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關于中國CPS發展方向及趨勢的建議

? ? ? 由于德國提出的工業4.0概念體系是基于信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems,后面統一用CPS表示),工業4.0研究院自2013年成立以來,CPS一直是研究和試驗的重點。除了研究CPS概念和體系,工業4.0研究院還積極通過對美國CPS-VO開放的開源項目進行研究,對CPS希望解決的各種關鍵技術問題有較好的了解。

? ? ? 按照工業4.0研究院重點研究方法技術成熟度水平(TRL,Technology Readiness Level),CPS的核心價值體現在科學層面,而不是技術和工程,這是建議的核心內容。

? ? ? 一、CPS的基本概況及發展

? ? ? 在2006年,美國NSF提出了CPS的概念,并開始了10年時間的“新學科”(New Science)建設過程。根據NSF公開的資料稱,美國希望通過10-20年的時間,為信息系統與物理系統融合構建一套新的學科。

? ? ? 事實上,在2016年,美國科學、工程研究院發布了《美國信息物理系統教育規劃報告》(A 21st Century Cyber-Physical Systems Education),同時,美國商務部下屬NIST在2014年也開始推進CPS PWG相關工作,由此可見,美國認為CPS的基本體系已經形成,并開始進入應用階段了。

? ? ? 在2010年3月1日,德國工程院就啟動了agendaCPS項目,并通過近2年時間的研究,發布了《信息物理系統綜合研究報告》(Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems),在這個項目中,德國首次提出了“CPS+制造業=工業4.0”的提法,從而使得2012年繼續開展了工業4.0的研究,并于2013年發布了《德國工業4.0未來項目實施建議》(Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0)。

? ? ? 總體來講,根據工業4.0研究院的判斷,雖然德國工業4.0是基于CPS來構建的,但由于德國相關研究不夠系統深入,事實上,掌握CPS相關技術比較深入的,仍然是美國各個研究機構及大型企業(特別是航天軍工等),這也是為什么德國企業(例如西門子、SAP等)在推廣解決方案的時候,談及CPS較少的緣故。不過,CPS對于構建工業系統仍然是非常重要的,德國工業4.0平臺與NIST建立了聯系,希望“跟進”美國在CPS或物聯網方面的研究,為此,美德兩國建立了U.S.-German Workshop on the Internet of Things (IoT) / Cyber-Physical Systems (CPS)。

? ? ? 二、CPS的最新進展情況

? ? ? 通過過去10年時間的探索,美國學界(主要以NSF的認識為主)及企業基本上達成了一個認識,那就是CPS更大程度上是一種科學(Science),雖然在技術(Technology)和工程(Engineering)上有應用的可能,但也比較適用于較為復雜的場景——例如,航天、航空、軍工、汽車等。不過,CPS作為一門新學科,具有較大發展潛力,之所以說CPS在工程上比較困難,主要原因還是工程工具難以發明,或者還沒有發明。

? ? ? NSF仍在繼續以Cyber-Physical Systems(CPS)項目方式發放研究支持資金,其項目號為:NSF 18-538,在2018年的項目申請要求中,NSF明確指出由于人工智能的應用,給CPS帶來了大量的研究機會。

? ? ? 在NSF 18-538長達80頁的文檔中,有幾個重點可以關注,供同行參考:

? ? ? 1. 在第16頁,NSF強調了CPS的科學(Science)、技術(Technology)和工程(Engineering)研究內容,做了很好的區分,建議行業人士重點關注。

? ? ? 2. 由于CPS是一個跨領域的項目,NSF聯合其他單位,早期就設立了CPS Virtual Organization(CPS-VO),有效的分享了各種信息,真正實現了創新生態(Innovation Ecosystem)的建設,大大促進了產學研的溝通與交流。

? ? ? 3. NSF在推進CPS的時候,并沒有僅僅把該項目限定到NSF 18-518,而是延展到NSF 18-513(Major Research Instrumentation Program:Instrument Acquisition or Development)、NSF 17-581(CISE Research Infrastructure)、NSF 18-520(Smart and Connected Communities)等項目,通過多個研究項目協作,實現CPS的全面發展。

? ? ? 三、中國CPS發展的思路

? ? ? 由于CPS涉及到科學、技術和工程,需要協調的資源和要完成的研究比較多,它在中國的發展面臨三方面的挑戰。

? ? ? 第一,中國要發展CPS,還存在認知上的挑戰。目前我國科研體系并沒有把CPS作為一個主題來研究,雖然科技部有部分相關研究,甚至于在2006年美國NSF提出CPS的時候,中科院也有相關專家跟進該主題,但隨著我國提出希望一步到位發展物聯網,導致CPS的基礎研究工作一直處于停滯地位。隨著德國工業4.0把CPS作為基礎技術,促使我國也開始探討CPS的應用,由于CPS作為科學的相關知識體系沒有建立,導致其普及程度和速度遠遠低于其他概念,例如智能制造、工業互聯網、人工智能等。

? ? ? 因此,要進一步推動CPS的發展,應該注意:

? ? ? 1. 明確CPS的邊界,特別是科學、技術和工程的邊界,科學研究應該給科技部、中科院或高校來完成,而工信部相關單位應主要集中到工程及相關標準的制定和完善,可以涉足到部分技術問題。當然,由于三個層面的CPS并非涇渭分明,與各參與單位保持溝通和協作,頗有必要。

? ? ? 2. 建設類似CPS-VO的平臺,讓科學研究者、技術開發者和工程設計者都可以找到一個了解認識CPS的平臺,同時還可以參與相關的主題研討會,以及與同行進行切磋的機會。

? ? ? 第二,對于CPS的發展,還存在創新體制和模式的挑戰。客觀的講,美國通過NSF組織科學家重點解決CPS科學原理創新的問題,各個大學及大企業的研究機構重點解決技術問題(例如Berkeley就做了一個開源的CPS項目,名為Ptolemy I/II),而美國商務部下屬的NIST重點為企業應用CPS掃清了參考架構(Framework)和標準的障礙。這是美國創新體制和模式的最佳體現。

? ? ? 由于美國、德國和歐盟等已經在CPS的科學和技術研究上做了大量的投入和研究,大部分研究成果都可以通過公開途徑獲得,目前利用這些成果的難點是缺乏專家和投入進行梳理和解讀,這將導致我國在應用CPS的過程中困難重重,特別是一些裝備提供企業,在利用CPS為客戶提供解決方案的時候,往往發現缺乏充足的資料和參考。

? ? ? 建議可以依托前面提及的類似CPS-VO平臺,組織行業內專家,通過翻譯國外資料或組織專家團隊撰寫系列書籍等方式,為中國制造業發展提供一些公共產品(Public Goods),這些工作也將為其它計劃(諸如工業互聯網、智能制造等)提供專業的基礎知識。

? ? ? 第三,在工程應用層面,不管是德國的企業(例如西門子等),還是美國的企業,很少有把CPS作為解決方案來進行營銷的。之所以出現這種狀況,跟CPS更多以科學存在頗有關系,所以,建議不宜把CPS的應用層面定位為CPS自身,可以借鑒美國企業的做法,它們主要把更容易理解的數字孿生體(Digital Twin)和數字線程(Digital Thread)作為MBSE的應用。

