Archive for 数字孪生体

为什么把CPS翻译为“信息物理系统”?

  众所周知,工业4.0体系中的核心技术是CPS(Cyber-Physical Systems),这个概念是美国在2006年提出的,据工业4.0研究院考证,国内一些跟踪全球前沿技术的专家几乎在第一时间就开始了CPS的研究,但由于CPS出现不久,国家开始重视物联网的应用,对CPS概念下的研究和应用就逐渐减少了。这种现象一直延续到现在。

  在2006年CPS概念出现之后,国内一些专家尝试翻译该概念,诸如网络物理系统、赛博物理系统、信息物理系统、信息物理融合系统等翻译结果都出现过,但一直没有一个公认的官方(也许不知道谁是官方)口径的翻译结果。

  由于CPS概念在实际应用中并不常见,可以认为是一个冷门专业词汇,虽然有不同的翻译方法,但迄今为止也没有受到大家重视。即便德国在2013年正式提出基于CPS的工业4.0概念,并且2014年中国官方跟德国建立战略合作关系,以及国内制造业不断借鉴学习德国工业4.0相关概念和词汇,CPS也是作为一个非主流词汇被大家提及的。

  不过,在一些较为专业的场合下,关注工业4.0体系的专家还是对CPS的中文翻译“耿耿于怀”,特别是具有航天军工背景的专家,对钱学森所倡导的赛博概念更为熟悉,坚持认为CPS应该翻译为“赛博物理系统”,因为Cyber只能用“赛博”这个音译的词汇,才足以表现其丰富的内涵,而诸如“信息”或“网络”等词汇并没有“控制”等含义。

  客观的讲,Cyber单独拿出来精确的分辨,的确是无法对应到“信息”或“网络”的中文含义,全新创造的一个中文词汇才可以让我们赋予各种内涵和外延。

  正如工业4.0研究院院长胡权在内部研讨会上发言中指出的一样,CPS已经不是单独的Cyber加上Physical,而是一个完整的独立词汇,不能进行说文解字。当然,如果业内专家第一时间认同CPS翻译为“赛博物理系统”,的确更符合Cyber的含义,不过从实际情况来看,并没有什么专家真正花费力气去推广这种翻译方法。

  从工信部发布的“中国制造2025”以及中国电子技术标准化研究院发布的《中国信息物理系统标准化白皮书》等文件来看,官方是以“信息物理系统”作为CPS的标准翻译的。虽然科学出版社曾经出版了李必信等撰写的《信息物理融合系统导论》一书,工业4.0研究院也一度采用“信息物理融合系统”作为CPS的翻译,但既然官方开始正式采用“信息物理系统”来作为CPS的叫法,为了避免更多的混淆,接受该翻译也许是最佳的做法。

  从科学素养来讲,部分科技专家缺乏长远的软实力构建的想法。在CPS进入中国的时候,也许就已经明确了被“信息化”的命运。很早的时候,中国开始做IT应用,主要的概念是信息时代(比尔盖茨还写了一本名为《未来时速》的书,其中就提及了信息时代),英文对应是Information Age,在英文中,要把Information动词化不容易,因为动词化的Information是Informatization,虽然可以创造这么一个动词,但英文中还有更好的表达方式,例如Digitalize,事实上,中文含义的信息化,大部分是对应到英文中的数字化了。

  可惜,中文的数字化还不能完全对应中文的信息化,因为信息化这次中文词汇已经跟经济紧密联系在一起了,甚至于变成了一种社会现象了。这就是我们常说的技术、经济和社会的人类社会基本变化规律。

  中文的信息化具有非常丰富的内涵和外延,连国务院下属的分管技术领域的部委也称为“工业和信息化部”,因此所有IT、互联网以及通信等相关的内容,都跟信息化息息相关。甚至于不少信息化领域的专家尝试创造一门经济学——“信息经济学”,西方学科体系中也有“信息经济学”,但两者似乎有很大的差别,不知道怎样才可以融合在一起?

