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【专家解读】CPS是什么?如何看?怎么干?_2

发表于:2019-06-04 11:29 作者:新闻小编 来源:新闻小编

本文分别从CPS的总体定位、技术要素和层次体系三个方面讲述了什么是CPS(是什么?),从五点统一认识讲述了如何理解和看待CPS(怎么看?),又从建设思路和重点任务两个方面讲述了如何推动和发展CPS(怎么干?)。

《关于CPS的几点思考——CPS是什么?如何看?怎么干?》是工信部信息化和软件服务业司安筱鹏副司长为《信息物理系统白皮书(2017)》编纂的序。

受篇幅限制,序分成上、中、下三部分于近期陆续发布。本期发布的《关于CPS的几点思考》(上)主要阐明了CPS是什么?包括:一个总体定位、四大核心技术要素及三个层次体系。

关于CPS的几点思考

—CPS是什么?如何看?怎么干?(上)

2006年美国国家科学基金会(NSF)组织召开了国际上第一个关于信息物理系统的研讨会,并对Cyber-Physical Systems(即CPS)这一概念做出详细描述。此后美国政府、学术界和产业界高度重视CPS的研究和应用推广,并将CPS作为美国抢占全球新一轮产业竞争制高点的优先议题。2013年德国《工业4.0实施建议》将CPS作为工业4.0的核心技术,并在标准制定、技术研发、验证测试平台建设等方面做出了一系列战略部署。CPS因控制技术而起、信息技术而兴,随着制造业与互联网融合迅速发展壮大,正成为支撑和引领全球新一轮产业变革的核心技术体系。

《中国制造2025》提出,“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”,要围绕控制系统、工业软件、工业网络、工业云服务和工业大数据平台等,加强信息物理系统的研发与应用。《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》明确提出,“构建信息物理系统参考模型和综合技术标准体系,建设测试验证平台和综合验证试验床,支持开展兼容适配、互联互通和互操作测试验证。”

当前,《中国制造2025》正处于全面部署、加快实施、深入推进的新阶段,面对信息化和工业化深度融合进程中不断涌现的新技术、新理念、新模式,迫切需要研究信息物理系统的背景起源、概念内涵、构成要素、应用场景、发展趋势,以凝聚共识、统一认识更好的服务于制造强国建设。现结合两化深度融合工作,就信息物理系统谈几点认识和体会:

1.一个总体定位

CPS是支撑两化深度融合的一套综合技术体系

信息化和工业化融合是人类社会两个重要发展历史进程的交汇。从社会形态演进角度看,其所引发的生产方式变革与生活方式调整正在构建信息社会发展新蓝图;从经济发展角度看,其所推动的资源配置方式优化与发展方式转变正在构建现代产业体系新格局;从工业发展角度看,其所催生的智能化技术装备、协同化创新体系、柔性化生产方式、集约化资源利用、精准化管理模式正在重塑新时期国家竞争新优势。

我国正处于信息化大背景下工业化加速发展的历史时期。党的十七大做出了大力推进信息化与工业化融合的战略部署,十八大又进一步提出信息化和工业化深度融合。去年4月19日,习近平总书记在网络安全和信息化工作座谈会上强调要“做好信息化和工业化深度融合这篇大文章”。推动信息化和工业化融合是历史赋予工业和信息化部的重要使命,是立部之本,更是全国工业和信息化系统的共同责任。

推动信息化和工业化深度融合,就是要深刻把握全球信息化深入发展与中国工业化进程加速交汇的时代特征,在全面提高信息化水平的基础上,促进信息技术向工业体系全面渗透,加快实现信息化基础上的新型工业化。推动信息化和工业化深度融合,就是要实现信息技术从单项业务应用向多业务综合集成转变,从单一企业应用向产业链协同应用转变,从局部优化向全业务流程再造转变,从提供单一产品向提供一体化的“产品+服务”转变,从传统的生产方式向柔性智能的生产方式转变,从实体制造向实体制造与虚拟制造融合的制造范式转变。