? ? ? 德國在推進工業4.0的時候,由于其主要工業哲學是高度集成,初期也是希望利用CPS來構建其工程體系,并設計了諸如管理殼(Administration Shell)等概念,甚至于日本也模仿其方式,采取了差不多的方法來構建系統工程(Systems Engineering)的最小單元,但從主流企業實際采用的方法來看,CPS并不是特別適合構建MBSE,而是應該采取其他MBSE工具。從各企業的實踐來看,數字孿生體和數字線程已經成為標配,甚至于德國企業西門子也通過這個概念重構了其解決方案。

? ? ? 建議在推進CPS工程解決方案的時候,應該重點注意新概念和工具的引入,特別是諸如數字孿生體和數字線程,還有人工智能等新技術,這樣才會使得CPS保持活力,同時也使得中國CPS發展與全球同步。

? ? ? 四、工業4.0研究院可發揮作用

? ? ? 從公開可以看到的信息資料來看,工業4.0研究院長達5年時間對CPS的跟蹤研究,已經處于國內前列。在跟蹤美國、德國和歐盟的CPS研究和應用方面,工業4.0研究院一方面重視相關資料的收集和翻譯,例如,針對NSF、NIST和德國工程院等撰寫的白皮書或報告,都有全文的翻譯,涉及字數高達近百萬;另外一方面,工業4.0研究院一直把原理技術驗證放到重要位置,例如,對于NSF推進的CPS-VO提供的CPS相關開源項目,大都做了技術上的解讀和驗證,特別對于GE在IIC提供的DMC開源項目,工業4.0研究院組織人員做了較詳細的剖析。

? ? ? 目前,工業4.0研究院已經在重慶設立了全資公司(翼絡工業互聯網(重慶)有限公司),主要目標是利用CPS的研究成果,構建一套“工業互聯網操作系統”。雖然行業內大部分把PaaS認為是工業互聯網平臺,但工業4.0研究院認為,整合硬件(傳感和促動層)和基礎設施(IaaS),應該是工業互聯網一種形態,可以體現為基于CPS的“工業互聯網操作系統”,這是等同于PC領域的虛擬硬件(例如,電腦的打印是通過驅動來實現的,驅動就是數字孿生體的一部分,而實體的數字孿生體是物理的打印機),這至少是未來工業互聯網的發展方向之一。

? ? ? 以上是工業4.0研究院針對中國CPS的一些思考和研究成果,分享給行業人士,便于大家共同推進相關工作,實現中國的工業互聯網和CPS創新發展。

 

胡權:重新定義智能制造

作者:胡權,工業4.0研究院院長兼首席經濟學家,本文發布在2018年1-2月刊《清華管理評論》

? ? ? 人類社會進入工業化時代已經有260年,但真正給制造業賦予智能化的能力,也是在計算機發明之后,這期間經歷了計算機集成制造系統(CIMS,Computer-Integrated Manufacturing Systems)、嵌入式系統、信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems)、智能制造等概念的引入及發展。其中,智能制造的概念通俗易懂,一直受到行業人士的追捧,可惜自1989年日本雄心勃勃想把智能制造概念體系化失敗之后,智能制造一直以描述性或不系統的中庸假說方式存在,本人在2016年9月號《清華管理評論》上發表的《智能時代的新自動化挑戰》中,就對中庸假說進行了較為詳細的介紹。

? ? ? 即便如此,最近幾年時間,德國、美國、中國和日本等制造業主要國家,紛紛提出以新一代技術推動的制造技術為核心的國家制造業戰略,其指向卻可以用智能制造這個中庸假說的概念來描述。德國提出的工業4.0體系中,智能工廠是根本;美國通用電氣提出的工業互聯網體系,也有所謂智慧工廠(Brilliant Factory);中國則直接把智能制造作為中國制造2025的主攻方向;而日本經過長時間猶豫,2017年也宣布要推進基于信息物理系統的智能制造系統(SMS,Smart Manufacturing Systems)。

? ? ? 雖然針對智能制造概念進行嚴格定義和體系化的努力一直都存在,但目前還沒有公認的結果。早在1989年,日本就提出國際研究合作項目IMS,即Intelligent Manufacturing Systems,按照中文的翻譯習慣,我們一般把本文提及的SMS和IMS都翻譯為智能制造系統,而對此不加以嚴格的區分。當時日本提出IMS計劃,其目的被定義為對日本制造業的技術訣竅進行研究,形成體系化的制造業知識系統——也就是可以作為教科書的智能制造學科。雖然日本沒有成功推動教科書式的智能制造學科出現,但人類社會追求先進制造體系化知識的目標并沒有減弱,我們需要重新定義智能制造。

? ? ? 一、歷史視野中的智能制造

? ? ? 在過去的100年期間,人類社會的工業化進展帶來的生產力提升非常巨大,這有賴于電氣化、自動化和數字化帶來的生產系統改進,從而大大發揮了規模經濟的效用。不過,在最近10年時間,從國際經合組織(OECD,Organization for Economic Co-operation and Development)發布的統計數據來看,人類社會的生產力水平僅僅增長了0.5%,這遠比過去動輒幾倍或者幾十倍的增長水平要低,這迫使人們開始思考提升生產力水平的新辦法和新來源。

? ? ? 不僅如此,由于幾乎所有國家都看到了工業化給國家經濟增長和國民富強帶來的好處,紛紛發展工業產業,這也導致了全球不少產業的產能過剩,發達工業國家為此開始思考新的差異化優勢的方式,諸如大規模定制(Mass Customization)等方式就成為了一種選擇。

? ? ? 正是在提升生產力水平和大規模定制兩大需求的驅動下,智能制造作為一種制造技術驅動力,成為了全球各國關注的焦點。事實上,目前正在發生的主要工業國家制造業戰略性的競爭,本質上也是為了實現智能制造,而這種先進制造方面的競爭,更是以1989年日本提出IMS國際研究合作計劃為標志性的事件。

? ? ? 1. 二十年前的日本IMS探索

? ? ? 要真正認識智能制造,我們需要回到上個世紀80年代,日本當時是全球制造業的典范,其制造業產品幾乎席卷了全球,諸如索尼的Walkman隨聲聽、東芝的電視機等產品,成為了當時日本制造的代名詞。由于美國人頗為喜歡日本的電子產品,導致了美國對日本的貿易逆差非常大,同時,美國還認為日本是從美國學習模仿的先進制造技術,導致了“教會了學生,餓死了師父”。在這樣的背景下,一直依附于美國經濟的日本開始考慮要做一些事情。

? ? ? 從當時的歷史記錄來看,當時日本為了降低美國所詬病的貿易逆差,日本承諾讓日元升值,同時也建立了不平等的貿易規則(當時美國進口日本車需要收取關稅,而美國車進入日本則不需要任何關稅),即便如此,日本仍然無法讓美國滿意。

? ? ? 按照2010年日本制造科學技術中心發布的《日本IMS國際合作研究計劃》報告中描述,“1989年6月,在通產省信息產業局舉行了‘工廠自動化愿景座談會’,會議匯總了關于面向21世紀工廠自動化未來展望的報告書。同時會議明確了以制造業國家合作為目的的IMS計劃,并指出日本在生產技術領域有所貢獻是最重要的課題。”