  不知道几十年前的专家在考虑创造信息化这个词汇的时候,是否考虑过这个词汇会给我们带来多大的障碍,特别是考虑到国际化交流和中国未来输出“软实力”的时候,我们将如何把Informatization(信息化)解释给西方专家?

  基于以上分析的理由,工业4.0研究院最终选择按照官方机构的翻译结果,但在提及“信息物理系统”这个翻译结果的时候,同时提及Cyber-Physical Systems的英文原文,并把“信息物理系统”作为一个整体概念进行介绍,是目前我们最合理的选择,虽然我们也知道这样的选择不是最理想的状况。

日本再复兴及新机器人战略分析

  毫无疑问,目前我们已经开始进入第四次工业革命时期,除了德国推出了工业4.0,美国推出AMP 2.0以及工业互联网,中国也推出了中国制造2025,日本也不甘落后,它在2015年初发布了《新机器人战略》(New Robot Strategy)。

visual-2

  日本政府发布的《新机器人战略》提出了3大核心目标,它们分别为“世界机器人创新基地”、“世界第一的机器人应用国家”、“迈向世界领先的机器人新时代”。为实现上述3大核心目标,日本政府制定了5年计划,旨在确保日本机器人领域的世界领先地位。

  同时,在2015年5月,日本机器人革命促进会正式成立,标志着日本新机器人战略迈出了第一步。从相关研究成果来看,日本新机器人战略有两大目的,即扩大机器人应用领域与加快新一代机器人技术研发。

Japan-Research-and-Development

  到2020年的5年间,要最大限度应用包括政府制度改革在内的多种政策,扩大机器人开发投资,推进1000亿日元规模的机器人扶持项目。

  工业4.0研究院认为,日本的再复兴计划(Japan Revitalization Strategy)和新机器人战略(New Robot Strategy)是其国家战略,这类似德国的工业4.0、美国的先进制造业(AMP 2.0)、中国的制造强国及中国制造2025等规划与蓝图。

  对于期望在未来大概30年时间从制造大国到领先的制造强国的中国来讲,机器人是一个不可或缺的领域,但由于中国国内的机器人产业不成熟,短期(5年以内)难以形成一个完整的产业体系。

      那么学习借鉴日本的机器人战略,以及利用国内的产业规模大的特点,形成以工业大数据驱动的中国机器人战略,似乎是必然之选。为了方便工业4.0研究院的访问者了解日本机器人相关的政策、战略及规划,在本文后面附上日本各个政府文件及规划。

 

 

美国空军应用高度网络化的案例

  在第四次工业革命时期,网络化是其主要的技术特征,这个特征改变的不仅仅是制造行业,它将对几乎所有领域产生影响,这也是新工业革命的基本含义,同时也是工业4.0研究院对第四次工业革命的基本认识。

  美国空军(Air Force)结合到网络化的基本含义,对未来的空战形成了战略型的思考,并形成了”未来空战概念“(Air Force Future Operating Concept),美国空军把这个时间点设定为2035年,也就是说,在2035年,美国空军是可以形成一个网络化的空战格局,而这个格局是有利于美国空军的能力。

  为了应对未来的网络化空战的需要,美国空军相继发布了多个文件,包括USAF Strategic Master Plan,Air Force Future Operating Concept, America’s Air Force:A Call to the Future, Global Vigilance, Global Reach,Global Power for America,America’s Air Force-A Call to the Future,The World’s Greatest Air Force – powered by Airmen, Fueled by Innovation。

  从工业4.0研究院负责航天军工的研究员分析来看,美国空军利用了智能制造带来的灵活定,同时还利用了空中组网(互联网),形成了一个立体的未来空战概念,逼迫敌军也需要升级其信息化系统。

Air Force Future Operating Concept

  众所周知的是,全球大部分核心IT技术都掌握在美国企业手中,这也是前一段时间美国总统奥巴马公开称”如果美国要主动发起网络战,美国必胜”的根本原因。

  德国提出了工业4.0概念,美国的PCAST(美国总统科技咨询委员会)提出了先进制造业合作伙伴计划(AMP 2.0),同时,美国还有GE提出的工业互联网,以及Google等互联网公司直接在汽车、手机等领域的互联网化……因此,美国在未来制造以及未来世界的认识上,显然要更为多元化一些。

