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CPS的前世今生

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原文标题:关于中国CPS发展方向及趋势的建议
原文作者:胡权院长  工业互联网沙龙

由于德国提出的工业4.0概念体系是基于信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems,后面统一用CPS表示),工业4.0研究院自2013年成立以来,CPS一直是研究和试验的重点。除了研究CPS概念和体系,工业4.0研究院还积极通过对美国CPS-VO开放的开源项目进行研究,对CPS希望解决的各种关键技术问题有较好的了解。

按照工业4.0研究院重点研究方法技术成熟度水平(TRL,Technology Readiness Level),CPS的核心价值体现在科学层面,而不是技术和工程,这是建议的核心内容。

一、CPS的基本概况及发展

在2006年,美国NSF提出了CPS的概念,并开始了10年时间的“新学科”(New Science)建设过程。根据NSF公开的资料称,美国希望通过10-20年的时间,为信息系统与物理系统融合构建一套新的学科。

事实上,在2016年,美国科学、工程研究院发布了《美国信息物理系统教育规划报告》(A 21st Century Cyber-Physical Systems Education),同时,美国商务部下属NIST在2014年也开始推进CPS PWG相关工作,由此可见,美国认为CPS的基本体系已经形成,并开始进入应用阶段了。

在2010年3月1日,德国工程院就启动了agendaCPS项目,并通过近2年时间的研究,发布了《信息物理系统综合研究报告》(Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems),在这个项目中,德国首次提出了“CPS+制造业=工业4.0”的提法,从而使得2012年继续开展了工业4.0的研究,并于2013年发布了《德国工业4.0未来项目实施建议》(Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0)。

总体来讲,根据工业4.0研究院的判断,虽然德国工业4.0是基于CPS来构建的,但由于德国相关研究不够系统深入,事实上,掌握CPS相关技术比较深入的,仍然是美国各个研究机构及大型企业(特别是航天军工等),这也是为什么德国企业(例如西门子、SAP等)在推广解决方案的时候,谈及CPS较少的缘故。不过,CPS对于构建工业系统仍然是非常重要的,德国工业4.0平台与NIST建立了联系,希望“跟进”美国在CPS或物联网方面的研究,为此,美德两国建立了U.S.-German Workshop on the Internet of Things (IoT) / Cyber-Physical Systems (CPS)。

二、CPS的最新进展情况

通过过去10年时间的探索,美国学界(主要以NSF的认识为主)及企业基本上达成了一个认识,那就是CPS更大程度上是一种科学(Science),虽然在技术(Technology)和工程(Engineering)上有应用的可能,但也比较适用于较为复杂的场景——例如,航天、航空、军工、汽车等。不过,CPS作为一门新学科,具有较大发展潜力,之所以说CPS在工程上比较困难,主要原因还是工程工具难以发明,或者还没有发明。

NSF仍在继续以Cyber-Physical Systems(CPS)项目方式发放研究支持资金,其项目号为:NSF 18-538,在2018年的项目申请要求中,NSF明确指出由于人工智能的应用,给CPS带来了大量的研究机会。

在NSF 18-538长达80页的文档中,有几个重点可以关注,供同行参考:

1. 在第16页,NSF强调了CPS的科学(Science)、技术(Technology)和工程(Engineering)研究内容,做了很好的区分,建议行业人士重点关注。

2. 由于CPS是一个跨领域的项目,NSF联合其他单位,早期就设立了CPS Virtual Organization(CPS-VO),有效的分享了各种信息,真正实现了创新生态(Innovation Ecosystem)的建设,大大促进了产学研的沟通与交流。

3. NSF在推进CPS的时候,并没有仅仅把该项目限定到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)等项目,通过多个研究项目协作,实现CPS的全面发展。

三、中国CPS发展的思路

由于CPS涉及到科学、技术和工程,需要协调的资源和要完成的研究比较多,它在中国的发展面临三方面的挑战。

第一,中国要发展CPS,还存在认知上的挑战。目前我国科研体系并没有把CPS作为一个主题来研究,虽然科技部有部分相关研究,甚至于在2006年美国NSF提出CPS的时候,中科院也有相关专家跟进该主题,但随着我国提出希望一步到位发展物联网,导致CPS的基础研究工作一直处于停滞地位。随着德国工业4.0把CPS作为基础技术,促使我国也开始探讨CPS的应用,由于CPS作为科学的相关知识体系没有建立,导致其普及程度和速度远远低于其他概念,例如智能制造、工业互联网、人工智能等。

