關于中國CPS發展方向及趨勢的建議

? ? ? 由于德國提出的工業4.0概念體系是基于信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems,后面統一用CPS表示),工業4.0研究院自2013年成立以來,CPS一直是研究和試驗的重點。除了研究CPS概念和體系,工業4.0研究院還積極通過對美國CPS-VO開放的開源項目進行研究,對CPS希望解決的各種關鍵技術問題有較好的了解。

? ? ? 按照工業4.0研究院重點研究方法技術成熟度水平(TRL,Technology Readiness Level),CPS的核心價值體現在科學層面,而不是技術和工程,這是建議的核心內容。

? ? ? 一、CPS的基本概況及發展

? ? ? 在2006年,美國NSF提出了CPS的概念,并開始了10年時間的“新學科”(New Science)建設過程。根據NSF公開的資料稱,美國希望通過10-20年的時間,為信息系統與物理系統融合構建一套新的學科。

? ? ? 事實上,在2016年,美國科學、工程研究院發布了《美國信息物理系統教育規劃報告》(A 21st Century Cyber-Physical Systems Education),同時,美國商務部下屬NIST在2014年也開始推進CPS PWG相關工作,由此可見,美國認為CPS的基本體系已經形成,并開始進入應用階段了。

? ? ? 在2010年3月1日,德國工程院就啟動了agendaCPS項目,并通過近2年時間的研究,發布了《信息物理系統綜合研究報告》(Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems),在這個項目中,德國首次提出了“CPS+制造業=工業4.0”的提法,從而使得2012年繼續開展了工業4.0的研究,并于2013年發布了《德國工業4.0未來項目實施建議》(Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0)。

? ? ? 總體來講,根據工業4.0研究院的判斷,雖然德國工業4.0是基于CPS來構建的,但由于德國相關研究不夠系統深入,事實上,掌握CPS相關技術比較深入的,仍然是美國各個研究機構及大型企業(特別是航天軍工等),這也是為什么德國企業(例如西門子、SAP等)在推廣解決方案的時候,談及CPS較少的緣故。不過,CPS對于構建工業系統仍然是非常重要的,德國工業4.0平臺與NIST建立了聯系,希望“跟進”美國在CPS或物聯網方面的研究,為此,美德兩國建立了U.S.-German Workshop on the Internet of Things (IoT) / Cyber-Physical Systems (CPS)。

? ? ? 二、CPS的最新進展情況

? ? ? 通過過去10年時間的探索,美國學界(主要以NSF的認識為主)及企業基本上達成了一個認識,那就是CPS更大程度上是一種科學(Science),雖然在技術(Technology)和工程(Engineering)上有應用的可能,但也比較適用于較為復雜的場景——例如,航天、航空、軍工、汽車等。不過,CPS作為一門新學科,具有較大發展潛力,之所以說CPS在工程上比較困難,主要原因還是工程工具難以發明,或者還沒有發明。

? ? ? NSF仍在繼續以Cyber-Physical Systems(CPS)項目方式發放研究支持資金,其項目號為:NSF 18-538,在2018年的項目申請要求中,NSF明確指出由于人工智能的應用,給CPS帶來了大量的研究機會。

? ? ? 在NSF 18-538長達80頁的文檔中,有幾個重點可以關注,供同行參考:

? ? ? 1. 在第16頁,NSF強調了CPS的科學(Science)、技術(Technology)和工程(Engineering)研究內容,做了很好的區分,建議行業人士重點關注。

? ? ? 2. 由于CPS是一個跨領域的項目,NSF聯合其他單位,早期就設立了CPS Virtual Organization(CPS-VO),有效的分享了各種信息,真正實現了創新生態(Innovation Ecosystem)的建設,大大促進了產學研的溝通與交流。

? ? ? 3. NSF在推進CPS的時候,并沒有僅僅把該項目限定到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)等項目,通過多個研究項目協作,實現CPS的全面發展。

? ? ? 三、中國CPS發展的思路

? ? ? 由于CPS涉及到科學、技術和工程,需要協調的資源和要完成的研究比較多,它在中國的發展面臨三方面的挑戰。

? ? ? 第一,中國要發展CPS,還存在認知上的挑戰。目前我國科研體系并沒有把CPS作為一個主題來研究,雖然科技部有部分相關研究,甚至于在2006年美國NSF提出CPS的時候,中科院也有相關專家跟進該主題,但隨著我國提出希望一步到位發展物聯網,導致CPS的基礎研究工作一直處于停滯地位。隨著德國工業4.0把CPS作為基礎技術,促使我國也開始探討CPS的應用,由于CPS作為科學的相關知識體系沒有建立,導致其普及程度和速度遠遠低于其他概念,例如智能制造、工業互聯網、人工智能等。