? ? ? 由此可見,當時日本是迫于與美國的貿易糾紛,推動IMS計劃,其主要指向是有政治和經濟目的的。但是,當時日本也在如火如荼推動一些激進的研究計劃,例如人腦計劃、人工智能計劃等,從最后的結果來看,IMS計劃也是當時激進計劃中的一個。從IMS計劃遺留下來的文件來看,當時日本是希望利用人工智能技術,實現制造知識的體系化,從而形成一門先進制造學科,最終,通過對先進制造知識的普及,實現一個智能制造替代人的世界。

? ? ? 例如,當時三菱材料提出了“機械加工過程最優化傳感器融合智能化監測系統(SIMON,Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining)”。該項目計劃是對機械加工的監測要實現人的眼睛、耳朵等感覺器官一樣,使用多個傳感器進行監視,從而實現自動化的目標。該項目負責人三菱材料的增根昭洋介紹該計劃稱,“SIMON計劃是結合人工智能和神經元網絡等最先進的計算機技術和高敏感度傳感器,是為了實現前所未有的高目標計劃。”

? ? ? 事實也證明,三菱材料提出的SIMON計劃的確是高目標計劃。按照IMS計劃的安排,SIMON研發計劃開展的時間是1999年10月到2002年1月,最終結果當然沒有達到預期目標。

? ? ? 另外一個雄心勃勃的研究計劃當屬“下一代生產系統(NGMS,Next-Generation Manufacturing Systems)”,該計劃主要日方負責企業是富士電機、川崎重工和本田技研等知名企業,歐洲參與方包括ABB、卡爾斯魯厄大學和弗勞恩霍夫等,美國參與企業有卡特皮勒、波音、霍尼韋爾和洛克希德馬丁等企業。該計劃開展的時間是IMS計劃啟動的1995年開始,一直到2005年11月,但實際上日本在2003年3月就退出該NGMS計劃了,估計是考慮到該計劃已經不具有可行性。

? ? ? 日本1989年就開始提出的國際研究計劃,歷經5年多時間才真正跟美國和歐洲協調妥當,事實上,在1995年正式啟動IMS計劃的時候,該計劃就已經注定是失敗的。第一,日本發起的IMS計劃,大都是基于人工智能技術可以在制造系統發揮重大作用前提下提出的,當時顯然對人工智能期望過高;第二,進入90年代之后,日本經濟已經被美國壓制下去,日本已經沒有多余的公共研究經費,不太可能支持IMS這樣的大計劃;第三,上個世紀90年代互聯網已經處于蓄勢待發的狀態,至少美國已經沒有多少心思去搞制造業創新的事情,這對于一直希望利用主動承擔IMS計劃的姿態,吸引美國來參與推動的日本頗為失望。

? ? ? 在2010年4月,日本按照2008年就提交的總結報告中所計劃退出IMS國際組織的安排,正式退出了自己一手打造的國際研究組織。后來,歐盟發起了IMS 2020,繼續相關的研究,但對于美國來講,它已經對IMS計劃沒有多少興趣,不過,美國并沒有停止對智能制造相關技術的探索,只是它一直以來以如何在制造業發揮信息技術的優勢作為目標。

? ? ? 2. 信息技術驅動智能制造

? ? ? 在工業近代史上,美國作為主要的創新來源地,提出了大量開創性的概念和思想。例如,早在1973年,約瑟夫·哈靈頓(Joseph Harrington)提出了計算機集成制造(CIM,Computer-Integrated Manufacturing)的概念,當時并沒有受到關注,在1984年的時候,哈靈頓撰寫了《理解制造過程:實施CAD/CAM的成功之道》(Understanding the Manufacturing Process: Key to Successful CAD/CAM Implementation),再次引起了人們的興趣。1985年,美國工程師協會推薦計算機集成制造系統(CIMS,Computer-Integrated Manufacturing Systems)作為先進制造技術的主攻方向,由此拉開了嵌入式系統發展的黃金時期。

? ? ? 不過,據工業4.0研究院觀察,即便全球制造業開始關注CIMS這個概念(例如,1987年左右的時間,清華大學就開始籌建CIMS研究中心),美國研究界仍然把未來的先進制造技術定義為信息技術在制造業的應用。在1993年,美國國家研究委員會發布了《信息技術與制造:研究需求的討論稿》(Information Technology and Manufacturing: A Preliminary Report on Research Needs);在1995年,美國國家研究委員會發布了《制造業的信息技術研究日程》(Information Technology for Manufacturing:A Research Agenda),明確了未來10年的先進制造研究多個議題,例如虛擬工廠、網絡工廠、模型與仿真、制造業的基礎設施等議題。

? ? ? 隨著制造業的信息技術研究的深入,美國研究界發現傳統的概念不足以描述信息空間和物理世界交互的復雜性,為此,美國國家科學基金會(NSF,National Science Foundation)開始考慮創造一門新的先進制造學科,這個目的跟1989年日本提出IMS計劃如出一轍。

? ? ? 2006年,美國國家科學基金會通過長達一年時間的討論,由時任國家科學基金會的官員海倫·吉爾(Helen Gill)創造了一個詞匯——信息物理系統,以此替代嵌入式系統,來描述更為緊密結合的狀態,這種狀態不僅僅是信息的傳遞,還有控制方面的交互,這實際上就是控制論所描繪的最佳狀態了。與會科學家都比較認可這個概念,并且認為信息物理系統是美國研究界未來10-20年應該重點研究的課題。

? ? ? 事實上,美國研究界還真的做了10年左右的研究,直到2014年左右的時間,美國商務部下屬國家標準技術研究院(NIST,National Institute of Standards and Technology)正式接過國家科學基金會的接力棒,籌建了信息物理系統工作組,開始在產業應用方面繼續加強標準的制定和推廣。除了美國官方的機構,由通用電氣牽頭組建的工業互聯網聯盟(IIC,Industrial Internet Consortium),也把推進信息物理系統工程化作為目標。

? ? ? 除此之外,德國在2013年宣布的工業4.0概念和體系,也是構建在信息物理系統基礎上;在2017年,日本經產省的專家也把信息物理系統確定為智能制造系統的基礎,希望在重新定義智能制造過程中扮演重要作用。當然,中國制造一直把吸納西方先進思想和技術作為工業化發展的重要手段,在2016年,工信部下屬研究機構也創建了中國工業互聯網產業聯盟和中國信息物理系統聯盟等組織。

? ? ? 由此可見,經過日本、美國、德國等工業發達國家過去幾十年的研究和探索,已經明確了信息化與工業化融合的主航道,但如何利用信息技術方面,目前已經有信息物理系統、工業互聯網等概念和體系,同時也有諸如數字孿生體(Digital Twin)和數字線程(Digital Thread)等新概念出現,進一步創造具有體系性的概念系統,促進智能制造學科真正建立和發展,是當前人類社會制造業發展的主要任務之一。

? ? ? 二、智能制造的技術基礎設施

? ? ? 對于智能制造,雖然日本早期冒進的探索并無什么實質性的結果,但這給全球研究專家提供了一個難得的觀察機會。事實證明,僅僅依靠傳統的信息技術,是沒有辦法解決制造系統的高效率和柔性需求的,這需要構建諸如信息物理系統等新型的制造系統知識體系。經過近10年的發展,美國國家科學基金會推動的信息物理系統理論體系基本成型,并且已經開始在美國各高校進行信息物理系統的課程教學,由此可見,智能制造原理上的創新基本完成,目前需要解決的是產學研方面的挑戰。

