面向未来的竞争

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开源项目是人工智能的基础设施

      目前我国各界人士对人工智能2.0带来的机会非常兴奋,特别是2017年7月8日发布了《新一代人工智能

中国制造业产业政策与国家发展

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胡权:智能时代的新自动化挑战

作者:胡权 工业4.0研究院院长兼首席经济学家 来源:本文发布在2016年9月号《清华管理评论》      

中国CPS研究应了解的发展史

      自从2006年,时任美国国家科学基金会(NSF,National Science Foundation)项目主任的Helen Gill根据讨论结果,提出了信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)的概念,并作为NSF未来10-20年的重要研究课题,同时也意图跟欧盟的ARTEMIS(Advanced Research and Technology for EMbedded Intelligence and Systems)一争信息与物理世界融合的未来。

      对于中国,虽然早在2007年中科院就启动了对CPS的跟踪研究,但由于当时国家主推物联网,实际上CPS的科学研究并没有持续进行下去。直至2016年,由于德国工业4.0一直把CPS作为基础科学,引起了国内的重视,工信部四院牵头设立了中国信息物理系统论坛,发布了《中国信息物理系统白皮书》。

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美国NSF项目主任Helen Gill的CPS演讲

      即便如此,中国的CPS研究到底距离美国有多远?我们在哪些方面还有欠缺?这些问题如鲠在喉,必须尽早解决,才可能促使中国制造2025的实现,否则,我国相关学科和技术差距,可能会越来越远。

      由于美国率先提出CPS概念,自然应该好好梳理一下美国当时提出CPS的意图。

      为此,我们应该了解CPS概念产生的背景,需要回到1990年左右的时间,那个阶段正是美国开始启动信息技术研究的黄金时期,诸如互联网等应用,就是那个时候开始产业化的,这促成了21世纪的互联网蓬勃发展。与CPS相关的项目,就有DARPA实施的MoBIES(Model-Based Integration of Embedded Software)、PCES(Program Composition of Embedded Systems)、SEC(Software Enabled Control)和AVM(Adaptive Vehicle Make)等项目,美国交通部(DoT,Department of Transportation)发起的网络汽车(Connected Vehicle)和智能交通系统(Intelligent Transportation System),美国能源部、国土安全部等也对CPS的安全和弹性比较关注。

      按照NSF项目主任Helen Gill在2006年发布的《NSF对信息物理系统的认识》(NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems)中指出,之所以创造CPS这个概念,其本质上是为了给美国指出未来的研究方向,解决信息系统和物理系统融合的挑战。

      加州大学伯克利分校的Edward A. Lee在2006年写成的《信息物理系统:计算机基础已经够了吗?》(Cyber-Physical Systems- Are Computing Foundations Adequate?)也指出,要解决信息系统与物理系统融合中的问题,已经不能从传统的嵌入式系统来理解,应该更抽象一些,创造出“信息物理系统”,其目的就是从科学(不是工程或技术)的角度,指明未来所需要的基础科学的研究议题。

      对于当时的各种科学技术基础研究,Helen Gill和Edward A. Lee等专家都认为,传统的泾渭分明的计算机学科和自动化学科,都有不可忽视的缺陷,无法为相关的工程应用提供理论指导。例如,Edward A. Lee指出,传统计算机的顺序处理方式和缓存方式,很难为实时的复杂系统提供支撑,当时能够实现的嵌入式系统,都是较为简单,其核心需求只是资源有限的场景下,通过C语言等低级语言,编写一些线程(Thread)来完成简单的控制需求。这显然不适合诸如自动驾驶、群体智能等复杂系统控制需要。

      基于这样的“雄心”,NSF组织了美国优秀的科学家,花费了10年时间,基本搭建了一套CPS科学体系,这套体系已经不同于10年前的嵌入式系统。正是在CPS已经形成科学体系之后,GE和思科等公司,才提出了“工业互联网”和“雾计算”等更高级的概念。