  总而言之,不管是德国工业4.0概念,还是美国的工业互联网或是美国空军的“未来空战概念”,亦或是中国制造2025等概念,其本质还是网络化在这些领域的深度应用,只是大家对这些应用的实现逻辑或路径有所不同而已。

 

中美德未来新工业制高点争夺战

  本演讲稿为2015年8月20日机械工业出版社和工业4.0研究院共同举办的“工业‘智”造高峰论坛”的发言稿。题目调整为《中美德新工业制高点争夺战》,副标题为重构全球制造新秩序的国家战略。

机工出版社举办工业‘智”造高峰论坛

  德国2013年提出工业4.0,基于“网络化”的工业革命定义,吸引了中国的注意,德国工业4.0的概念定义就是第四次工业革命,是未来制造业的一个笼统称谓,体现了技术革命的阶段性趋势。

  第四次工业革命具有三大高度化,自动化、信息化是传统企业转型的典型切入点。毫无疑问,传统的制造企业转型,一定会从自动化和信息化改造入手,其中,自动化生产线和以MES为核心的信息化将是最为直接的选择,因此,自动化和信息化解决方案市场商机巨大。

  中国、美国和德国在寻找未来制造业制高点的时候,都是把创新作为评判标准的,其中,技术创新是所有创新的基础,技术约束条件的改变,将改变企业的商业模式和管理体系。

3

  目前,中国体制内的研发机构和大学大都以发表论文为导向,这使得企业创新所需的基础研究严重不足,阻碍了中国制造业的核心技术及系统研发。

  从德国工业4.0体系来看,构建CPS应用平台和服务体系,是核心关键。全球分布了多家核心的CPS研究中心,中国主要有工业4.0研究院CPS研究中心,其目标是成为中国研究CPS的机构。

  工业4.0研究院判断,工业4.0共性技术和平台是未来的制高点。

  从我们跟踪的情况来看,中国、美国和德国都纷纷把工业4.0共性技术和平台作为未来的技术制高点,但市场主体的企业参与度不同,美国和德国要积极一些,中国被动性比较强。

5

  未来制造业的核心技术将主要是CPS,以CPS驱动的创新将改变全球的产业格局。从美国NSF的几个CPS研究中心来看,美国在CPS的研究和深度应用上,做得已经非常深入;德国更是直接把CPS作为国家制造业战略工业4.0的核心技术。

  中国制造目前处于一个产业转型时期,甚至于 是一个革命时期(第四次工业革命),诸如产能过剩、核心技术缺乏、模式单一以及战略模糊等问题在大量公司身上体现得非常明显。

8

  工业互联网联盟的核心参考架构模型(IIC Architectural Framework),值得关注。对比工业4.0平台提出的RAMI 4.0(工业4.0参考架构模型),工业互联网联盟的参考架构模型是一个可以借鉴学习的另外一个标杆,这对我们提出中国的参考架构模型很有帮助。

  工业互联网联盟提出的参考架构模型,主要是基于软件及互联网的核心技术,对未来工业的一种互联网思考方式的结果。

9

  德国工业4.0体系中的RAMI4.0,直接依托IEC相关标准,从多个视角凸显工业4.0体系的多面性,IIC架构大都被包含其中。

  中国电子技术标准化研究院结合中国实际,也设计了一个“智能制造参考架构模型”。

  中国智能制造参考架构模型结合智能制造技术架构和产业结构,从系统架构、价值链和产品生命周期等三个维度构建了智能制造标准化参考模型,有助于认识和理解智能制造标准的对象、边界、各部分的层级关系和内在联系。

德国谈推CPS技术的动机及理由

     德国Acatech在agendaCPS报告中,对为什么推CPS技术的问题进行了一定的解释,主要是从经济和社会的影响来谈的。工业4.0研究院结合到CPS核心技术,对这部分内容进行了编译,请大家进行讨论沟通,以便更深入理解德国工业4.0体系的前提条件。

