關于CPS與Digital Twin的淵源與對比

? ? ? 一直以來,國內行業人士和專家對CPS和Digital Twin這兩個概念,處于一種模糊狀態。究其原因,是因為我們沒有區分科學概念和工程概念之間的差別。本文嘗試從工業4.0研究院過去幾年對CPS的研究及實驗情況,做一個闡釋。

? ? ? 按照字面意義,CPS是Cyber-Physical Systems的縮寫,通常被翻譯為“信息物理系統”;Digital Twin一般被翻譯為“數字孿生體”。從CPS和Digital Twin本質含義來講,兩者都是為了描述信息空間與物理世界融合的狀態,但兩個概念的歷史淵源和工程意義并不完全相同。

Helen Gill在CPSWeek/RTAS 2009 Banquet

Helen Gill在CPSWeek/RTAS 2009 Banquet(來自Albert M. K. Cheng的網站)

? ? ? 就歷史淵源來講,CPS主要是產生于嵌入式系統在工業領域的深度應用,美國NSF的科學家頗感傳統的信息技術(IT,Information Technology)概念無法有效的描述這種更深入的應用,需要“發明”新的概念來闡釋這種趨勢。當時NSF的主管科學家Helen Gill就結合到與會專家的討論結果,提出了CPS這個全新的概念。

? ? ? 國內不少跟蹤研究CPS的專家忽略了一個事實,那就是Helen Gill在提出CPS的時候,明確指出了這個概念屬于科學范疇,在工程上可能難以具體應用,但創造科學概念和體系,本來就是NSF的職責……當時,Helen Gill還指出,希望在(2006年之后)未來10-20年能夠把CPS這門學科建立完善。

? ? ? 所幸在2016年,NSF在CPS創建10周年之際,發布了《美國CPS教育規劃》,宣告CPS科學體系基本建成。

美國軍方的Digital Twin應用模式

? ? ? 美國制造行業的專家對CPS有較為清醒的認識,那就是CPS偏向一些科學原理的驗證,而非工程應用的優化,所以,在實際工作中,真正采用CPS概念去指導工程實踐的情況,主要限于一些航天軍工領域,這些領域的工程系統的確太復雜,用傳統的工程系統實在無法描述清楚。

? ? ? 但是,美國的科學家沒有放棄繼續探索更好用概念體系的想法,特別是在美國軍方的應用中,由于美國政府(主要是奧巴馬政府)對軍費削減得比較厲害,而美國軍事上的投入卻居高不下,這迫使美國軍方尋找一種能夠降低復雜工程系統建設費用的方法,Digital Twin就這樣被選中了。

? ? ? 與CPS主要以傳感器(Sensor)和促動器(Actuator)為主要模塊構建的系統不同,Digital Twin創立之初就明確了以數據(Data)和模型(Models)為主要元素構建的MBSE(Model-Based Systems Engineering),Digital Twin顯然更適合采用人工智能(AI,Artificial Intelligence)和大數據(Big Data)等新的計算能力。

? ? ? 最后,關于Digital Twin這個概念的提出,據工業4.0研究院考證,2011年美國空軍研究實驗室(AFRL,Air Force Research Lab)首次公開提出了這個概念,隨之美國國防部大力推動Digital Twin成為系統工程的主要工具方法,一些國防設備供應商(例如GE等)也逐步在工程中引入Digital Twin這個概念,促使Digital Twin成為了智能制造、工業互聯網等現代先進制造中的核心概念。

? ? ? 關于Digital Twin概念及相關問題,請參考本人撰寫的其他文章。

Comments are closed.

?
云南快乐10分钟