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信息物理系统CPS演进方向及落地方式

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-04-20  来源:互联网  浏览次数:126
      本文在工信部最近新发布的《信息物理系统白皮书(2017)》对CPS 三个层次划分的基础上,提出了CPS的二维度划分,并衍生出九种CPS落地方式。

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CPS(Cyber-Physical Systems,常见的中文翻译是信息物理系统)源于美国,却因为德国工业4.0而风靡全球,并成为工业4.0的核心技术。在我国,CPS也得到高度重视,在《中国制造2025》中明确强调:“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”,CPS已经成为智能制造的核心支撑技术。

 

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▲CPS系统

近日,随着由工信部信软司指导、“中国信息物理系统发展论坛”编写的《信息物理系统白皮书(2017)》(以下简称“白皮书”)的发布,以及由“走向智能研究院”等单位举办的“CPS信息物理系统专家宣讲团万人微信在线分享活动”的开展,将CPS再次推向了智能制造领域的浪尖。

白皮书对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述,并对CPS进行了三个层次的划分,即单元级、系统级、SOS级(系统之系统),分别以“网”、“平台”为标准,从功能范围上界定了CPS的分级,这对规范大家的认识,推动CPS发展具有非常重要的意义。

但笔者经过深入研究后认为,这种划分只是从横向上进行了一维的定义,在指导落地方面尚显不足,还应该从其他维度进行定义与划分,通过多维度定义、组合、演进,形成更多落地性强的解决方案,从而更好地指导、促进智能制造的发展。

 

下面,笔者期望通过自己的一些观点,起到抛砖引玉的作用,激发大家对CPS的探索,更好地促进CPS的落地与发展。由于CPS在国内外尚处于一个探索阶段,不足之处,敬请各位专家批评指正。

 

1.三个层次清晰揭示CPS演进方向

白皮书将CPS分为三个层次,分别是单元级、系统级、SOS级,通过三个层次的划分,可以清晰地看出CPS的演进发展方向。这种划分方法其实与美国、德国等国家的相关定义基本是一致的。

1.1中国白皮书

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▲白皮书对CPS三个层次的划分

白皮书对这三级CPS的定义如下:

 

单元级CPS:单元级CPS具有不可分割性,其内部不能分割出更小CPS单元。单元级CPS能够通过物理硬件(如传动轴承、机械臂、电机等)、自身嵌入式软件系统及通信模块,构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环,实现在设备工作能力范围内的资源优化配置。

系统级CPS: 在单元级CPS的基础上,通过网络的引入,可以实现系统级CPS的协同调配。在这一层次上,多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS。

SoS级CPS:在系统级CPS的基础上,可以通过构建CPS智能服务平台,实现系统级CPS之间的协同优化。在这一层次上,多个系统级CPS构成了SoS级CPS,如多条产线或多个工厂之间的协作,以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。

白皮书分别以“网”、“平台”为标准,将CPS划分为三级。

 

1.2美国NIST

美国国家标准与技术研究院(NIST)于2016年5月发布了《信息物理系统框架》就是典型的三个层次。分别是人机协同下的设备级、系统级、SOS级,与中国白皮书几乎是完全一致,或者是说中国白皮书参考了该模型。

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1.3德国达姆施塔特技术大学

德国达姆施塔特技术大学(Technische Universit?t Darmstadt)Reiner Anderl教授给出了如下的划分:

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分别是在嵌入式系统与智能传感器等基础上形成智能系统(包含智能传感器与执行器)、CPS系统及CPPS系统(赛博物理生产系统,也是一种典型的SoS)。

从中美德三国对CPS演进的划分来看,中国白皮书划分最为清晰(以“网”、“平台”作为划分标志),美国NIST的最为经典,并且突出了“人”的作用,而德国的演进路径突出了德国最擅长的嵌入式技术、制造技术等特点。

通过这些划分,我们可以很清晰地看到CPS由简单到复杂、由低级到高级的演进路径。

2.一维只能界定属性,二维才能更利于CPS落地

但笔者认为,这种横向一维的划分只是对系统属性进行界定,对指导CPS如何落地尚显不足,如果加上纵向的智能程度属性,形成二维的定义将更有利于对CPS的理解,并可更好地促进CPS的落地。

2.1 智能系统的三个层级

  在笔者共同编著的《三体智能革命》一书中,我们将人造系统的智能根据“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升”的5大特征(简称“20字箴言”)划分了三个纵向的层级,分别是:

  初级智能系统:具备状态感知、自动决策、即刻执行,即有感知、自决策、善动作的系统。这类系统由工业装置自身即可实现。

  恒定智能系统:具备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征,在初级智能的基础上强调了系统的分析与决策能力。

  开放智能系统:具备智能的5个全部特征,状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。系统具有一定的认知能力,并具备了自我改善、学习提升的持续发展能力。

  这三类智能可用下面的图示表示。

2.2 “二维九格”衍生九种CPS落地方案

  通过横向的三个智能层级与纵向的三个属性层级,我们可衍生出9种CPS落地方案。下面,我们逐一进行简述。

 

单元级

系统级

SoS级

初级智能

初级智能/单元级

初级智能/系统级

初级智能/SoS级

恒定智能

恒定智能/单元级

恒定智能/系统级

恒定智能/SoS级

开放智能

开放智能/单元级

开放智能/系统级

开放智能/SoS级

  根据以上划分,共有三组单元级的CPS,他们的特点是最小的CPS单元,具有不可分割性。

  初级智能/单元级:如冰箱恒温装置。该装置可感知温度,在温度超出一定范围后,能自动决策,即刻启停制冷开关。这是CPS一种最基本的初级智能、单元级的应用。

  恒定智能/单元级:如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化,基于知识的决策,在较小载荷的情况下自动增大进给速率,在较大载荷的情况下减少进给速率,达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点,并且具有不可再分割的特点,所以是一种恒定智能/单元级系统。