从实践来看,两化深度融合具有四个基本特征:一是内生性,两化深度融合是企业提升劳动生产率、获取竞争新优势的重要手段和途径,具有内生的自增强机制。二是创新性,两化深度融合是一个伴随技术、商业模式和组织体系创新的过程,需要构建相适应的制度和管理新模式。三是层次性,两化深度融合体现在技术、产品、装备、工艺、管理等方面,也体现在发展理念、产业体系、生产方式、业务模式等方面。四是长期性,两化深度融合是一个从局部到整体的拓展、从点线到面的延伸、从技术变革到组织制度变迁的演进,这一转变是不断持续演进的过程。

当前,面对抢占新一轮科技革命和产业变革竞争制高点的新形势,面对“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向”的战略方针,面对从制造大国向制造强国转变的战略任务,迫切需要构建支撑两化深度融合的技术体系。信息物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术,构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统,实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。可以看出,信息物理系统是工业和信息技术范畴内跨学科、跨领域、跨平台的综合技术体系所构成的系统,覆盖广泛、集成度高、渗透性强、创新活跃,是两化融合支撑技术体系的集大成。信息物理系统能够将感知、计算、通信、控制等信息技术与设计、工艺、生产、装备等工业技术融合,能够将物理实体、生产环境和制造过程精准映射到虚拟空间并进行实时反馈,能够作用于生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期,能够从单元级、系统级到系统之系统(SoS)级不断深化,实现制造业生产范式的重构。从新一轮产业变革的全局出发,结合多年来推动两化融合的实践,我们认为,信息物理系统是支撑信息化和工业化深度融合的综合技术体系。

2.四大技术要素

“一硬、一软、一网、一平台”

是CPS的四大核心技术要素

美国国家科学基金会、美国国家标准与技术研究院、德国国家科学与工程院、欧盟第七框架计划等研究机构或科研项目对信息物理系统的概念、定义不尽相同,但总体来看,其本质就是构建一套赛博(Cyber)空间与物理(Physical)空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系,解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题,提高资源配置效率,实现资源优化。状态感知就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态,实时分析就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化,科学决策就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享,精准执行就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应,这一切都依赖于一个实时、可靠、安全的网络。我们可以把这一闭环赋能体系概括为“一硬”(感知和自动控制)、“一软”(工业软件)、“一网”(工业网络)、“一平台”(工业云和智能服务平台),即“新四基”。“新四基”与中国制造2025提出的“四基”(核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础)共同构筑了制造强国建设之基。

感知和自动控制是数据闭环流动的起点和终点。感知的本质是物理世界的数字化,通过各种芯片、传感器等智能硬件实现生产制造全流程中人、设备、物料、环境等隐性信息的显性化,是信息物理系统实现实时分析、科学决策的基础,是数据闭环流动的起点。与人体类比,可以把感知看作是人类接收外部信息的感觉器官,提供视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这“五觉”。自动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的精准执行,体现为一系列动作或行为,作用于人、设备、物料和环境上,如分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)及数据采集与监视控制系统(SCADA)等,是数据闭环流动的终点。与人体类比,根据指令信息完成特定动作和行为的骨骼和肌肉可以看作是控制的执行机构。

工业软件是对工业研发设计、生产制造、经营管理、服务等全生命周期环节规律的模型化、代码化、工具化,是工业知识、技术积累和经验体系的载体,是实现工业数字化、网络化、智能化的核心。简而言之,工业软件是算法的代码化,算法是对现实问题解决方案的抽象描述,仿真工具的核心是一套算法,排产计划的核心是一套算法,企业资源计划也是一套算法。工业软件定义了信息物理系统,其本质是要打造“状态感知-实时分析-科学决策-精准执行”的数据闭环,构筑数据自动流动的规则体系,应对制造系统的不确定性,实现制造资源的高效配置。与人体类比,工业软件代表了信息物理系统的思维认识,是感知控制、信息传输、分析决策背后的世界观、价值观和方法论,是通过长时间工作学习而形成的。

