论文部分内容阅读
有一个和工业4.0一起进入中国制造企业视线的专用名词，并在2015年炙手可热，那就是CPS（信息物理系统）。也许你不懂CPS是什么意思，但是这并不重要，重要的是在工作、生活中已经出现了它的影子。
2015年发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中，明确提到了智能制造、互联网+、物联网、分享经济等重点方向。多位业内专家认为，作为2015年最为热门工业4.0核心，CPS将会成为中国布局制造业的重要棋子，成为继云计算、移动互联网、宽带基础设施等之后的重要领域之一。
CPS为何成为众矢之的
CPS的英文全名是：Cyber-Physical System，翻译过来的意思是信息物理系统，或者赛博物理系统。前者主要面对大众市场，后者主要在专业场合使用比较多。这一概念业内公认是由德国发起，却是在2006年由美国最早提及，据说Cyber来源于维纳的《控制论》“Cybernetics”一词，钱学森在《工业控制论》中将“Cybernetics”明确为“机械和电机系统的控制和导航科学”，并把伺服机构和经典控制等“工程实践”升华为“工程科学”，这使得《工程控制论》在某种意义上成为了现代控制科学的代名词。
国内专业研究CPS的人并不多，在杨海成、宁振波等专家的带动下，业界对它有了一些初步的了解。由于是舶来语，翻译之后对中国人来讲，还是显得有些高大上。如果用大白话来解释一下，应该是这样的——“CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现了计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。”
目前德国、美国力推CPS的主要目的都和本国的经济发展有很大关系。自2013年德国推出工业4.0计划以来，为了更加巩固德国在工业自动化软件和智能化、数字化领域的技术优势，CPS逐渐成为了德国工业4.0的理论核心。美国在提出工业互联网战略以后，主要的发起者GE、思科等大部分企业也在信息科技领域占有优势，为了利用这些优势提升美国工业制造业的智能化水平，CPS也就自然被纳入了美国发展的重点。
CPS是智能制造的核心，也是工业4.0的核心。目前无论是工业互联网还是工业4.0，都不是马上就能实现的目标，需要一步一步地来完成。但是基于CPS的工业化应用在制造业中越来越多。“工业互联网通过将人、大数据、智能资产和设备连接起来，并结合软件和大数据分析，提升生产力和效率。” GE智能平台全球软件业务技术战略官Rich Carpenter对工业互联网的定义言简意赅。以GE的实时智能运营（RtOI）软件为例，它可以让制造商看到整个集团在全球各地工厂的运营情况，从而主动地检测并预测可能危害产品质量的因素如：工厂条件、设备风险以及流程违规等，并通过Proficy Mobile这样的组件，让业务和运营人员在合适的时间、合适的地点为其提供正确的信息，帮助他们快速决策，提升生产效率。
目前德国工业4.0在CPS上已经开始布局，西门子、SAP等工业软件巨头开始将物联网、大数据等技术和工业制造结合在一起，形成自己的技术优势。和德国、美国的工业化战略一样，中国的智能制造也是以CPS为重点，并在“中国制造2025”计划中提出智能化工厂、智能化生产的目标。国家主管部门负责人同时在多个场合提出，“中国制造2025”计划基本上和工业4.0、工业互联网如出一辙，有异曲同工之妙。
改变制造业的生产模式
GE的报告《工业互联网：突破智慧和机器的界限》指出，各行业1%的效率提升将带来显著的经济效益。例如，在15年内，航空业减少1%的燃料将节约超过300亿美元，医疗行业效率提高1%，会帮助全球医疗行业节约630亿美元。
据统计，小小的1%的效率提升，将在各行业带来“多米诺骨牌效应”：燃气发电机组能耗降低1%，就意味着节约价值80亿美元的燃料；在铁路运输领域，如果效率提高1%，则意味着节约20亿美元的燃料成本；产业上游的石油和天然气勘探开发的资本利用率提高1%，就可避免或推迟70亿美元的资本支出……
那么工业互联网是如何实现这一变化的呢？豪无疑问就是通过CPS系统的力量。就像上文提到的智能软件的例子，它的背后是由大量的物联网、工业软件和智能设备为支撑，才能达到真正利用信息通信技术来改变制造业生产模式的目的。