      大家可能熟悉德国工业4.0体系中对CPS的描述,嵌入式系统->网络嵌入式系统->CPS->物联网,这是正常的顺序,也就是说,只有CPS成熟之后,才可能促使物联网实际可用。回想中国2009年左右大力推动物联网产业化,实际上并未实现预定目标,当然,IBM神吹的“智慧地球”(差不多就是物联网),也无疾而终,都是因为违背了基本的科学研究要求。

      了解工业4.0研究院的行业人士都清楚,早在2015年,我院就根据已经跟踪研究2年的CPS成果,专门设立了CPS研究中心,但到2017年上半年,CPS研究中心就关闭了。其中的原因是考虑到CPS本是一种科学,如果要实现具体应用,应该选择其他概念更好,例如物联网、工业互联网或者人工智能等。

      回到标题所提出的中国CPS研究跟美国的差距问题。工业4.0研究院观察到,经过10多年的发展,美国已经围绕CPS形成了多个创新点,包括CPS的基础研究(NSF,2006年开始)、行业应用(DARPA、DOT、DOE、Google、GE、Apple等,IIC,2014年)和标准体系(NIST CPS-PWG,2014年)三位一体的格局。

      相比较而言,中国虽然对应美国NIST CPS-PWG有工信部四院的“中国信息物理系统论坛”(2016年),与美国工业互联网联盟对应,也有工信部信通院的“工业互联网产业联盟”(2016年),但对应美国NSF的CPS-VO(Virtual Organization,从2007年开始运行),我国似乎没有什么部门想对应。这样就给我国推动CPS研究实践工作造成了一个缺口——CPS的基础理论研究是缺失的。

      按照NSF十年前提出CPS概念的意图来讲,它们是希望创造一门新科学(New Science),似乎这个目的已经达到,但由于美国还没有系统化的对相关知识进行整理,形成一个可以传播的知识体系,这对于我国借鉴学习美国的CPS成就,仍然是不方便和不容易的。

      因此,对于中国CPS研究跟美国的差距,应用层面上,我国差不多晚了2年时间,基础研究基本上没有(中科院及一些高校有一些研究,但都不成体系)。即便在这样的情况下,相关应用(例如智能电网、无人驾驶、群体智能等)也在中国不断推进,到底是中国的实践可以不需要专门的理论,还是中国企业家更善于模仿学习美国等国的具体商业运作?笔者不得而知。

      但是,如果中国想在全球领先,做自己的基础研究,可能是不得不完成的工作。

*参考资料:

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

开源项目是人工智能的基础设施

      目前我国各界人士对人工智能2.0带来的机会非常兴奋,特别是2017年7月8日发布了《新一代人工智能发展规划》,一如既往的设定了赶超和引领全球人工智能变革的愿景目标,激发了各方力量的关注和参与。工业4.0研究院过去几年一直关注人工智能的发展和研发,有一些体会,但总体对中国人工智能普遍乐观的态度有些忧虑。

      部分专家和行业从业者笃信应用才是中国的机会,但对重塑行业竞争规则的开源项目,仅仅把它作为技术来源,而非基础设施,可能是我们在未来10年时间犯下的最具战略意义的错误。

      第一,我们对于中国人工智能应用的前景虽然乐观,但对于把主要力量放到消费或金融领域,而不是加强中国制造业的竞争力,实在有些担忧。

中日人工智能投入重点对比

      工业4.0研究院对积极跟进美国人工智能发展的日本和中国做了一个对比,总体来讲,日本如同30多年前一样,仍然加大人工智能2.0的投入,并且是加大制造业领域的人工智能投入,当然,日本也非常重视生活领域的投入。

      相比较而言,中国对制造业的人工智能还处于讨论阶段,具有较大比例的制造企业、IT公司以及研究单位,都对人工智能在制造业的价值存有疑虑,即便是国务院发布的《新一代人工智能发展规划》,也对制造业应用人工智能缺乏实质性的说明。

      这也许从国家战略上,中国制造就处于赶超阶段,但在于新一代人工智能颠覆性创新来临的时候,由于缺乏理论上的创新,加上国内制造业的环境限制,恐怕要错过通过人工智能帮助中国制造转型升级的机会。

