引自：《一体两翼：虚实融合的真谛》（作者：朱文海、唐明南、肖莹莹）
由于制造企业规模（企业集群、大、中、小）不同，对CPS的功能、性能需求不一致，笔者仅给出一种通用的系统组成，供不同规模型制造企业参考，如图1所示。该系统是一个多层次的、横跨虚实两个世界的集成系统。智能制造系统既可以由单一的CPS构成，也可以由多个CPS综合集成而构成（体系）。为便于介绍，将CPS看成一个整体，从横向过程、纵向层次和使用者等不同的角度来阐述CPS的功能组成。每个可独立运行的CPS都可参照此示意图进行系统设计。从横向看，覆盖从用户体验、概念需求、工程设计、生产、售后支持与服务，乃至报废的全生命周期。从纵向看，覆盖信息基础设施、数据服务、平台服务、协同服务、软件服务、应用门户等多个层次。从使用者视角看，覆盖体验中心（需求对接、主题交流、消费者体验）、研发中心（设计、仿真、试验）、生产中心（零部件加工、产品装配、测试）、销售与服务中心（产品销售、服务支持、维修、保障）、回收中心（产品回收、材料循环、销毁）。各利益相关方通过云端互联，端到端集成，实现消费者/主题社区/独立专家、制造商/供应商、经销商/零售商、运输/安装/服务商等共同参与创造价值。对未来的制造企业而言，由于其生产已经从传统的push模式（生产之后想办法卖出去）转变为pull模式（按单设计、按单生产、按单装配等），相应的制造模式、制造系统都发生了相应的改进。价值网络上的所有成员都连接在工业互联网上，在生态圈内形成无边界的“虚拟”企业，项目团队可按需配置人员，敏捷、柔性地进行产品设计、生产、服务等。对于智能制造系统而言，它必须是柔性、可重构、自适应的开放系统，根据自主感知的市场需求变化和预测结果，动态调整系统的配置，并根据任务的进展情况迅速调度制造资源。在智能制造系统中，一条生产线能够生产多种产品。对于大企业和企业集群而言，在构建、完善智能制造系统时，需要通盘考虑已有系统的继承性问题，这是一项复杂的、极具挑战的工作。例如，跨多个工业互联网平台、异地分布、互操作性、系统集成，以及支持成千上万人协同工作等。将生态圈中、产业链上，大量已存在的系统汇集在一起时，看上去各个组成部分应该不会相互补充，它们当然也不会以理想的方式相互配合、协调行动。毕竟，在汇集到同一个架构之前，它们都拥有各自的目的、各自的运行使用构想、各自的做事方式或文化。一旦汇集起来，就有可能需要协调它们的行动，使各不相同的部分更加地互补，以加强它们之间的合作与协调。如果运气好的话，这些工作或许并不需要，但大家最好不要心存这样的侥幸。与大企业相比，中小企业在规模、技术方面存在较大的差距，融资渠道狭窄，又没有品牌优势，其市场竞争较弱，生存空间相对较小，它们要在大企业盘踞的市场中求得生存，实现持续发展，必须寻找适于自己生存的空间，采取合理的策略选择。一般而言，为了获得超额利润，大企业常常采用少品种、大批量的方式，追求规模经济性，这自然就为中小企业留下了很多大企业不屑涉足的狭缝地带，此乃中小企业的自然生态空间（精细划分领域）。在当今经济环境处于买方市场的条件下，市场竞争激烈，中小企业要与大企业同场竞技，按照常规策略是难免要失败的，必须发挥中小企业在灵活性、敏捷性方面的优势。较为典型的策略是与大企业一起置身于一个共同进化、互利共生的商业生态圈中，一个大企业网罗一大批中小企业（主要是大企业所需零部件的生产和供应），建立较稳固的协作关系，这是一种伙伴式的市场关系，一种属于大企业领导体制的企业系列，一种共同进化、互利共生的商业生态系统。中小企业的生存应力求进入这种系统，通过该种商业生态圈的运行，以自身专用资产与大企业长期合作，“靠山吃山”，实现自身的持续发展。