從技術成熟度水平認識智能制造

圖 1 從技術成熟度水平認識智能制造

? ? ? 按照經濟學家卡蘿塔·佩蕾絲(Carlota Perez)在《技術革命與金融資本:泡沫與黃金時代的動力學》(Technological Revolutions and Financial Capital: The Dynamics of Bubbles and Golden Ages)指出,技術革命擁有四個發展階段,分別為構建范式、基礎設施建設、產業化發展和成熟階段。按照工業4.0研究院的判定,人類社會的第四次工業革命還處于構建范式階段,從歷史經驗來看,這個階段會出現大量的各種不同概念和提法,隨著人們的認識逐步深入,更符合實際的概念將占據優勢,從而成為人們的首選。接著,技術革命很快會進入基礎設施建設階段,智能制造作為第四次工業革命的核心技術,需要相應的技術基礎設施提供產業化發展的前提。

? ? ? 根據工業4.0研究院的研究結果來看,通常情況下,智能制造的基礎設施包含低成本的傳感系統、無所不在的云計算資源和實時驅動的制造操作系統等三個方面。從全球各國制造業戰略爭奪的創新生態關鍵點來看,目前還沒有哪個國家完成了這三個方面的技術基礎設施建設。

? ? ? 1. 低成本的傳感系統部署

? ? ? 在本文對智能制造歷史發展過程中的描述中,已經總結了智能制造科學體系的基礎是建立在信息物理系統之上的,這已經在美國、德國、中國和日本等國建立了共識,各個國家正在爭先恐后的搭建信息物理系統基礎設施。例如,美國國家標準技術研究院支持的智能制造領導聯盟(SMLC,Smart Manufacturing Leadership Coalition),就構建了一個開放架構和開源的智能制造平臺(Open Smart Manufacturing Platform),其目的就是為美國制造業提供基礎的信息物理系統。

? ? ? 之所以信息物理系統將成為智能制造首當其沖的技術基礎設施,其根本原因是數據的基本來源是傳感器,這類似人的智能來自五官獲得的基礎信息,從而通過頭腦進行判斷。機器設備也有類似的過程,如果沒有基本信息的采集,機器設備是無法自主的進行判斷,從而也談不上什么智能化的制造過程。

? ? ? 有部分行業人士提出,在諸如航天軍工領域,早就實現了傳感系統的部署,因此,智能制造早就已經實現了。這種認識忽略了整個制造業行業眾多的情況,在一些不計成本不計代價的領域實現了傳感器的部署,一點也不奇怪,事實上,日本在上個世紀70年代,就實現了部分生產系統的傳感器部署,但當時日本提出IMS計劃,就是希望可以在大部分制造行業實現智能化(其主要障礙還是成本),這也是本文所指出低成本的意圖。

? ? ? 中國早在2009年就推動了無錫國家物聯網產業基地的發展,當時的目標也是為了實現所謂傳感網,其目的也是為了構建一個智慧網絡。雖然推進了多年,除了在諸如機場等特定場景實現了一定的應用,傳感網并沒有真正普及起來,其主要挑戰也是低成本的傳感系統部署難以實現。

? ? ? 不僅如此,就全球目前已經發明的主要傳感器種類來講,已經有2萬多種,涉及到物理、化學、生物及特殊目的等種類繁多的傳感器,要真正做到對物理世界跟信息空間的一一對應,傳感器是必不可少的技術基礎設施。既然傳感器種類繁多,價格跨度也比較大,一些價格昂貴的傳感器,只可能在一些高價值產品上應用,例如,蘋果最近推出的iPhone X,就應用了不少高端的傳感器。一般的低價值場景,是難以進行大量的傳感器部署的,主要原因不是技術有難度,而是成本比較高,這是目前構建這樣的傳感網絡技術基礎設施的根本障礙。

? ? ? 如果沒有低成本的傳感系統部署,要實現智能化的制造系統,是有較高難度的。對于車間或者工廠級別的智能制造,要實現較大范圍的傳感系統部署,其投入也不會少,針對于一些中低端制造行業來講,是不具有經濟效用的;對于一些高端制造領域,例如汽車,已經實現了基本的傳感系統部署,可以實現較高的自動化生產。但是,對于要集成產業鏈上下游系統的目的,即便對于汽車產業鏈,一些成本敏感的部件提供商,也是難以實現大規模傳感系統部署的,為此,缺乏低成本的傳感技術基礎設施,是實現不了端到端產業鏈集成的。

? ? ? 無論如何,要實現智能制造,是需要構建一個低成本的大規模的傳感網絡系統,只有具有這樣的系統,才可以為生產系統的進一步智能化提供可能。試著想一下,如果連完整的數據采集都是問題,怎么可能對生產過程進行分析呢?因此,要實現真正意義上的智能制造,低成本的傳感系統是一個關鍵的技術基礎設施。

? ? ? 2. 無所不在的云計算資源

? ? ? 智能制造除了需要作為技術基礎設施的低成本大規模傳感系統,它還需要一個無所不在的云計算資源系統。在日本1989年發起的IMS計劃中,當時各個領先制造企業都面臨全球化的挑戰,因此也提出了諸如Globeman21(對21世紀全球化生產進行的企業整體性研究)和MISSION(全球化分散企業設計、規劃及運營的模型制作及模擬實驗環境相關研究)等課題,從日本總結出版的《日本IMS國際合作研究計劃》報告中描述來看,這些課題都因為技術不夠成熟,并沒有達到預期目的。

? ? ? 如果對20多年前日本推動的IMS計劃失敗的原因進行分析,缺乏無所不在的計算資源(當然也包括高速通信網絡)可能是重要原因之一。據參加IMS-MISSION計劃的日本機械振興協會技術研究所教授日比野浩典回憶,當時這個項目還得到了美國國防部的支持,利用了分散模型技術高水平架構(HLA,High Level Architecture)進行開發,但也因為工程實現上困難重重,并未得到預想結果。

? ? ? 事實上,美國國防部目前仍然在利用高水平架構模型來構建基于模型的系統工程(MBSE,Model-Based Systems Engineering),加上最新發明的數字孿生體及數字線程技術,其先進制造已經達到較高水平。據工業4.0研究院觀察,在推進基于模型的系統工程中,云計算資源是一個最為關鍵的技術基礎設施,如果缺乏這個基礎設施,其系統工程基本上不可用。

? ? ? 對于目前時髦的工業互聯網概念,其本質上也是需要把各種制造資源聯網起來,與消費互聯網不同,工業領域的網絡化大都面臨特性不同的資源,諸如物理特性、化學特性、金融特性等等,這需要針對物理設備的高仿真模型,否則,簡單具有存儲功能的云計算平臺,并不具有多大工業價值,也難以稱為工業云。僅僅把傳統的信息技術系統上傳到云計算平臺上,并不能完全體現其價值,甚至由于商業模式上的一些考慮(諸如差異化競爭優勢等),反而導致傳統的信息技術系統上云并不具有可選性。例如,一些對產品信息或客戶信息敏感的行業,它們可能就不愿意為了降低成本而把這些系統中的數據和信息上傳到云計算平臺上去。

? ? ? 不過,從技術發展趨勢和整個制造業發展需要來看,低成本、安全和獨立(非壟斷)的云計算資源是智能制造發展的基礎,但是,這些云計算資源到底以什么形態為行業提供動力,還是需要進一步商業運行才會清楚。例如,云計算資源是不是可以以平臺賦能的方式存在,或者云計算資源僅僅限定提供存儲和計算能力,避免提供進一步的應用匹配,都是需要更為成熟的試驗,考慮多方利益相關者的述求才可以確定的。