? ? ? 因此,要進一步推動CPS的發展,應該注意:

? ? ? 1. 明確CPS的邊界,特別是科學、技術和工程的邊界,科學研究應該給科技部、中科院或高校來完成,而工信部相關單位應主要集中到工程及相關標準的制定和完善,可以涉足到部分技術問題。當然,由于三個層面的CPS并非涇渭分明,與各參與單位保持溝通和協作,頗有必要。

? ? ? 2. 建設類似CPS-VO的平臺,讓科學研究者、技術開發者和工程設計者都可以找到一個了解認識CPS的平臺,同時還可以參與相關的主題研討會,以及與同行進行切磋的機會。

? ? ? 第二,對于CPS的發展,還存在創新體制和模式的挑戰。客觀的講,美國通過NSF組織科學家重點解決CPS科學原理創新的問題,各個大學及大企業的研究機構重點解決技術問題(例如Berkeley就做了一個開源的CPS項目,名為Ptolemy I/II),而美國商務部下屬的NIST重點為企業應用CPS掃清了參考架構(Framework)和標準的障礙。這是美國創新體制和模式的最佳體現。

? ? ? 由于美國、德國和歐盟等已經在CPS的科學和技術研究上做了大量的投入和研究,大部分研究成果都可以通過公開途徑獲得,目前利用這些成果的難點是缺乏專家和投入進行梳理和解讀,這將導致我國在應用CPS的過程中困難重重,特別是一些裝備提供企業,在利用CPS為客戶提供解決方案的時候,往往發現缺乏充足的資料和參考。

? ? ? 建議可以依托前面提及的類似CPS-VO平臺,組織行業內專家,通過翻譯國外資料或組織專家團隊撰寫系列書籍等方式,為中國制造業發展提供一些公共產品(Public Goods),這些工作也將為其它計劃(諸如工業互聯網、智能制造等)提供專業的基礎知識。

? ? ? 第三,在工程應用層面,不管是德國的企業(例如西門子等),還是美國的企業,很少有把CPS作為解決方案來進行營銷的。之所以出現這種狀況,跟CPS更多以科學存在頗有關系,所以,建議不宜把CPS的應用層面定位為CPS自身,可以借鑒美國企業的做法,它們主要把更容易理解的數字孿生體(Digital Twin)和數字線程(Digital Thread)作為MBSE的應用。

? ? ? 德國在推進工業4.0的時候,由于其主要工業哲學是高度集成,初期也是希望利用CPS來構建其工程體系,并設計了諸如管理殼(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來構建系統工程(Systems Engineering)的最小單元,但從主流企業實際采用的方法來看,CPS并不是特別適合構建MBSE,而是應該采取其他MBSE工具。從各企業的實踐來看,數字孿生體和數字線程已經成為標配,甚至于德國企業西門子也通過這個概念重構了其解決方案。

? ? ? 建議在推進CPS工程解決方案的時候,應該重點注意新概念和工具的引入,特別是諸如數字孿生體和數字線程,還有人工智能等新技術,這樣才會使得CPS保持活力,同時也使得中國CPS發展與全球同步。

? ? ? 四、工業4.0研究院可發揮作用

? ? ? 從公開可以看到的信息資料來看,工業4.0研究院長達5年時間對CPS的跟蹤研究,已經處于國內前列。在跟蹤美國、德國和歐盟的CPS研究和應用方面,工業4.0研究院一方面重視相關資料的收集和翻譯,例如,針對NSF、NIST和德國工程院等撰寫的白皮書或報告,都有全文的翻譯,涉及字數高達近百萬;另外一方面,工業4.0研究院一直把原理技術驗證放到重要位置,例如,對于NSF推進的CPS-VO提供的CPS相關開源項目,大都做了技術上的解讀和驗證,特別對于GE在IIC提供的DMC開源項目,工業4.0研究院組織人員做了較詳細的剖析。

? ? ? 目前,工業4.0研究院已經在重慶設立了全資公司(翼絡工業互聯網(重慶)有限公司),主要目標是利用CPS的研究成果,構建一套“工業互聯網操作系統”。雖然行業內大部分把PaaS認為是工業互聯網平臺,但工業4.0研究院認為,整合硬件(傳感和促動層)和基礎設施(IaaS),應該是工業互聯網一種形態,可以體現為基于CPS的“工業互聯網操作系統”,這是等同于PC領域的虛擬硬件(例如,電腦的打印是通過驅動來實現的,驅動就是數字孿生體的一部分,而實體的數字孿生體是物理的打印機),這至少是未來工業互聯網的發展方向之一。

? ? ? 以上是工業4.0研究院針對中國CPS的一些思考和研究成果,分享給行業人士,便于大家共同推進相關工作,實現中國的工業互聯網和CPS創新發展。

 

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