      第二,人工智能是数字化发展的新阶段,它承袭了传统数字化的技术特征,但也因为美国颠覆性创新的影响,工业4.0研究院观察到,开源项目成为数字化乃至人工智能的基础设施,会成为这个阶段的重要特征。

先进制造挑战赛网站截图

      由于强势的互联网公司(特别是美国的Facebook、谷歌和雅虎等)一贯带来的作风,加强了开源项目在互联网阶段的主导地位,并逐步形成了全球数字化发展的基础设施。在目前新一轮人工智能深化数字化发展浪潮下,开源项目将扮演更为重要的角色,已经毋庸置疑。

      第三,中国在人工智能开源项目上虽有贡献,但基本上处于理念不先进、产业行为不明显、商业模式不成熟的状态。

      在互联网发展阶段,成就了BAT(百度、阿里巴巴和腾讯)为代表的互联网产业,但这些产业大都是利用了开源项目,而非开源项目的贡献者,它们充分利用开源项目带来的便利,构建了自己的IT基础设施,结合到中国大量的互联网民众,形成了平台性的垄断力量。

      虽然期间BAT以及其他互联网公司做了开源项目运行的尝试,但基本上不得其法,主要原因是美国的开源项目运行模式,难以在中国这样的互联网环境下实现。这促使我们一些智库及研究机构开始提出一个疑问,“中国需要开源项目吗?”

      毫无疑问,中国没有产业化的开源项目,其根本原因也是因为开源项目的商业模式不成熟,这也使得开源项目运行的环境难以出现,这样的恶性循环,导致了中国几乎没有任何开源项目生态成长的环境。随着信息化跟工业化的融合逐步加深,缺乏开源项目生态的支持,中国制造业的创新生态也许就成为了无源之水无本之木。

      对于工业4.0研究院来讲,我们不希望只是提出问题和观点,通过过去几年时间在开源项目基础上研发的积累,目前已经推出了开源项目的“先进制造挑战赛”(AMC,Advanced Manufacturing Challenge),希望可以对冲美国开源驱动的先进制造,为中国制造转型升级做一些有意义的工作。

德国工业4.0需要数字化补课

      过去3年多时间(2014年)以来,德国工业4.0概念在中国可谓家喻户晓,据工业4.0研究院调研,中国国内对工业4.0的认知度非常高,甚至高于德国国内的水平。由于国内“风口论”比较流行,虽然工业4.0概念人人皆知,但由于这个概念涉及到的专业知识和理论比较复杂,实际上了解较为清楚和正确的并不多。

      本文基于工业4.0创新平台发起的一期工业4.0研讨会——“德国烦恼的数字化(DE.DIGITAL)挑战”,对德国工业4.0及数字化情况进行解读,以阐释工业4.0研究院对德国工业4.0和数字化的看法。

数字化是工业4.0的基础

      工业4.0研究院一直认为,数字化是工业3.0的事情,工业4.0的技术特征是智能化和网络化。事实上,德国在《工业4.0未来项目实施建议》(2013年)就对工业4.0做出了智能化和网络化的判定,其中,并没有提到数字化,可见,德国在提出工业4.0的初期,是认为数字化不属于工业4.0的。

      虽然德国国内对工业4.0也有不同的声音,但德国学术界和企业都认识到,把数字化跟工业4.0混为一谈,不利于德国未来制造业的声誉和发展推广。因此,从2016年起,德国发布了不少区分数字化与工业4.0差异的报告,例如,德国国家科学与工程院2017年4月发布了《工业4.0成熟度指数模型报告》,明确指出数字化是工业3.0的事情,是工业4.0的基础(但不是工业4.0),这事实上判定德国目前还处于工业3.0阶段。

      经过系统的资料收集、翻译和分析,工业4.0研究院基本上可以判定,德国自身数字化程度并不高(在中小企业和消费领域,跟中国水平相当甚至于低于中国水平),与中国类似,德国的大型企业数字化水平和提供数字化解决方案的能力较高,但整体上处于较低水平。