? ? ? 由于消費互聯網發展較為成熟,消費領域的云計算應用也比較迅速,一些消費云計算資源已經成為人們生活必備的基礎設施,例如電子商務、即時通信、電子支付等,但這不意味著工業領域的云計算資源也應該按照同樣的方式或規則進行應用。

? ? ? 從工業企業的行業實踐來看,領先的制造企業意識到傳統的消費云計算基礎設施不足以滿足未來工業級的需要,已經創造了諸如霧計算、邊緣計算等概念,這些概念的核心就是在物理上為需要存儲和計算資源的設備提供服務。因此,霧計算或邊緣計算加上傳統的云計算,組成了一個無所不在的下一代云計算資源,可以為智能制造的實現提供基本的技術基礎設施。

? ? ? 3. 實時驅動的制造操作系統

? ? ? 通常情況下,我們認為制造業所需要的信息技術基礎設施跟消費互聯網的基礎設施有較大的不同,除了本文前面提及的低成本傳感系統和下一代云計算資源,真正實時驅動的制造操作系統也是一個特殊的要求。

? ? ? 大家清楚,個人電腦就是一個信息物理系統,它擁有操作系統(OS,Operating System),你可能應用的是微軟提供的Windows,或者是蘋果一體化的macOS,甚至于基于Linux的個性化安裝包,不管是哪種操作系統,它都需要對物理設備進行虛擬化,在操作系統中,一般是以驅動程序(drivers)的方式提供,它們對諸如打印機、掃描儀、鍵盤和鼠標等硬件設備進行映射,從而實現物理與信息的交互。

? ? ? 如果要實現智能制造系統,那么一個制造業的操作系統就是必要的。通過制造操作系統,可以對各種制造硬件進行管理,例如,數控設備、加工設備、檢測設備等等,這些設備都可以用制造操作系統進行映射,從而兩者(物理與信息)實現互交互(interaction),這就是制造操作系統的基本要求。

? ? ? 有部分行業人士認為制造執行系統(MES,Manufacturing Execution Systems)就是這樣的操作系統,但如果大家對比個人電腦的操作系統,就可以看出,制造執行系統的簡單功能模塊,本質上實現的智能化程度并不高,給制造系統提供的發揮空間也比較小,產生于1995年左右的制造執行系統,其目的還是為了把指令執行準確,而不是為了實現平等的指令和執行交互。換句話來講,制造執行系統并不是基于信息物理系統科學構建的工程系統,它并不能滿足真正的智能制造需要。

? ? ? 可喜的是,制造行業的一些領先企業及研究機構已經基于新的理論成果進行實時操作系統的研究。2006年美國國家科學基金會提出信息物理系統之后,獲得相關資金支助的加州大學伯克利分校的研究團隊,就推出了一個以實時驅動的制造操作系統為目標的信息物理系統原型Ptolemy I/II,該原型還是開源的;另外,伊利諾伊大學2007年也獲得了美國國家科學基金會支助,啟動了嵌入式系統和傳感器網絡操作系統LiteOS的研究。除此之外,斯坦福大學人工智能實驗室、麻省理工學院、卡耐基梅隆大學和德國人工智能研究中心等機構,也推出了基于開源項目的制造操作系統。

? ? ? 經過過去10來年的發展,制造操作系統已經初步具有實用的可能,雖然大部分商業化的平臺系統并沒有指明其系統的基本科學原理和借鑒的研究成果,但大部分商業級的制造操作系統平臺,都通過多種方式受益于信息物理系統的相關研究。例如,通用電氣在2014年推出的Predix平臺,就是利用了它參與美國國家科學基金會項目獲得經驗,甚至于到現在,通用電氣還跟美國制造創新中心數字制造與設計創新研究所(DMDII,Digital Manufacturing and Design Innovation Institute)合作推出了一個開源項目數字制造共性平臺(DMC,Digital Manufacturing Commons)。

? ? ? 總而言之,如果我們要進一步推動智能制造的實現,除了需要繼續進行相關理論的研究,探索智能制造的原理性規律,還需要為智能制造的產學研提供技術基礎設施,一方面需要提供低成本的傳感系統部署,另外一方面,無所不在的適用于工業領域的云計算資源也必不可少,更進一步,針對具體的行業應用,或許需要有企業可以提供實時驅動的制造操作系統或平臺。

? ? ? 三、AI 2.0重新定義智能制造

? ? ? 與20年前日本采用傳統的人工智能來驅動智能制造系統不同,目前人工智能已經進入了大數據、新算法和新計算能力的AI 2.0時代,同時,大量智能產品的出現,使得傳統的裝備制造需要個性化定制的能力,這迫切需要實現新型的智能制造,利用AI 2.0重新定義智能制造就成為當前最為重要的工作之一。

? ? ? 毫無疑問,人工智能到底會在智能制造重定義中扮演什么角色,短期內難以統一大家的認識,但代表信息技術發展的最新階段,人工智能肯定會扮演一個通用目的技術(GPT,General-Purpose Technologies)的角色,它將有可能真正解決制造業長期以來存在的非標問題(指的是制造業的裝備系統,大都需要根據客戶的要求定制,而難以提供標準化的解決方案)。

? ? ? 為此,為了充分利用AI 2.0帶來的重新定義智能制造的潛力,應該統一思想,加強應用研究和創新,并結合到中國制造2025國家大戰略的需要,設計一套適合中國需要的智能制造體系和實施路徑。

? ? ? 1. 為什么要寄希望AI 2.0?

? ? ? 大家應該還記得,日本在上個世紀人工智能熱潮中,也企圖通過人工智能在制造業的應用,實現它提出的智能制造(Intelligent Manufacturing)。即便日本當時糾集了全球領先的工業發達國家參與全球性的IMS共同研究計劃,但最終也因為過于超前而無疾而終。隨著深度學習等新型算法在一些領域的突破,特別是結合到大數據和專用的人工智能芯片,新的被稱為AI 2.0的時代已經在全世界人們關注中來臨,諸如AlphaGo以及AlphaGo Zero杰出的表現,已經讓人們擔心AI 2.0帶來的革命性影響。

? ? ? 目前對于AI 2.0驅動的智能制造,有兩種看法,一種是否定態度,他們認為,在制造系統的核心部分,能夠顯性的利用到人工智能的地方不多,甚至于一些在行業領先企業工作的人士以自己的親身經歷為例,來證明制造系統目前并不需要人工智能;另外一種態度是熱烈擁抱新一代人工智能進入制造系統,通用電氣、西門子和一些日本企業大都悄然加大了工業領域人工智能應用的研究工作,例如,通用電氣的全球研究中心(GRC,Global Research Center)就把人工智能作為未來十年的研究重點,西門子也在2017年11月發布的財務報告中,明確要加強人工智能在工業領域顛覆性作用的研究。

? ? ? 從原理上講,20年前日本推出的一些基于人工智能的智能制造系統研究課題,大都對于計算能力要求過高,有的還對信息技術基礎設施要求也超出了當時通信系統可以提供的能力,諸如此類的技術基礎設施不成熟不完整,加上人工智能工程應用還處于較低水平,導致最后IMS計劃陷入失敗境地,也在情理之中。