如三一重工通过在设备上安装2G、3G的通信模块，与后台联系起来，可以实时采集设备的运行状况，进行主动维护。目前三一重工在全球有10万台设备接入了后台的网络中心，通过大数据处理进行实时的远程监控预警。三一重工实施系统以后企业利润大幅度提升，3年间的新增利润超过20亿元，而且成本降低了60%。这种嵌入了云计算、物联网的信息系统一旦和生产车间的MES系统等结合在一起，再通过大数据分析技术的处理，可以为生产环节注入新的创新因素，带来的改变也是始料不及的。
未来产品例如机床、汽车、飞机、船舶等都应该会有实体与虚拟的价值结合，虚拟世界中的代表实体状态和相互关系的模型和运算结果能够更加精确地指导实体的行动，使实体的活动相互协同和优化，实现价值更加高效、准确、和优化的传达。以CPS在船舶上的应用为例，当海洋的环境改变时，我们可以在Cyber端分析洋流变化对船舶能耗的影响，再动态优化出当前最佳的转速航和航行姿态，使船舶时刻保持最经济的状态航行。
基于CPS技术的应用，使设备具备了自省性、自我预测、自我比较、和自我配置的能力。美国工业4.0专家、辛辛那提大学教授李杰认为，和传统的制造业生产模式相比，未来的制造业生产必然在之前的材料、机器、方法、测量、维护的基础上具备监测、预防、优化和防范的特点，也就是有了第6个M，从而打通了信息系统和物理系统之间的阻碍，形成虚实世界的融合。
对中国智能制造的影响
2015年5月，“中国制造2025”计划方案提交，7月份国务院就发布了这一计划，为未来数十年间的工业发展指明了方向。在这之前，德国、美国、法国、日本等主要国家也纷纷推出了制造业强国计划，在这场事关工业经济大局的战略争夺中，我们与工业强国站在了同一起跑线上。
在这场争夺战中，各国又有优劣。中国作为世界上第二大互联网强国，同时拥有最完备的工业化体系，却因为工业化水平的落后饱受外界非议。而CPS的出现和发展，给了中国制造业一个发展和超越的机会。“在CPS领域，我们的重视程度已经提升到国家战略，也得到越来越多企业的重视。可以说在意识、行动、技术等方面，我们与其它国家的差距不很大，我们完全有信心，通过积极努力，在这场革命中取得主动。”国内工业4.0专家、兰光创新总经理朱铎先接受采访时表示。
据了解，此前国内工业软件企业主要以代理欧洲的产品为主，这也是由目前欧美工业软件一枝独秀的格局造成的，但是这些年来国产软件企业的现状正在发生改变。
“学习、借鉴他们的先进理念，引进、应用适合自己的先进技术与设备，是提升自身竞争力的一条捷径。但中国企业一定要结合自身实际情况，制订切实可行的解决方案。”朱铎先说。兰光创新过去主要代理德国工业软件，如今自创的产品已经占到公司的经营规模的80%以上。
2015年发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中，明确提到了智能制造、互联网+、物联网、分享经济等重点方向。多位业内专家认为，作为2015年最为热门工业4.0核心，CPS将会成为中国布局制造业的重要棋子，成为继云计算、移动互联网、宽带基础设施等之后的重要领域之一。
CPS为何成为众矢之的
CPS的英文全名是：Cyber-Physical System，翻译过来的意思是信息物理系统，或者赛博物理系统。前者主要面对大众市场，后者主要在专业场合使用比较多。这一概念业内公认是由德国发起，却是在2006年由美国最早提及，据说Cyber来源于维纳的《控制论》“Cybernetics”一词，钱学森在《工业控制论》中将“Cybernetics”明确为“机械和电机系统的控制和导航科学”，并把伺服机构和经典控制等“工程实践”升华为“工程科学”，这使得《工程控制论》在某种意义上成为了现代控制科学的代名词。
国内专业研究CPS的人并不多，在杨海成、宁振波等专家的带动下，业界对它有了一些初步的了解。由于是舶来语，翻译之后对中国人来讲，还是显得有些高大上。如果用大白话来解释一下，应该是这样的——“CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现了计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。”
目前德国、美国力推CPS的主要目的都和本国的经济发展有很大关系。自2013年德国推出工业4.0计划以来，为了更加巩固德国在工业自动化软件和智能化、数字化领域的技术优势，CPS逐渐成为了德国工业4.0的理论核心。美国在提出工业互联网战略以后，主要的发起者GE、思科等大部分企业也在信息科技领域占有优势，为了利用这些优势提升美国工业制造业的智能化水平，CPS也就自然被纳入了美国发展的重点。