因此,要进一步推动CPS的发展,应该注意:

1. 明确CPS的边界,特别是科学、技术和工程的边界,科学研究应该给科技部、中科院或高校来完成,而工信部相关单位应主要集中到工程及相关标准的制定和完善,可以涉足到部分技术问题。当然,由于三个层面的CPS并非泾渭分明,与各参与单位保持沟通和协作,颇有必要。

2. 建设类似CPS-VO的平台,让科学研究者、技术开发者和工程设计者都可以找到一个了解认识CPS的平台,同时还可以参与相关的主题研讨会,以及与同行进行切磋的机会。

第二,对于CPS的发展,还存在创新体制和模式的挑战。客观的讲,美国通过NSF组织科学家重点解决CPS科学原理创新的问题,各个大学及大企业的研究机构重点解决技术问题(例如Berkeley就做了一个开源的CPS项目,名为Ptolemy I/II),而美国商务部下属的NIST重点为企业应用CPS扫清了参考架构(Framework)和标准的障碍。这是美国创新体制和模式的最佳体现。

由于美国、德国和欧盟等已经在CPS的科学和技术研究上做了大量的投入和研究,大部分研究成果都可以通过公开途径获得,目前利用这些成果的难点是缺乏专家和投入进行梳理和解读,这将导致我国在应用CPS的过程中困难重重,特别是一些装备提供企业,在利用CPS为客户提供解决方案的时候,往往发现缺乏充足的资料和参考。

建议可以依托前面提及的类似CPS-VO平台,组织行业内专家,通过翻译国外资料或组织专家团队撰写系列书籍等方式,为中国制造业发展提供一些公共产品(Public Goods),这些工作也将为其它计划(诸如工业互联网、智能制造等)提供专业的基础知识。

第三,在工程应用层面,不管是德国的企业(例如西门子等),还是美国的企业,很少有把CPS作为解决方案来进行营销的。之所以出现这种状况,跟CPS更多以科学存在颇有关系,所以,建议不宜把CPS的应用层面定位为CPS自身,可以借鉴美国企业的做法,它们主要把更容易理解的数字孪生体(Digital Twin)和数字线程(Digital Thread)作为MBSE的应用。

德国在推进工业4.0的时候,由于其主要工业哲学是高度集成,初期也是希望利用CPS来构建其工程体系,并设计了诸如管理壳(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来构建系统工程(Systems Engineering)的最小单元,但从主流企业实际采用的方法来看,CPS并不是特别适合构建MBSE,而是应该采取其他MBSE工具。从各企业的实践来看,数字孪生体和数字线程已经成为标配,甚至于德国企业西门子也通过这个概念重构了其解决方案。

建议在推进CPS工程解决方案的时候,应该重点注意新概念和工具的引入,特别是诸如数字孪生体和数字线程,还有人工智能等新技术,这样才会使得CPS保持活力,同时也使得中国CPS发展与全球同步。

四、工业4.0研究院可发挥作用

从公开可以看到的信息资料来看,工业4.0研究院长达5年时间对CPS的跟踪研究,已经处于国内前列。在跟踪美国、德国和欧盟的CPS研究和应用方面,工业4.0研究院一方面重视相关资料的收集和翻译,例如,针对NSF、NIST和德国工程院等撰写的白皮书或报告,都有全文的翻译,涉及字数高达近百万;另外一方面,工业4.0研究院一直把原理技术验证放到重要位置,例如,对于NSF推进的CPS-VO提供的CPS相关开源项目,大都做了技术上的解读和验证,特别对于GE在IIC提供的DMC开源项目,工业4.0研究院组织人员做了较详细的剖析。

目前,工业4.0研究院已经在重庆设立了全资公司(翼络工业互联网(重庆)有限公司),主要目标是利用CPS的研究成果,构建一套“工业互联网操作系统”。虽然行业内大部分把PaaS认为是工业互联网平台,但工业4.0研究院认为,整合硬件(传感和促动层)和基础设施(IaaS),应该是工业互联网一种形态,可以体现为基于CPS的“工业互联网操作系统”,这是等同于PC领域的虚拟硬件(例如,电脑的打印是通过驱动来实现的,驱动就是数字孪生体的一部分,而实体的数字孪生体是物理的打印机),这至少是未来工业互联网的发展方向之一。

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