? ? ? 隨著互聯網和移動互聯網等應用的快速普及,促使信息技術基礎設施快速發展,已經在開源項目及開放架構等驅使下,形成了一個較低成本的全球化信息技術基礎設施,這可以為制造業應用信息技術奠定一個較好的基礎。更進一步來講,目前在制造業應用人工智能,已經具備了一定的技術基礎,研發和建設成本也基本上可以滿足。

? ? ? 但是,為什么制造業并無多少可見的人工智能應用案例呢?這是縈繞反對人工智能驅動智能制造的人士頭腦中揮之不去的疑問。我們可以從兩個方面來說明,第一,只要我們承認智能制造是可以自決策、自適應和自組織的系統,那么具有高級的智能感知是必須的,人工智能本身就是研究如何模擬人的感知系統和決策系統的科學,這就不可避免要應用到新的人工智能技術;第二,雖然有一些制造企業應用了人工智能,但由于成本還比較高,不具有推廣和商業價值,因此,這些企業目前主要精力還是放在了如何低成本提供智能制造能力,這個能力也跟本文前面提及的三大技術基礎設施息息相關。

? ? ? 客觀的講,由于AI 2.0技術具有傳統人工智能不具有的一些特性,例如,算法不同、大數據的存在以及專用人工智能芯片等,這些技術條件的存在,如果在推動智能制造體系化知識形成過程中發揮作用,是有可能實現智能制造更為廣泛應用的目的,從而達到重新定義智能制造的效果。

? ? ? 2. 大規模定制需要智能制造

? ? ? 對于AI 2.0重新定義智能制造,需要有一個驅動力,與科學研究不同,先進制造技術的應用,需要具有經濟上和經營上的理由。由于過去幾十年的技術擴散,發展中國家較低成本的勞動成本,促使了全球總體上存在產能過剩的局面,這種問題對于勞動力成本較高的國家,尤為突出。正因為如此,這些國家紛紛需要通過升級改造裝備設備,實現智能制造來提升生產力,除此之外,通過智能制造,可以給企業經營帶來靈活性,這在大規模定制方面有較為突出的效果。

? ? ? 雖然在一些簡單的工業領域,可以采用現有的信息技術來實現大規模定制,例如服裝和家具等行業,但對于其他較為復雜的制造行業,現有的信息技術可能就無能為力了,這需要更高級的信息技術——人工智能來實現自動檢測、高級排產以及特定的加工過程(例如噴漆、特定形狀等)。以制造系統的維度來看,AI 2.0驅動下的系統更接近永不疲勞的人機融合制造系統,早期的智能制造系統并不能較好的模擬人的認知,從而無法真正實現智能制造,這是日本上個世紀推動智能制造系統失敗的原因之一,目前計算能力更強、模擬人的智能程度更高的制造系統逐漸被開發出來,實現更多行業的無人工廠將成為可能。

? ? ? 隨著各個國家推進的國家級制造戰略落地實施,各種技術基礎設施也會很快得以實現,大規模定制所需要的裝備制造系統也會出現,諸如沈陽機床利用的i5系統,就可以稱為一種簡單形態的智能制造系統。雖然這個以共享經濟為特征的平臺生態難以短期改變產業形態,但隨著更具有殺手級應用特征的平臺生態出現,相信會迅速推動AI 2.0推動的智能制造出現。

? ? ? 工業4.0研究院分析認為,在工業領域,其產業結構已經較為穩定,短期內難以有革命性的結構改變,共享經濟雖然在消費領域獲得了成功(在大量不計成本的資本推動下),但要在工業領域實現類似的效果,似乎并不容易。如果可以結合到經營性的服務,例如,利用生產制造系統的高度柔性(甚至于是定制化),讓消費者獲得產品具有一定的個性,從而使自己的產品跟競爭對手的產品差異化開來,這是企業家喜聞樂見的結果,也會愿意為之進行投資。

? ? ? 德國工業4.0曾經提出了縱向集成、端到端集成和橫向集成,分別對應了工廠邊界、產業鏈和跨界(跨多條產業鏈)的經濟學邊界,如果利用新型的人工智能技術,它可以為制造系統提供更為靈活的連接方式,而無需顧及傳統的煙囪式信息系統帶來的不便,系統之間的連接,這給企業經營者帶來了更大的靈活性,這也使得各種創新(甚至于是顛覆性)的商業模式成為可能。

? ? ? 因此,在企業家精神促進下,肯定會出現一批尋找差異化競爭優勢的企業,它們會充分利用智能制造帶來重構制造系統的機會,為傳統的產品增加更多的功能,而這些功能可能是智能化的產品形態,毫無疑問,更多智能產品的出現,也反過來要求生產制造系統的進一步升級,實現大規模定制就成為更多行業的標準經營之道,而智能制造是實現大規模定制的最佳選擇。

? ? ? 3. 中國的智能制造新定義

? ? ? 中國在2010年成為了全球制造業產值最高的國家,這是中國100多年之后再次登上全球制造業第一的位置。不過,中國制造的規模雖然處于第一,但其競爭力仍然談不上強大。為此,2015年,中國國務院發布了中國制造2025,并設定未來30年左右的時間,實現中國制造從大國轉向強國的目標。在推進中國制造2025的規劃藍圖中,也明確指出了智能制造是主攻方向。

? ? ? 毫無疑問,從中國制造2025目標的實現要求上來看,智能制造是難以避免的一個概念。目前已經有一些國家智庫對智能制造進行了一些中國式的定義,包括中國工程院,最近也基于AI 2.0的發展,提出了多階段多層次的概念體系。但是,如果僅僅把人工智能認為是智能制造定義的一種技術,而不是其核心技術,很可能會忽視以及浪費AI 2.0對中國智能制造體系構建中的重大價值。

? ? ? 首先,我們需要分清中國的智能制造定義與20年前日本提出的智能制造之間的差別。在筆者看來,20年前日本提出的IMS計劃,過多強調了知識管理的價值,這其實也是目前AI 2.0跟傳統人工智能之間的最大差別,基于大量數據的深度學習,有可能并不清楚其中的因果關系,但最終做出的結果卻達到甚至超出了人的思考決策,這是利用AI 2.0重新定義智能制造的關鍵認識。

? ? ? 其次,對比日本在IMS計劃中推進智能制造和美國2006年提出信息物理系統的思想,兩者有迥然不同的哲學。日本在推進智能制造系統的時候,深深陷入了路徑依賴的問題,他們希望利用人工智能模仿日本的技術訣竅,從而解決另外一個特定問題(可能不是前面技術訣竅的應用場景),這從原理上就是巨大的挑戰。然而,對于美國提出的信息物理系統來講,先提出抽象的概念,再想辦法設計相關的科學體系和工程工具,從而更符合科學發展的原理。

? ? ? 最后,日本在推行智能制造的時候,完全割裂一般制造和裝備制造的目的,導致盲目推動先進裝備制造,而忽視了給消費者提供更好更先進的產品,忘記了日本上個世紀80年代是依靠創新產品而獲得的市場,這在推動IMS計劃的初期,也許就注定了其進展坎坷,難以得到產業界企業的持續支持。中國要推動智能制造,應該把智能產品和智能制造有機的結合起來,讓智能制造為智能產品服務,通過市場的良性循環,讓智能制造的投入物有所值。