CPS是智能制造的核心，也是工业4.0的核心。目前无论是工业互联网还是工业4.0，都不是马上就能实现的目标，需要一步一步地来完成。但是基于CPS的工业化应用在制造业中越来越多。“工业互联网通过将人、大数据、智能资产和设备连接起来，并结合软件和大数据分析，提升生产力和效率。” GE智能平台全球软件业务技术战略官Rich Carpenter对工业互联网的定义言简意赅。以GE的实时智能运营（RtOI）软件为例，它可以让制造商看到整个集团在全球各地工厂的运营情况，从而主动地检测并预测可能危害产品质量的因素如：工厂条件、设备风险以及流程违规等，并通过Proficy Mobile这样的组件，让业务和运营人员在合适的时间、合适的地点为其提供正确的信息，帮助他们快速决策，提升生产效率。
目前德国工业4.0在CPS上已经开始布局，西门子、SAP等工业软件巨头开始将物联网、大数据等技术和工业制造结合在一起，形成自己的技术优势。和德国、美国的工业化战略一样，中国的智能制造也是以CPS为重点，并在“中国制造2025”计划中提出智能化工厂、智能化生产的目标。国家主管部门负责人同时在多个场合提出，“中国制造2025”计划基本上和工业4.0、工业互联网如出一辙，有异曲同工之妙。
改变制造业的生产模式
GE的报告《工业互联网：突破智慧和机器的界限》指出，各行业1%的效率提升将带来显著的经济效益。例如，在15年内，航空业减少1%的燃料将节约超过300亿美元，医疗行业效率提高1%，会帮助全球医疗行业节约630亿美元。
据统计，小小的1%的效率提升，将在各行业带来“多米诺骨牌效应”：燃气发电机组能耗降低1%，就意味着节约价值80亿美元的燃料；在铁路运输领域，如果效率提高1%，则意味着节约20亿美元的燃料成本；产业上游的石油和天然气勘探开发的资本利用率提高1%，就可避免或推迟70亿美元的资本支出……
那么工业互联网是如何实现这一变化的呢？豪无疑问就是通过CPS系统的力量。就像上文提到的智能软件的例子，它的背后是由大量的物联网、工业软件和智能设备为支撑，才能达到真正利用信息通信技术来改变制造业生产模式的目的。
如三一重工通过在设备上安装2G、3G的通信模块，与后台联系起来，可以实时采集设备的运行状况，进行主动维护。目前三一重工在全球有10万台设备接入了后台的网络中心，通过大数据处理进行实时的远程监控预警。三一重工实施系统以后企业利润大幅度提升，3年间的新增利润超过20亿元，而且成本降低了60%。这种嵌入了云计算、物联网的信息系统一旦和生产车间的MES系统等结合在一起，再通过大数据分析技术的处理，可以为生产环节注入新的创新因素，带来的改变也是始料不及的。
未来产品例如机床、汽车、飞机、船舶等都应该会有实体与虚拟的价值结合，虚拟世界中的代表实体状态和相互关系的模型和运算结果能够更加精确地指导实体的行动，使实体的活动相互协同和优化，实现价值更加高效、准确、和优化的传达。以CPS在船舶上的应用为例，当海洋的环境改变时，我们可以在Cyber端分析洋流变化对船舶能耗的影响，再动态优化出当前最佳的转速航和航行姿态，使船舶时刻保持最经济的状态航行。
基于CPS技术的应用，使设备具备了自省性、自我预测、自我比较、和自我配置的能力。美国工业4.0专家、辛辛那提大学教授李杰认为，和传统的制造业生产模式相比，未来的制造业生产必然在之前的材料、机器、方法、测量、维护的基础上具备监测、预防、优化和防范的特点，也就是有了第6个M，从而打通了信息系统和物理系统之间的阻碍，形成虚实世界的融合。
对中国智能制造的影响
2015年5月，“中国制造2025”计划方案提交，7月份国务院就发布了这一计划，为未来数十年间的工业发展指明了方向。在这之前，德国、美国、法国、日本等主要国家也纷纷推出了制造业强国计划，在这场事关工业经济大局的战略争夺中，我们与工业强国站在了同一起跑线上。
在这场争夺战中，各国又有优劣。中国作为世界上第二大互联网强国，同时拥有最完备的工业化体系，却因为工业化水平的落后饱受外界非议。而CPS的出现和发展，给了中国制造业一个发展和超越的机会。“在CPS领域，我们的重视程度已经提升到国家战略，也得到越来越多企业的重视。可以说在意识、行动、技术等方面，我们与其它国家的差距不很大，我们完全有信心，通过积极努力，在这场革命中取得主动。”国内工业4.0专家、兰光创新总经理朱铎先接受采访时表示。
据了解，此前国内工业软件企业主要以代理欧洲的产品为主，这也是由目前欧美工业软件一枝独秀的格局造成的，但是这些年来国产软件企业的现状正在发生改变。
“学习、借鉴他们的先进理念，引进、应用适合自己的先进技术与设备，是提升自身竞争力的一条捷径。但中国企业一定要结合自身实际情况，制订切实可行的解决方案。”朱铎先说。兰光创新过去主要代理德国工业软件，如今自创的产品已经占到公司的经营规模的80%以上。