      工业4.0翻译中心(工业4.0研究院下属单位)对德国统计局发布的数据进行了分析,发现德国经济增长速度长期处于较低水平,其数字化程度不仅低于全球领先国家(例如美国、日本和韩国),在欧盟也是处于低位,这促使德国政府以及智库机构思考突破之道,美国、日本和韩国等数字化程度较高的工业国家的实践给德国一个标杆,但如何建立共识,实际上并不明确。

德国数字化议程(2014-2017)

      2002年,德国前总理施罗德提出“2010议程”,启动了德国的改革议程。其后,德国相继提出高科技战略(2006年)、高科技战略2020(2010年)、新高科技战略(2014年)、数字化议程(2014-2017)(2014年)、数字化战略2025(2016年)和数字化平台白皮书(2017)等数字化设想。

      众所周知,德国在2011年提出工业4.0概念,其后在德国国家科学与工程院支助下,启动了“工业4.0未来项目”的研究,并形成了《工业4.0未来项目实施建议》(2013年)的报告,再到2015年5月12日,形成了《工业4.0实施战略报告》。在此期间,德国联邦经济与能源部(BMWi)还发布了《数字化议程(2014-2017)》(2014年8月),希望快速推进德国社会和产业的数字化短板。

      从工业4.0翻译中心所了解到的情况,2014年德国发布了《数字化议程(2014-2017)》报告之后,实际推进进展并不顺利,因此在2016年3月,德国联邦经济与能源部(BMWi)再次发布了《数字化战略2025》。考虑到中国于2015年发布了《中国制造2025》,颇有德国模仿中国提出数字化战略之意图。

      工业4.0研究院迄今为止的跟踪研究发现,德国工业4.0目前还处于较为多领域作战的状态。

      首先,德国企业在不少国家(特别是在中国)通过提供“工业4.0解决方案”获得了不少业绩增长(具体情况可以查看西门子、SAP、博世等德国企业的业绩报告),但同时也存在了大量的疑问,特别是给客户造成了原来现有的自动化技术或数字化技术就是工业4.0的困惑。

      其次,德国企业的“浑水摸鱼”状态,给推广未来项目(瞄准的德国制造业的未来,不是现在)工业4.0带来了概念的“降级”(例如,德国西门子把数字化工厂等同于工业4.0),德国不少专家认为,这不利于德国工业4.0实现保障制造业未来的目标。

      第三,虽然德国大型企业的数字化程度比较高,但对于工业4.0所要求的智能化和网络化,这些大企业并不具有领先地位,例如,中美拥有不少在人工智能领域处于领先地位的企业,更别说德国目前几乎没有真正世界级的网络设备企业。

      大企业在未来技术上不具有领先地位和中小企业连数字化程度都不高的现状,颇让德国经济学家和战略家担忧,如果德国执意模糊数字化与工业4.0之间的界限,只会让德国企业获得一时的销售收入,但这不会保证德国工业4.0在全球制造业未来竞争中获胜。

转载引用请注明(不需要申请,注明来源即自动获得授权):本文转载于工业4.0研究院官方网站,作者:胡权

参考资料:

德国工业4.0未来项目实施建议,http://www.innovation4.cn/library/r698

德国工业4.0实施战略报告,http://www.innovation4.cn/library/r771

德国数字化议程(2014-2017),http://www.innovation4.cn/library/r892

德国数字化战略2025,http://www.innovation4.cn/library/r891

工业4.0成熟度指数模型报告,http://www.innovation4.cn/library/r16352

德国烦恼的数字化(DE.DIGITAL)挑战,http://www.innovation4.cn/event/59

The High-Tech Strategy for Germany,http://www.innovation4.cn/library/r821

High-Tech Strategy 2020 for Germany,http://www.innovation4.cn/library/r824

德国新高科技战略创新计划,http://www.innovation4.cn/library/r812

德国数字化平台白皮书,http://www.innovation4.cn/library/r15910

《2017年德国国家改革方案》简介

      《德国国家改革方案》(NRP,Nationales Reformprogramm)是德国联邦政府部门对外发布的一份关于德国国家经济政策和就业政策的重要年度报告。2017年4月12日,德国经济与能源部发布了《2017年德国国家改革方案》。