? ? ? 對于中國的智能制造新定義,筆者認為,應該充分發揮第四次工業革命智能化和網絡化兩大驅動力的價值。一方面,應該充分認識到AI 2.0對于智能制造的發展具有革命性的意義,從科學原理到產學研都應該投入足夠的資源,這樣才可以保證盡快實現智能制造裝備產業的領先,這還可能為中國創造一個新的裝備設備市場。另外一方面,最近工信部明確了中國制造2025的第二個主攻方向是工業互聯網,這也是第四次工業革命的第二個驅動力,工業互聯網主要可以實現資源的松散連接,從而提升資源的利用效率,在推動智能制造的過程中,也應該加強工業互聯網方式的資源集成,加快中國智能制造產業快速發展。

? ? ? 總結

? ? ? 在第四次工業革命悄然來臨之際,結合到中國制造2025戰略的實施,中國的學者和專家有機會重新定義智能制造,為人類社會的工業化進程做出貢獻。同時,在中國推進供給側改革的時期,利用智能化和網絡化兩大驅動力,重點推動AI 2.0驅動的傳統制造系統轉型和重新設計,能夠有效的解決中國制造大而不強的問題,更進一步,我們還可以通過研究與實踐的有效融合,提升中國的科學發展水平,建立現代化的經濟體系。

關于CPS與Digital Twin的淵源與對比

? ? ? 一直以來,國內行業人士和專家對CPS和Digital Twin這兩個概念,處于一種模糊狀態。究其原因,是因為我們沒有區分科學概念和工程概念之間的差別。本文嘗試從工業4.0研究院過去幾年對CPS的研究及實驗情況,做一個闡釋。

? ? ? 按照字面意義,CPS是Cyber-Physical Systems的縮寫,通常被翻譯為“信息物理系統”;Digital Twin一般被翻譯為“數字孿生體”。從CPS和Digital Twin本質含義來講,兩者都是為了描述信息空間與物理世界融合的狀態,但兩個概念的歷史淵源和工程意義并不完全相同。

Helen Gill在CPSWeek/RTAS 2009 Banquet

Helen Gill在CPSWeek/RTAS 2009 Banquet(來自Albert M. K. Cheng的網站)

? ? ? 就歷史淵源來講,CPS主要是產生于嵌入式系統在工業領域的深度應用,美國NSF的科學家頗感傳統的信息技術(IT,Information Technology)概念無法有效的描述這種更深入的應用,需要“發明”新的概念來闡釋這種趨勢。當時NSF的主管科學家Helen Gill就結合到與會專家的討論結果,提出了CPS這個全新的概念。

? ? ? 國內不少跟蹤研究CPS的專家忽略了一個事實,那就是Helen Gill在提出CPS的時候,明確指出了這個概念屬于科學范疇,在工程上可能難以具體應用,但創造科學概念和體系,本來就是NSF的職責……當時,Helen Gill還指出,希望在(2006年之后)未來10-20年能夠把CPS這門學科建立完善。

? ? ? 所幸在2016年,NSF在CPS創建10周年之際,發布了《美國CPS教育規劃》,宣告CPS科學體系基本建成。

美國軍方的Digital Twin應用模式

? ? ? 美國制造行業的專家對CPS有較為清醒的認識,那就是CPS偏向一些科學原理的驗證,而非工程應用的優化,所以,在實際工作中,真正采用CPS概念去指導工程實踐的情況,主要限于一些航天軍工領域,這些領域的工程系統的確太復雜,用傳統的工程系統實在無法描述清楚。

? ? ? 但是,美國的科學家沒有放棄繼續探索更好用概念體系的想法,特別是在美國軍方的應用中,由于美國政府(主要是奧巴馬政府)對軍費削減得比較厲害,而美國軍事上的投入卻居高不下,這迫使美國軍方尋找一種能夠降低復雜工程系統建設費用的方法,Digital Twin就這樣被選中了。

? ? ? 與CPS主要以傳感器(Sensor)和促動器(Actuator)為主要模塊構建的系統不同,Digital Twin創立之初就明確了以數據(Data)和模型(Models)為主要元素構建的MBSE(Model-Based Systems Engineering),Digital Twin顯然更適合采用人工智能(AI,Artificial Intelligence)和大數據(Big Data)等新的計算能力。

? ? ? 最后,關于Digital Twin這個概念的提出,據工業4.0研究院考證,2011年美國空軍研究實驗室(AFRL,Air Force Research Lab)首次公開提出了這個概念,隨之美國國防部大力推動Digital Twin成為系統工程的主要工具方法,一些國防設備供應商(例如GE等)也逐步在工程中引入Digital Twin這個概念,促使Digital Twin成為了智能制造、工業互聯網等現代先進制造中的核心概念。

? ? ? 關于Digital Twin概念及相關問題,請參考本人撰寫的其他文章。

中國的CPS研究距離美國有多遠?

? ? ? 自從2006年,時任美國國家科學基金會(NSF,National Science Foundation)項目主任的Helen Gill根據討論結果,提出了信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems)的概念,并作為NSF未來10-20年的重要研究課題,同時也意圖跟歐盟的ARTEMIS(Advanced Research and Technology for EMbedded Intelligence and Systems)一爭信息與物理世界融合的未來。

? ? ? 對于中國,雖然早在2007年中科院就啟動了對CPS的跟蹤研究,但由于當時國家主推物聯網,實際上CPS的科學研究并沒有持續進行下去。直至2016年,由于德國工業4.0一直把CPS作為基礎科學,引起了國內的重視,工信部四院牽頭設立了中國信息物理系統論壇,發布了《中國信息物理系統白皮書》。

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美國NSF項目主任Helen Gill的CPS演講

? ? ? 即便如此,中國的CPS研究到底距離美國有多遠?我們在哪些方面還有欠缺?這些問題如鯁在喉,必須盡早解決,才可能促使中國制造2025的實現,否則,我國相關學科和技術差距,可能會越來越遠。

? ? ? 由于美國率先提出CPS概念,自然應該好好梳理一下美國當時提出CPS的意圖。

? ? ? 為此,我們應該了解CPS概念產生的背景,需要回到1990年左右的時間,那個階段正是美國開始啟動信息技術研究的黃金時期,諸如互聯網等應用,就是那個時候開始產業化的,這促成了21世紀的互聯網蓬勃發展。與CPS相關的項目,就有DARPA實施的MoBIES(Model-Based Integration of Embedded Software)、PCES(Program Composition of Embedded Systems)、SEC(Software Enabled Control)和AVM(Adaptive Vehicle Make)等項目,美國交通部(DoT,Department of Transportation)發起的網絡汽車(Connected Vehicle)和智能交通系統(Intelligent Transportation System),美國能源部、國土安全部等也對CPS的安全和彈性比較關注。

? ? ? 按照NSF項目主任Helen Gill在2006年發布的《NSF對信息物理系統的認識》(NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems)中指出,之所以創造CPS這個概念,其本質上是為了給美國指出未來的研究方向,解決信息系統和物理系統融合的挑戰。

? ? ? 加州大學伯克利分校的Edward A. Lee在2006年寫成的《信息物理系統:計算機基礎已經夠了嗎?》(Cyber-Physical Systems- Are Computing Foundations Adequate?)也指出,要解決信息系統與物理系統融合中的問題,已經不能從傳統的嵌入式系統來理解,應該更抽象一些,創造出“信息物理系統”,其目的就是從科學(不是工程或技術)的角度,指明未來所需要的基礎科學的研究議題。

