我看工业4.0与嵌入式系统

2010年我曾经写过一篇文章“我看物联网与嵌入式系统”，文中我谈了三个问题：关于物联网概念和内涵之争，物联网与嵌入式系统密不可分以及物联网专业学科建设。那时物联网刚刚兴起，物联网概念模糊，方向不明确，高校的物联网专业设置也处在实验阶段。经过4年多的发展，物联网概念逐渐清晰，嵌入式系统在物联网中的地位已不可动摇，物联网专业已经在高校轰轰烈烈地兴办起来，首批毕业生即将走上工作岗位。农业物联网、智慧城市的安防和物流行业已经初据规模，智能家居和可穿戴设备正在兴起新一轮的创业高潮，互联网公司也正在追赶这一轮万物互联（IoT）的大潮，而工业4.0 将会带领我们深入到一个崭新的领域－智能工业。

什么是工业4.0？ 工业4.0概念最早出现在德国，也称为德国工业4.0，这个概念在2013年4月的汉诺威工业博览会上被正式提出。在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为德国国家级战略。工业4.0的核心目标是提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。2014年10月，在第三轮中德政府磋商期间，工信部苗圩部长与德国工业4.0平台相关机构就加强中德制造业创新合作进行座谈时指出：德国工业4.0战略与中国的信息化和工业化深度融合战略在核心理念、主要内容和具体做法等诸多方面殊途同归，完全可以相互学习和借鉴。德国联邦教育研究部工业4.0工作组的“实施工业4.0 攻略的建议”的报告是工业4.0 最具备权威的文件（中国工程院咨询服务中心已经组织翻译了中文版）。

谈到工业4.0 ，业界还要提到另外一个概念，“工业互联网”，它是通用电气(GE)2012年秋季提出的，是关于产业设备与IT融合的概念，目标是通过高功能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，大幅提高现有产业的效率并创造新产业。“工业4.0”与“工业互联网”二者在概念上没有什么区别，只是侧重点有所不同。工业4.0 更强调的是制造，工业互联网强调还是网络。天津大学马建国教授在嵌入式系统联谊会第15次主题讨论会上给出的结论则是：物联网=嵌入式智能系统+网络，工业4.0=物联网+制造。

我理解的工业4.0有这样两个重要的内涵，一是互联互通：强调制造设备与设备之间、生产的产品与设备之间，产品与产品之间的互联，产品/设备／互联网形成跨越物理范畴的连接，虚拟世界与实体世界的网络连接（也就是工业4.0 所讲的CPS）。二是服务：产品和设备上的传感器会产生大量的数据，这些数据会渗透到产品制造、营销、使用和维护的全生命周期里面，借助云计算和大数据的技术，未来智能工厂和智能制造一定是面向服务的集成整合的模式，而不仅仅是单一的产品本身。

工业4.0与嵌入式系统 工业4.0概念下的智能工业系统中有大量的电子控制装置，它们都是嵌入式系统，比如今天我们谈论得很多的工业机器人，其中的高性能控制器就是一个很复杂的嵌入式系统，工厂自动化中大量使用的PLC也是一种嵌入式系统。在德国联邦教育研究部工业4.0工作组的“实施工业4.0 攻略的建议”的报告中多次提到嵌入式系统，比如在摘要部分有这样的描述：“功能强大的、自主的微型计算机（嵌入式系统）正越来越多地相互间或与互联网以无线方式互联。这正在导致引起实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）以虚拟网络—实体物理系统（CPS）的方式相融合。继2012年推出新的互联网协议IPv6”，现在已经有足够的地址使得对象间可以通过互联网大范围直接互联”。

智能工业设备中的嵌入式系统与消费电子产品有很大的不同，一个重要标志是智能工业设备对实时性和可靠性的严格的要求，比如一个化工厂的控制系统仅仅因为时间的延迟而造成得严重后果，轻者会带来产品质量下降，残次品出现，重则会导致人命关天的事故。嵌入式企业适应智能工业产品的高可靠性要求，要做好开发和验证周期长的思想准备，脚踏实地的做好产品的可靠性认证工作是做好嵌入式工业产品的关键。

图1 智能工厂网络结构

除此之外，强调互联互通的智能工业系统，将会有各种通信需求。除了支持民用通信网络外，还要支持工业通讯技术，比如CAN、CANOpen、Modbus ProfiNet、EtherCAT、Powerlink和EtherNet等。一般情况下，智能工厂的网络是分三层部署的，即设备、控制和信息三层，每层之间都布置了网络安全隔离措施，如图1。即使这样，智能工业网络的信息安全依然不容忽视。要解决智能工业网络的安全问题，可从两个方面入手；一是通讯链路的安全，二是设备本身的安全。这两个目标的实现均需要使用嵌入式芯片、软件和协议方面的技术，目前国内企业的技术和经验与国外差距很大，急待提高。

小结 工业4.0 为智能工业在策略层面指明了发展的方向，这对于中国制造业的升级和转型是一个很好的契机。今后几年，在政府的推动下，工业4.0 概念下的示范项目会陆续实施将给嵌入式系统产业带来新的发展机会。