2017年德国国家改革方案封面

      为了便于国内经济学家和工业4.0专家了解德国经济政策背景,工业4.0研究院对《德国国家改革方案》进行了全面梳理和分析。《2017年德国国家改革方案》关键词包括“投资”、“劳动力和就业”、“可再生能源”、“研究和创新”。

      “投资”首次在NRP报告中占据了如此重要的位置(第一、第二条措施)和如此大的篇幅(2016年之前几乎没有提到投资,《2017年德国国家改革方案》中占了约10页的篇幅)。

      除了加强公共投资、加强对欧洲的投资、加强私人投资等“老生常谈“以外,有两方面政策值得注意——“健全的公共财政安全,投资未来”、“重组联邦和地方政府的金融关系”。而这两条政策的具体内容都与欧洲目前一个热议的话题有密切关系“难民”,由于难民涌入,德国地方政府财政正面临压力,上述两项政策都是为了解决德国地方政府债务的问题。

      在《2017年德国国家改革方案》中谈得最多的便是“劳动力和就业”问题了(占了14页的篇幅)。不过,德国目前面临的问题不是“失业”,更多的是“劳动力不足”和“难民就业”。以报告提出的几项措施为例:一是鼓励双职工家庭;二是帮助非正式劳动力转变为常规劳动力;三是尽快促使难民融入德国劳动力市场。

      《2017年德国国家改革方案》提到德国的公共投资对欧元区的间接影响有限,同时也提出德国将加强对欧洲的投资。德国接下来是否能够利用资本的力量在各个层面巩固其在欧洲的“统治”地位?德国是否能够一改之前在资本市场上相对美国的弱势?德国资本市场目前情况如何?这些问题值得继续探究。

      从默克尔执政后德国在全球经济政治地位的提高来看,默克尔推动的国家改革方案执行力相当强。而随着德国在欧洲已经取得话语权,从一定程度上,德国的政策俨然成为欧洲整体趋势的风向标。因此关注《德国国家改革方案》有助于中国制定相应的政策和经济战略。

附录:

报告全文(德文),http://www.innovation4.cn/library/r14953

关于关闭“CPS研究中心”的通知

      工业4.0研究院于2015年4月11日成立了“CPS研究中心”,立足于研究工业4.0体系下的CPS研发主题,现考虑到工业4.0研究院实际需要,决定关闭“CPS研究中心”,相关项目转移到“人工智能研究中心(AIRCC,Artificial Intelligence Research Center of China)”。

      自从2013年工业4.0研究院成立以来,一直把德国工业4.0体系作为研究重点,其中,由于德国工业4.0初期选择了CPS作为核心技术,所以,工业4.0研究院也一直对CPS颇为关注,并在2015年初设立了“CPS研究中心”,加强了相关技术应用的研究。

      工业4.0研究院CPS研究中心主要针对五个主题进行研究和试验,这五个研究试验主题是:

      (一)基于MOS的CPS体系研究

      (二)高级MES系统及应用研究

      (三)面向未来制造的SysLM研究

      (四)基于物联网的CPS系统研究

      (五)Robotic CPS理论及应用

      通过近四年时间对CPS的工程应用研究,工业4.0研究院对CPS有了深入和全面的了解,一方面认识到CPS对未来工业的重要性不言而喻,另外一方面,我们发现德国工业4.0逐步弱化了CPS的研究力度,这促使我们去思考背后的原因。

      结合到工业4.0研究院CPS研究中心对工业级CPS应用的研究和实践,我们做出了一个重要结论:信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)产生之初是一个科学概念(美国主要是NSF进行相关研究),目前尚无通用目的的工程解决方案。

      由于工业4.0研究院资源有限,加上去年(2016年)筹建的人工智能研究中心取得了较快的进展,一批原CPS研究中心的专家已经迁移到人工智能研究中心,迫使院里做出关闭CPS研究中心的决定。

      对于我院关闭“CPS研究中心”的决定,希望大家能够理解。如有该主题的研究协作,工业4.0研究院也愿意提供一定的支持。有关CPS的主题邮件,请发送到:innobase(#)qq.com