如图2所示，中小企业构建CPS系统时，多以配套制造业伙伴式生态圈中头部核心企业为主（M1，M2，…，Mn），通过租赁工业互联网平台提供的支撑/应用服务来定制适合中小企业核心业务的系统级CPS（专、精、特），节约购置软硬件的成本，避免小而全。与此同时，可以通过工业互联网平台提供的接口工具，较容易地接入到整个“大制造”生态圈的产业链级（伙伴是生态圈）CPS中。以下以航天云网INDICS平台提供的云制造支撑系统CMSS和系统级应用为例，说明构建不同区域（L1，L2，… ，Ln）的中小企业企业（A，B，C… ）的系统级CPS。（1）基于INDICS云制造支撑系统CMSS层开展中小企业智能车间/工厂CPS系统构建（图3）。其核心是通过云排产承接大企业跨企业智能生产协同产生的生产订单，形成产业集群CPS系统；并通过“云虚拟工厂++”开展高级计划排程后下发云MES（企业无MES时实施）执行，形成系统级CPS系统；此外，通过制造大数据中心的互联，实时监控各企业生产执行情况反馈给云排产系统进行闭环反馈调整确保订单的精准有效执行，完成基于工业互联网平台的生产过程在线协同。其中，“云虚拟工厂++”CPS系统带有数据智能分析的，接收本企业智能化改造基础上建立的制造数据中心中的各类数据，并通过对本企业车间/工厂的布局规划、高级计划排程方案仿真推演，生成适应大企业节拍的车间布局和生产计划。（2）基于INDICS设备层的IIOT开展中小企业系统级智能设备/工位CPS系统构建（图4）。其核心是在本企业内部建立能够适应不同产品生产工艺的柔性工位，通过云设备接入工业互联网平台，既能够通过本企业租用的云MES与该设备/工位互联，也可以接入其他企业云MES系统实现空闲时设备/工位利用。其中，工位云设备CPS系统需要建立工业机器人实时操作系统，用于感知物理世界状态、建立机器+环境的虚拟仿真系统、AI赋能的运动控制智能体训练、模型生成指令下发、执行情况反馈等全过程，采用以虚映实、以实促虚的方式解决柔性工位的快速实施难题。对于大型企业，由于信息安全、数据保密等诸多方面的原因，不可能将智能制造系统全部部署在工业互联网平台服务商提供的软硬件系统上。大型企业需要在用户自己的软硬件系统上建设自己的智能制造系统。如图5所示，大企业构建CPS系统一般在本企业内部数字化条件建设基础上（一般包括数字化管理、数字化系统工程、数字化生产制造、数字化研发与试验、数字化基础与安全等方面的条件建设），通过购入工业互联网平台建设私有云的方式与本企业内部数字化条件集成，实现虚拟空间和物理空间的各类制造信息、制造装备/产品、制造业务的数字化接入；同时围绕产品全生命周期的虚拟模型（产品虚拟样机+企业运行模型+试验环境模型+综合保障模型+生产过程模型）和物理过程（产品及其使用环境+采购物流人力财务等管理过程+实物/半实物试验验证活动+装配训练保障活动+工艺生产活动），开展各领域应用CPS系统建设，包括智慧企业运行CPS系统（支持产品研制的价值链和供应链分析）、协同设计CPS系统（支持产品设计改进方案和协作模式分析）、智能制造CPS系统（支持可装配性、可制造性分析）、智能试验内场CPS系统（支持功能、性能、效能仿真分析）、智能运维保障CPS系统（支持可维修性、保障性分析）等；最终通过数据增值服务（DaaS层）、业务协作增值应用（CoaaS层）等实现赛博空间模型层到物理空间的映射控制，以及物理空间产生的数据分析模型向赛博空间的反馈优化过程，实现“CPS+AI”赋能下的需求迭代/设计改进/精准仿真、试验减少/故障预测/产品改进的绩效。