? ? ? 對于當時的各種科學技術基礎研究,Helen Gill和Edward A. Lee等專家都認為,傳統的涇渭分明的計算機學科和自動化學科,都有不可忽視的缺陷,無法為相關的工程應用提供理論指導。例如,Edward A. Lee指出,傳統計算機的順序處理方式和緩存方式,很難為實時的復雜系統提供支撐,當時能夠實現的嵌入式系統,都是較為簡單,其核心需求只是資源有限的場景下,通過C語言等低級語言,編寫一些線程(Thread)來完成簡單的控制需求。這顯然不適合諸如自動駕駛、群體智能等復雜系統控制需要。

? ? ? 基于這樣的“雄心”,NSF組織了美國優秀的科學家,花費了10年時間,基本搭建了一套CPS科學體系,這套體系已經不同于10年前的嵌入式系統。正是在CPS已經形成科學體系之后,GE和思科等公司,才提出了“工業互聯網”和“霧計算”等更高級的概念。

? ? ? 大家可能熟悉德國工業4.0體系中對CPS的描述,嵌入式系統->網絡嵌入式系統->CPS->物聯網,這是正常的順序,也就是說,只有CPS成熟之后,才可能促使物聯網實際可用。回想中國2009年左右大力推動物聯網產業化,實際上并未實現預定目標,當然,IBM神吹的“智慧地球”(差不多就是物聯網),也無疾而終,都是因為違背了基本的科學研究要求。

? ? ? 了解工業4.0研究院的行業人士都清楚,早在2015年,我院就根據已經跟蹤研究2年的CPS成果,專門設立了CPS研究中心,但到2017年上半年,CPS研究中心就關閉了。其中的原因是考慮到CPS本是一種科學,如果要實現具體應用,應該選擇其他概念更好,例如物聯網、工業互聯網或者人工智能等。

? ? ? 回到標題所提出的中國CPS研究跟美國的差距問題。工業4.0研究院觀察到,經過10多年的發展,美國已經圍繞CPS形成了多個創新點,包括CPS的基礎研究(NSF,2006年開始)、行業應用(DARPA、DOT、DOE、Google、GE、Apple等,IIC,2014年)和標準體系(NIST CPS-PWG,2014年)三位一體的格局。

? ? ? 相比較而言,中國雖然對應美國NIST CPS-PWG有工信部四院的“中國信息物理系統論壇”(2016年),與美國工業互聯網聯盟對應,也有工信部信通院的“工業互聯網產業聯盟”(2016年),但對應美國NSF的CPS-VO(Virtual Organization,從2007年開始運行),我國似乎沒有什么部門想對應。這樣就給我國推動CPS研究實踐工作造成了一個缺口——CPS的基礎理論研究是缺失的。

? ? ? 按照NSF十年前提出CPS概念的意圖來講,它們是希望創造一門新科學(New Science),似乎這個目的已經達到,但由于美國還沒有系統化的對相關知識進行整理,形成一個可以傳播的知識體系,這對于我國借鑒學習美國的CPS成就,仍然是不方便和不容易的。

? ? ? 因此,對于中國CPS研究跟美國的差距,應用層面上,我國差不多晚了2年時間,基礎研究基本上沒有(中科院及一些高校有一些研究,但都不成體系)。即便在這樣的情況下,相關應用(例如智能電網、無人駕駛、群體智能等)也在中國不斷推進,到底是中國的實踐可以不需要專門的理論,還是中國企業家更善于模仿學習美國等國的具體商業運作?筆者不得而知。

? ? ? 但是,如果中國想在全球領先,做自己的基礎研究,可能是不得不完成的工作。

*參考資料:

1. NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems,http://www.innovation4.cn/library/r18504

2. Report: Cyber-Physical Systems Summit,http://www.innovation4.cn/library/r18496

3. Cyber-Physical Systems – Are Computing Foundations Adequate?,http://www.innovation4.cn/library/r18500

4. US-German Workshop on IoT/CPS: Report,http://www.innovation4.cn/library/r14008

5. Leadership Under Challenge: Information Technology R&D in a Competitive World,http://www.innovation4.cn/library/r18527

6. PROPOSAL OF A EUROPEAN RESEARCH AND INNOVATION AGENDA ON CYBER-PHYSICAL SYSTEMS OF SYSTEMS(2016-2025),http://www.innovation4.cn/library/r18638

7. Foundations for Innovation in Cyber-Physical Systems WORKSHOP REPORT,http://www.innovation4.cn/library/r18637

8. Reinventing the Automobile: The Cyber-Physical Systems Challenge,http://www.innovation4.cn/library/r18497

9. Modeling and Simulating Cyber-Physical Systems using CyPhySim,http://www.innovation4.cn/library/r18616

10. Cyber-Physical Systems:A Fundamental Intellectual Challenge,http://www.innovation4.cn/library/r18621

11. IoT and CPS:A Focus on Modeling,http://www.innovation4.cn/library/r2344

12. NSF Cyber-Physical Systems Program:Past,Present and Future,http://www.innovation4.cn/library/r18486

關于關閉“CPS研究中心”的通知

? ? ? 工業4.0研究院于2015年4月11日成立了“CPS研究中心”,立足于研究工業4.0體系下的CPS研發主題,現考慮到工業4.0研究院實際需要,決定關閉“CPS研究中心”,相關項目轉移到“人工智能研究中心(AIRCC,Artificial Intelligence Research Center of China)”。

? ? ? 自從2013年工業4.0研究院成立以來,一直把德國工業4.0體系作為研究重點,其中,由于德國工業4.0初期選擇了CPS作為核心技術,所以,工業4.0研究院也一直對CPS頗為關注,并在2015年初設立了“CPS研究中心”,加強了相關技術應用的研究。

? ? ? 工業4.0研究院CPS研究中心主要針對五個主題進行研究和試驗,這五個研究試驗主題是:

? ? ? (一)基于MOS的CPS體系研究

? ? ? (二)高級MES系統及應用研究

? ? ? (三)面向未來制造的SysLM研究

? ? ? (四)基于物聯網的CPS系統研究

? ? ? (五)Robotic CPS理論及應用

? ? ? 通過近四年時間對CPS的工程應用研究,工業4.0研究院對CPS有了深入和全面的了解,一方面認識到CPS對未來工業的重要性不言而喻,另外一方面,我們發現德國工業4.0逐步弱化了CPS的研究力度,這促使我們去思考背后的原因。

? ? ? 結合到工業4.0研究院CPS研究中心對工業級CPS應用的研究和實踐,我們做出了一個重要結論:信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems)產生之初是一個科學概念(美國主要是NSF進行相關研究),目前尚無通用目的的工程解決方案。

? ? ? 由于工業4.0研究院資源有限,加上去年(2016年)籌建的人工智能研究中心取得了較快的進展,一批原CPS研究中心的專家已經遷移到人工智能研究中心,迫使院里做出關閉CPS研究中心的決定。

? ? ? 對于我院關閉“CPS研究中心”的決定,希望大家能夠理解。如有該主題的研究協作,工業4.0研究院也愿意提供一定的支持。有關CPS的主題郵件,請發送到:innobase(#)qq.com

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