Archive for 2017年10月23日

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

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