随着全球经济结构的变化，工业领域在全世界范围内作用越来越突出，是推动科技进步，经济增长和社会稳定的中坚力量。在科技日新月异的当下，市场竞争也越来越激烈。客户对产品的质量，个性化定制及交付周期等都提出了更高的要求。在这样的压力下，企业必须不断提高生产力水平，以更少的能源和资源完成产品的生产才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。生产力的提高就在于虚拟生产和现实生产环境相融合，采用计算机技术，嵌入式技术，自动化技术及服务，以此压缩生产周期提高生产效率及灵活性。为此，对工业生产新模式的探索及传统工厂智能化改造被提上日程，受到各国的高度重视。
 

在全球范围内看工业发展主要经历了“工业1.0”蒸汽时代，“工业2.0”电气时代，“工业3.0”信息化时代及“工业4.0”利用信息化技术促进产业变革的时代。为了适应快速发展的时代要求及在国际竞争中抢占话语权，世界主要工业强国和大国纷纷出台了一系列的工业发展战略计划。2011年11月德国政府提出“工业4.0”计划，旨在提升制造业的智能化水平。2012年美国通用电气提出“工业互联网”这一概念，本质是将虚拟网络与实体连接，形成更加高效的生产系统，希望用互联网激活传统工业，保持制造业的长期竞争力。2015年5月8日我国政府公布了《中国制造2025》战略，提出中国制造强国建设三个十年的“三步走”战略中的第一个十年的行动纲领。无论是“工业4.0”“工业互联网”还是《中国制造2025》其目的都是为了实现工业生产的智能化。随着科技的发展虚拟世界与现实世界相融合的思想受到各国的高度重视，这一思想也将会助力工业生产迈上新的台阶。
 

CPS最早在2006年由美国国家科学基金会上由Helen Gill提出，从此多个国家和组织都给出了CPS定义，但是侧重点各不相同。美国国家标准与技术研究院（NIST）对CPS定义则侧重于独立单元的功能与之间的交互，即将具有通信、计算、传感等功能的驱动器作为最小单元，强调它们之间的实时交互。德国国家科学与工程院（A Catech）定义CPS更加强调数据获取、处理和反馈。在之后对CPS的研究中德国希尔教授又提出过“Y”模型，NSF智能维护系统产学合作中心主任李杰教授又提出了“5C”技术架构。
 

CPS全称为“Cyber-Physical system”，学者赵敏认为其应该翻译成“赛博物理系统”他的理由是信息是“赛博系统”的控制对象，而不是赛博系统本身。而更加普遍的观点则是把CPS翻译成“信息物理系统”。即信息世界与物理世界相融合的系统。无论是哪种观点它们的共同点都提到了控制信息与物理世界，这也是CPS最大的特点即现实世界与物理世界相融合。同时CPS是一个具有控制属性的网络，且在控制对象种类和数量上尤其是网络规模上远远超过现有的工控网络。因为CPS是涉及人和生物等感知的智能控制系统，因此更加关注系统资源的合理利用和调度优化，力求对大规模复杂系统和环境的实时感知与动态监控。基于这样要求CPS把通信放在了与计算和控制的同等地位上。
 

CPS强调信息世界与物理世界通信与相互控制，淡化了现实与虚拟世界的界限因此也被称为“工业4.0”的实现技术。
 

3 工厂生产方式的演变过程 
                                                                                                                                                                                                                                                        

在蒸汽机发明以前工厂的生产主要依靠人力，生产效率非常低。直到1698年，英国工程师托马斯.萨弗里【1】设计了第一台蒸汽发动机。这台机器最初是用来将矿井中的水抽出来的因此它被称为“矿工的朋友”。蒸汽机在工业生产中的运用大大提高了生产效率。到了19世纪70年代各种新技术和发明被用于与工业中。1836年德国科学家韦伯和高斯发明了输电能力技术。1866年西门子在法拉第电磁感应基础上提出了发电机原理并制得了第一架工业级发电机，这些技术的成功运用使得工业生产进入了电气时代。
 

随着数字技术的发展和可编程控制器的出现工业领域开始走向自动化。数字技术自身的高安全性及强稳定性为生产设备提供了可靠的运行保障。数字控制的单机设备的普遍使用及工业网络技术的不断发展，使得工业生产效率大大提升同时人力投入明显下降。当下，在计算机技术、软件技术、传感器技术、物联网技术、云计算、大数据等技术的支撑下，工业生产方式将再次扬帆起航向着高度自动化即智能制造的目标奋勇前行。
 

目前工厂制造系统主要分为三个模块，ERP系统、MES系统、PDM系统。现阶段这三个系统大多处于独立状态，甚至一些中等企业都不具备MES系统。因为企业大多是请软件公司来开发这些系统，而MES系统因其需要软件开发人员对产线工艺有较高的了解，因此很难开发出较高效率的MES系统。

图1 传统制造系统分工描述
 

工厂智能化改造就是要将三个系统整合为一体。实现从用户下单到产品交付整个周期的高度智能化。本文以激光加工木艺产品工厂为了列，为实现这一目标本文从以下几个方面对工厂的智能化改造提出设计思路。
 

首先，对加工原材料进行信息化管理。工厂通过条码技术对每块原材料进行基础信息（产地，入库时间，尺寸，形状，密度，等级等）录入原材料管理数据库，使每块原材料都有唯一与之对应的条形码。然后将工厂的智能生产设备（智能激光雕刻机）与工厂服务器连接，用户通过网络访问服务器上传加工信息，由MES系统分配加工，实现柔性生产。
 

为了实现加工产品信息的全生命周期可追溯，当AGV小车将原材料送入激光雕刻机之前，读码器将原材料上的条形码信息复制到本地存储器。加工完成材料离开雕刻机后，打码器读取本地存储器内容并生成条形码重新粘贴在加工后的工件上。同时服务器中的加工参数增添到与该原材料条形码对应的原材料数据库中的表中。其流程如图二所示：

图2 化木艺加工智能化生产流程图
 

实现工厂智能化生产的关键在于实现信息世界和物理世界的相互融合。信息世界控制物理世界，物理世界的结果影响着信息世界。
 

制造业的发展水平是一个国家综合实力具体体现，世界主要制造强国都纷纷提出了各自的发展战略。历史原因我国错失了前几次工业革命，为了在世界制造业中占有一席之地，2015年我国政府提出了《中国制造2025》的发展战略。这一战略的核心是实现两化融合，将采取“总体规划，分布实施，重点突破，全面推进”的发展策略。最终形成单机智能设备、智能产线、智能车间、智能工厂、不同地域行业企业的智能工厂互联的制造系统。在该系统中工厂实现柔性制造，个性化定制成为主流。每件产品将实现全生命周期信息可追溯。
 

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作者简介：彭鹏 （1990 -）男 硕士 上海电力大学  研究方向：工件与设备信息交互系统在智能产线中的运用