     信息通信技术是创新的强大动力。其中下列两大因素起到重要推动作用:

     -如今,所有的高科技产品和系统内都能找到嵌入式软件密集型系统,例如电子设备、汽车、飞机、建筑和生产系统的功能都体现在嵌入式软件密集型系统上。

     -全球网络(如互联网)以及万维网上的数据和服务。

     这两大创新因素在信息物理系统中融合。现在越来越多设备和物体拥有嵌入式计算机,这些计算机通过传感器和触发器相互交换信息并与物理世界互动。如今,数百万人正在使用移动设备,例如智能手机。射频识别技术(RFID)被广泛使用,例如用于自动监控数以十亿计的交通运输过程。之前封闭的系统变得日益开放,更多地与其他系统结合并用于网络应用。在信息物理系统中,物理世界与信息技术下的虚拟世界无缝连接,形成物、数据与服务联网。

德国嵌入式系统及CPS演进路径

     以上CPS演进图示展示的全球“物、数据与服务联网”的愿景,是嵌入式系统通过互联网连接并不断演变发展。封闭的嵌入式系统是切入点,例如安全气袋。《国家嵌入式系统技术路线图(2009年)》提出了发展本地嵌入式系统网络的建议。德国国家科学工程院的研究项目 agendaCPS把研究范围扩大到包括全球网络。其中一个成果是智能交叉路口,它将数据用于交通堵塞提示。

     信息物理系统技术属于“使能技术“,即它们能够产生大量创新的应用。信息物理系统带来的深刻变化和巨大挑战将影响其他现代技术领域的创新,因此我们在下面将对其进行详细阐述。

     根据摩尔定律,信息通信技术的发展是非常迅速的。在1965年,处理器制造商英特尔的联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)提出一个原理:在价格不变的情况下,集成电路芯片上所集成的电路的数目以及相应的数字系统的处理能力都会以每18个月翻倍的速度发展。数字信息处理系统性能的这种指数级增长与技术创新、经济发展和社会变迁密切相关。

     信息物理系统把物理流程和虚拟世界联系起来,促进这种发展。合理地使用信息物理系统对解决重大社会问题起到决定性重要,例如人口老龄化、气候变化、健康、安全、转向可再生能源、超级城市、有限的资源、可持续性、全球化和人口流动。这些在德国国家科学工程院的研究项目 agendaCPS中都有所体现。全球数字化网络的快速普及,例如互联网和全球通过“云计算”获得数据和服务,将促进上述发展。云计算描述了全新的信息技术范式。根据这种范式,信息技术的资源,例如处理能力、内存、应用和数据,得以在网络中动态地提供、管理和记录。因此,信息技术资源可以在“云以外”获取和使用。

     自2005年以来,在《德国高科技战略2020》与《德国信息通信技术战略2015》的框架内,德国政府一直在推动信息物理系统基础技术的研究。另外,在《国家嵌入式系统技术路线图(2009年)》中提出了推动嵌入式系统发展的综合行动建议。《国家嵌入式系统技术路线图(2009年)》中列出的挑战和缺点目前仍然存在,信息物理系统也不能幸免:

     -产业界仍然未能充分认识信息物理系统作为跨领域技术和创新动力所起的作用。

     -跨产业标准化仍然不足。

     -单个系统要素的制造商还不能以合适的方法联网。

     -各种孤立的解决方案仍然普遍存在。

     -物理信息系统对单个供应商的依赖很大,导致容易产生经济问题。

     -缺少合格的工程师。

     德国国家科学工程院建议:

     进一步贯彻落实《国家嵌入式系统技术路线图(2009年)》提出的行动建议以及《德国高科技战略2020》中“智能物体”(Intelligent Objects)项目的行动。

     这份立场报告和agendaCPS的研究都旨在促进物、数据与服务联网的发展,在快速转向信息通信技术领域时保护和加强德国的竞争力。上述研究的目标是使德国制造商成为信息物理系统单个要素或技术的领先者,以及信息物理系统解决方案的全球创新领先者。