  开放智能/单元级:典型的例子如阿尔法围棋程序系统(AlphaGo)。AlphaGo除了具有实时分析、自主决策等功能以外,还具有学习认知的能力,并由于具有不可再分割性,因此,这是一种开放智能/单元级系统。

  下面是三组系统级CPS的例子,特点是引入了“网络”的概念。

  初级智能/系统级:如宾馆火灾烟雾自动监控报警系统。每个房间的感烟探测器感应到烟雾后,将信号通过网络传递到中央控制室,启动报警设施,并自动启动喷水灭火系统进行灭火。这是一种通过网络、具有实时感知、自动决策、即刻执行特点的初级智能系统级CPS。

  恒定智能/系统级:如智能车间/产线。在兰光创新研发的兰光智能车间系统中,通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、大数据分析与可视化展现,并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理,设备、物料、质量等出现问题,系统会自动通知相关人员,甚至采取相应措施,实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策(部分自主决策,有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策)与精准执行,可以算是一种恒定智能的系统级CPS。

  开放智能/系统级:这种系统具有自学习、自认知功能,如设备预测性维护系统。系统通过实时采集设备状态,通过历史数据,以及与其他类似设备的比较,能通过自学习的方式推理、判断即将发生的故障,达到进行预测性维护的目的。

 SoS级具有“平台”概念,并实现了多CPS系统之间的协同优化,是比较复杂、相对高级的CPS系统,以下是从智能层级方面对SoS的划分。

  初级智能/SoS级:如共享单车。单车通过GPS等定位单车位置,通过APP获知客户信息,通过云端发送过来的开锁信息进行电控锁的开关。具备了状态感知、自动决策、即刻执行的特点,并且是基于云平台的一种运营模式,是一种单个系统的初级智能、多系统之间的协同,可以算是一种最简单的初级智能SoS级CPS。

  恒定智能/SoS级:如导航软件。具备位置、路况等的状态感知,通过实时分析形成最优路线,并根据实时路况给出最优的路线,具有典型的状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征,这些数据是基于云平台上众多汽车采集的信息并进行协同优化的,是一种中级智能(恒定智能)、平台级的SoS级CPS。

  开放智能/SoS级:系统既具有自认知、自学习等高级智能特点,还具有多系统协同优化的特点,典型的如海陆空天赛博五域作战指挥协同系统等。这是相对复杂、相对高级的CPS系统。

  这种从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS,并衍生出九种CPS落地方案的方法,笔者称之为“二维九格”CPS定义法。

  通过上述定义,我们就可以很清楚地界定、细化各CPS系统的属性、智能程度、基本特点等,使CPS系统更容易落地,很好地支持企业创新的发展,甚至衍生出新的商业模式,比如:软硬结合的初级智能单元级CPS以及共享单车这类个体初级智能的SoS级CPS,通过不同的元素组合,就可以形成不同的商业模式。企业把自己清晰地定位在某一格或某几格,重点突破,形成自己的竞争优势。

  可以说,“二维九格”CPS定义法对当今“双创”(大众创业、万众创新)也是很有指导价值的。

2.3 从国外经验来看,CPS的二维定义迫在眉睫

  现在,工业4.0已经成为影响全球智能制造的战略,成为德国非常成功的一次国家级营销。但假如说,德国对工业4.0的描述只是停留在一个核心—— CPS系统,三项集成(纵向集成、端对端集成、横向集成)的水平上,大家也只能对工业4.0有个模糊概念而已,如果对工业4.0如何落地,如何衍生新的商业模式仍然是一头雾水,就很难推动工业4.0的实现。但聪明的德国人从三个维度进行了设计,通过“工业4.0参考框架(RAMI4.0)”这个模型,工业4.0的各种落地方案、商业模式就呼之欲出了。

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  德国工业4.0参考框架

  德国用一个三维模型清晰地表达了工业4.0的框架,美国GE则用一个二维的定义将工业互联网进行阐述,机器——设备——组织——网络,智能设备——智能系统——智能决策,从哪开始做,做成什么样子,都清清楚楚地表达出来了。

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  可以说,CPS传统一维的定义,只能比较清晰地界定了系统的属性,不能明确地指导系统的落地,笔者认为,尽快完善CPS二维甚至多维的定义,将有助于CPS在我国的快速发展,在中国制造急需向中国智造转型升级的关键时刻,这项任务显得尤为重要与迫切。

3.结束语

CPS作为智能制造的核心支撑技术,必将在中国智能制造转型升级中发挥重要的价值。现在,即便是全球的范围内,对CPS的认知还不完全统一,甚至没有一个统一的权威定义。工信部近期发布的白皮书,在规范大家对CPS的认知、厘清CPS的特点、层级、实现等方面都具有积极的推动作用。笔者认为,我们对CPS的认知也应该是一个不断迭代的过程,我们既要肯于研究国外的先进理念,更好地理解CPS精髓,又要不拘泥于别人的说法,结合中国实际情况,敢于提出自己的认知,衍生出指导CPS的各种落地理念、执行标准,促进中国智能制造的快速发展。

“二维九格”CPS定义法是笔者经过深入思考后的结果,对CPS的细化与落地具有一定的参考价值,但未必一定完全正确,希望通过本次的抛砖引玉,能对大家起到一定的启发作用,为更好地推进CPS在中国的发展而共同努力,敬请各位专家批评指正!

 

 
关键词: 信息物理系统 CPS
 
 
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