此外，通过“私有云+公有云”的协作模式，可以扩展大型企业的外部产业生态和市场能力，通过私有云门户层与其他工业互联网平台的链接，实现企业生态圈利益相关方的接入。国内外当前已经涌现了一批以大企业原有业务背景为依托的专业工业互联网平台型企业/产品，典型的包括以面向高端装备行业的集团航天云网INDICS平台、面向服务行业规模化定制的海尔COSMOPlat平台、富士康Beacon平台，以及国外的GE Predix和西门子MindSphere。研究发现，各平台架构基本一致，主要包括资源接入层IoT层、IaaS、PaaS/DaaS和COaaS层5个层次，在每一个层次，不同工业互联网平台能力建设各有侧重。目前，通用电气（GE）的 Predix和西门子的MindSphere，由于不能本地化，国内大企业企业几乎没有使用它们。而且，GE Digital因经营问题已经转型，不再提供Predix服务。关于企业集群的定义由于研究背景不同有不同的理解，但基本都强调企业的专业化分工、区域的相对聚集。生态圈企业集群模式具有相对灵活的组织架构和较为稳定的协作模式，具备基于本地互联后形成的聚集优势，并与全球产业链对接的能力。根据《促进中小企业特色产业集群发展暂行办法》（工信部企业[2022]119号）中的要求，企业集群要增强创新活力和产业链关键环节配套能力，近期评选的100家特色产业集群，可以按功能划分为：生产制造类产业园区，包括浙江省绍兴市上虞区氟精细化工产业集群、山东省滕州市中小数控机床产业集群、贵州省遵义市汇川区精密零部件产业集群等；创新研发类产业园区，包括海南省海口市龙华区数字创意设计产业集群、天津滨海新区车规模芯片产业集群、上海宝山区成套智能装备产业集群；服务类企业园区，包括北京市海淀区行业应用软件产业集群、河北省河间市再制造产业集群等。如图6所示，生态区企业集群在构建CPS系统时重点是增强内部规模化效应和对接上游需求企业，因此需要建立跨多个工业互联网平台（F1/F2…）的多级集成CPS系统,实现本区域内的生产制造、创新研发、服务等专业能力按行业/按能力大小等维度区分（例如生产能力M-A/M-B/M-C/M-D/M-E、研发能力R-A/R-B/R-C、服务能力S-A/S-B等），并通过不同工业互联网平台在区域内实施能力集成定制化实施实现聚集后的能力包上云，以构成增强型的“制造-供应协同、创意-研发方案协同、软件/运输/金融等服务协同”的集聚效应，最后通过与不同行业CPS系统对接，实现集群聚集涌现能力与上游企业的集成。下面通过典型示例简要说明生态圈企业集群CPS的构建方式。（1）以龙头企业工业互联网平台为核心的生态圈CPS系统（图7）。这种模式下，生态圈企业CPS系统产生的聚集能力接入方式需要以龙头核心企业（M1）的CPS建设模式为牵引，即需要与龙头企业的私有云或承接对接业务的公有云对接。这种模式下要以集群能力（虚拟企业A/B/C/D…）到制造过程的服务集(产品设计/生产加工/仿真评估… …)为映射关系开展“制造能力”注册发布发现标准制定，统一集群内部使用的APP标准/数据标准/工艺质量标准等。（2）同质企业规模化生态圈模式下的CPS系统（图8）。这种模式适用于产生了规模效应的特色生态集群，该生态集群以多个区域同质化制造能力集群为基础，建立基于工业互联网平台的行业工业云F1，同时接入本行业其他区域公有云（F2/F3）中的同质能力，形成统一的行业集成标准接口规范。以此为基础，与其他行业的核心企业公有云/私有云（F4/F5/F6）开展接口适配，实现与这些大型企业的对接。
