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CPS与Digital Twin的产生与发展

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原文标题:关于CPS与Digital Twin的渊源与对比
原文作者: 胡权院长  工业互联网沙龙

一直以来,国内行业人士和专家对CPS和Digital Twin这两个概念,处于一种模糊状态。究其原因,是因为我们没有区分科学概念和工程概念之间的差别。本文尝试从工业4.0研究院过去几年对CPS的研究及实验情况,做一个阐释。

按照字面意义,CPS是Cyber-Physical Systems的缩写,通常被翻译为“信息物理系统”;Digital Twin一般被翻译为“数字孪生体”。从CPS和Digital Twin本质含义来讲,两者都是为了描述信息空间与物理世界融合的状态,但两个概念的历史渊源和工程意义并不完全相同。

Helen Gill在CPSWeek/RTAS 2009 Banquet(来自Albert M. K. Cheng的网站)

就历史渊源来讲,CPS主要是产生于嵌入式系统在工业领域的深度应用,美国NSF的科学家颇感传统的信息技术(IT,Information Technology)概念无法有效的描述这种更深入的应用,需要“发明”新的概念来阐释这种趋势。当时NSF的主管科学家Helen Gill就结合到与会专家的讨论结果,提出了CPS这个全新的概念。

国内不少跟踪研究CPS的专家忽略了一个事实,那就是Helen Gill在提出CPS的时候,明确指出了这个概念属于科学范畴,在工程上可能难以具体应用,但创造科学概念和体系,本来就是NSF的职责……当时,Helen Gill还指出,希望在(2006年之后)未来10~20年能够把CPS这门学科建立完善。

所幸在2016年,NSF在CPS创建10周年之际,发布了《美国CPS教育规划》,宣告CPS科学体系基本建成


美国制造行业的专家对CPS有较为清醒的认识,那就是CPS偏向一些科学原理的验证,而非工程应用的优化,所以,在实际工作中,真正采用CPS概念去指导工程实践的情况,主要限于一些航天军工领域,这些领域的工程系统的确太复杂,用传统的工程系统实在无法描述清楚。

但是,美国的科学家没有放弃继续探索更好用概念体系的想法,特别是在美国军方的应用中,由于美国政府(主要是奥巴马政府)对军费削减得比较厉害,而美国军事上的投入却居高不下,这迫使美国军方寻找一种能够降低复杂工程系统建设费用的方法,Digital Twin就这样被选中了。

与CPS主要以传感器(Sensor)和促动器(Actuator)为主要模块构建的系统不同,Digital Twin创立之初就明确了以数据(Data)和模型(Models)为主要元素构建的MBSE(Model-Based Systems Engineering),Digital Twin显然更适合采用人工智能(AI,Artificial Intelligence)和大数据(Big Data)等新的计算能力

最后,关于Digital Twin这个概念的提出,据工业4.0研究院考证,2011年美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Lab)首次公开提出了这个概念,随之美国国防部大力推动Digital Twin成为系统工程的主要工具方法,一些国防设备供应商(例如GE等)也逐步在工程中引入Digital Twin这个概念,促使Digital Twin成为了智能制造、工业互联网等现代先进制造中的核心概念。

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