工业网络是连接工业生产系统和工业产品各要素的信息网络,通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术,能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系统的互联互通,以及物料、产品与人的无缝集成,并呈现扁平化、无线化、灵活组网的发展趋势。工业网络主要用于支撑工业数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行,是实现从单个机器、产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工具,是支撑数据流动的通道。物质(机械、如导线)连接、能量(物理场、如传感器)连接、信息(数字、如比特)连接、乃至意识(生物场,如思维)连接,为打造万物互联的世界提供了基础和前提。与人体类比,工业网络构成了经路脉络,可以像神经系统一样传递信息。

工业云和智能服务平台是高度集成、开放和共享的数据服务平台,是跨系统、跨平台、跨领域的数据集散中心、数据存储中心、数据分析中心和数据共享中心,基于工业云服务平台推动专业软件库、应用模型库、产品知识库、测试评估库、案例专家库等基础数据和工具的开发集成和开放共享,实现生产全要素、全流程、全产业链、全生命周期管理的资源配置优化,以提升生产效率、创新模式业态,构建全新产业生态。这将带来产品、机器、人、业务从封闭走向开放,从独立走向系统,将重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系,重构生产体系中信息流、产品流、资金流的运行模式,重建新的产业价值链和竞争格局。国际巨头正加快构建工业云和智能服务平台,向下整合硬件资源、向上承载软件应用,加快全球战略资源的整合步伐,抢占规则制定权、标准话语权、生态主导权和竞争制高点。与人体类比,工业云和智能服务平台构成了决策器官,可以像大脑一样接收、存储、分析数据信息,并分析形成决策。

3.三个层次体系

单元级、系统级、系统之系统级

是CPS的三个层次

理解和认识信息物理系统要树立系统观和层次观,要深刻把握信息物理系统演进和发展的规律。具体来说,信息物理系统具有明显的层级特征,小到一个智能部件、一个智能产品,大到整个智能工厂都能构成信息物理系统。信息物理系统建设的过程就是从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不断向大系统、巨系统演进的过程,是从部门级到企业级、再到产业链级、乃至产业生态级演进的过程,是数据流闭环体系不断延伸和扩展的过程,并逐步形成相互作用的复杂系统网络,突破地域、组织、机制的界限,实现对人才、技术、资金等资源和要素的高效整合,从而带动产品、模式和业态创新。

单元级是具有不可分割性的信息物理系统最小单元。可以是一个部件或一个产品,通过“一硬”(如具备传感、控制功能的机械臂和传动轴承等)和“一软”(如嵌入式软件)就可构成“感知-分析-决策-执行”的数据闭环,具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能,典型如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。每个最小单元都是一个可被识别、定位、访问、联网的信息载体,通过在信息空间中对物理实体的身份信息、几何形状、功能信息、运行状态等进行描述和建模,在虚拟空间也可以映射形成一个最小的数字化单元,并伴随着物理实体单元的加工、组装、集成不断叠加、扩展、升级,这一过程也是最小单元在虚拟和实体两个空间不断向系统级和系统之系统级同步演进的过程。

系统级是“一硬、一软、一网”的有机组合。信息物理系统的多个最小单元(单元级)通过工业网络(如工业现场总线、工业以太网等,简称“一网”),实现更大范围、更宽领域的数据自动流动,就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂,实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作,进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。系统级CPS基于多个单元级最小单元的状态感知、信息交互、实时分析,实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。由传感器、控制终端、组态软件、工业网络等构成的分布式控制系统(DCS)和数据采集与监控系统(SCADA)是系统级CPS,由数控机床、机器人、AGV小车、传送带等构成的智能生产线是系统级CPS,通过制造执行系统(MES)对人、机、物、料、环等生产要素进行生产调度、设备管理、物料配送、计划排产和质量监控而构成的智能车间也是系统级CPS。

系统之系统级(即SoS级)是多个系统级CPS的有机组合,涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SoS级CPS通过大数据平台,实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作,促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动,在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。基于大数据平台,通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资源、建设开发社区,加快各类工业APP和平台软件的快速发展,形成一个赢者通吃的多边市场,构建一个新的产业生态。西门子Mindsphere、GE Predix以及海尔COSMO、PTC的Thing Worx等软件和大数据平台,通过实现横向、纵向和端到端集成,形成了开放、协同、共赢的产业新生态,体现了SoS级CPS的发展方向。


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