǎn)率不足60%。為了及時(shí)排查出現(xiàn)故障的機(jī)械設(shè)備，傳統(tǒng)的人工檢查方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)的需求。信息物理系統(tǒng)為解決這個(gè)問(wèn)題提出了新的解決思路。通過(guò)在機(jī)械設(shè)備中嵌入各種傳感器，可以不斷地采集能夠反映機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地將這些數(shù)據(jù)上傳到云端的服務(wù)器。服務(wù)器通過(guò)分析過(guò)往的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)，判斷目前在使用過(guò)程中的機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的可能性，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，為機(jī)器提供預(yù)測(cè)性維護(hù)，從而幫助工廠減少損失。
3.2生產(chǎn)流程優(yōu)化
結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能等技術(shù)，信息物理系統(tǒng)也可以幫助工廠優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率。在工業(yè)環(huán)境中使用大量的傳感器采集海量的數(shù)據(jù)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)、降低材料浪費(fèi)和能源消耗。例如在化工廠安裝大量氣體傳感器，一旦發(fā)生有毒氣體泄漏，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并發(fā)出預(yù)警。傳統(tǒng)生產(chǎn)線上都安排大量的檢測(cè)工人用肉眼進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。這種人工檢測(cè)方式不僅容易漏檢和誤判，更會(huì)給質(zhì)檢工人造成疲勞傷害。因此很多工業(yè)產(chǎn)品公司開(kāi)發(fā)使用人工智能的視覺(jué)工具，幫助工廠自動(dòng)檢測(cè)出形態(tài)各異的缺陷，從而優(yōu)化質(zhì)檢流程。
4.信息物理系統(tǒng)在工業(yè)
4.0應(yīng)用過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)盡管信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0有著巨大的應(yīng)用潛力，在其發(fā)展的道路上仍然面臨著一系列挑戰(zhàn)。在這一部分，本文從數(shù)據(jù)的保護(hù)和企業(yè)的接受程度這兩個(gè)方面探討信息物理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及可能的應(yīng)對(duì)方案。
4.1數(shù)據(jù)的保護(hù)
由于信息物理系統(tǒng)記錄了大量實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行傳輸。在這個(gè)過(guò)程中，難免會(huì)有重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。特別是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有可能會(huì)想方設(shè)法地獲取這些數(shù)據(jù)，從而盜取商業(yè)機(jī)密。處于數(shù)據(jù)保護(hù)的需求，我們可以加強(qiáng)信息防火墻和身份驗(yàn)證系統(tǒng)的建設(shè)。對(duì)于進(jìn)出生產(chǎn)區(qū)域的人員，采取一卡通和人臉識(shí)別相結(jié)合的驗(yàn)證方式，并且對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域還需要采取二次驗(yàn)證。在網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，需要對(duì)接入的終端設(shè)備做授權(quán)或者是物理地址的認(rèn)證。只有在認(rèn)證成功之后，才允許設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，盡可能保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全。
4.2企業(yè)的接受程度
盡管信息物理系統(tǒng)能夠給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)一系列好處，它也可能使得原本生產(chǎn)過(guò)程中隱含的問(wèn)題暴露出來(lái)，而這些問(wèn)題是企業(yè)不愿意看到的。例如對(duì)于一些重污染企業(yè)而言，一旦部署了基于傳感器的信息系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染情況就會(huì)被系統(tǒng)如實(shí)地記錄下來(lái)。一些企業(yè)出于護(hù)短的心態(tài)，有可能會(huì)不愿意接受信息物理系統(tǒng)。面對(duì)這樣的情況，一方面我們需要讓這些企業(yè)家意識(shí)到解決問(wèn)題比掩蓋問(wèn)題更加重要，而通過(guò)信息物理系統(tǒng)正是可以幫助他們改進(jìn)原有的工藝和流程；另一方面，我們也要應(yīng)用相應(yīng)的法律措施，淘汰那些生產(chǎn)工藝落后又不愿改善的企業(yè)，才能促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)的整體提升。
5.結(jié)論
在中國(guó)“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的背景下，本文討論了信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)、信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中的應(yīng)用案例以及信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0應(yīng)用過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)。盡管信息物理系統(tǒng)能夠給企業(yè)帶來(lái)一系列好處，但也面臨著數(shù)據(jù)保護(hù)要求更高、企業(yè)不接受等難題。為此，信息物理系統(tǒng)需要采取更加嚴(yán)格的身份驗(yàn)證方案，并且在推廣和應(yīng)用過(guò)程中采用教育手段和法律手段相結(jié)合的方式。本文認(rèn)為信息物理系統(tǒng)方興未艾，未來(lái)還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。
