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智能制造，制造强国战略的必经之路.pdf 56页
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智能制造行业
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智能制造：制造强国战略的必经之路
——智能制造系列报告之一
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看好 中性 看淡 (首次)
智能制造成为产业升级的必经之路。中国制造业通过改革开放 40
展，在规模与产业体系完整性方面居于全球领先地位，但也存在产业附加值
低、大而不强等突出问题，通过智能制造完成低端制造向高端制造的战略转
报告发布日期
2018 年03 月22 日
型已成为中国的现实需求，也是应对全球竞争的必然之路。2015 年以来，国
家相继出台 “中国制造2025”等一系列政策措施，推动智能制造的落地。我
们认为，由互联网技术、云计算、大数据、无线通信网等技术集合成的云-
网-端架构是实现制造业智能化的动力引擎。
信息化与大数据构建智能制造云端核心。通过构建基于精准、实时、高效的
数据采集的工业互联体系，制造业可以进行资源配置优化并实现智能化升级。
我们认为“智能”的核心在于信息化基础上的互联以及大数据技术上的智能
应用，在此背景下，包括工业软件、管理软件在内的企业数字化建设将得到
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工业革命之争—德国工业4.0与美国CPS战略对比
　　互联网与信息技术的高速发展正迅速影响着整个世界。人们发现，生活中的几乎每一个领域都受到互联网的影响，呈现新的业态与发展形势。尤其是在消费领域，网络消费模式重新定义了人们的购买方式，也推进了消费理念与偏好的升级。个性化消费需求的倾向正越来越明显。如今，大规模大批量标准化生产模式正越来越难以满足消费者的个性化需要，于是新工业革命的到来顺理成章。　　制造模式变革：“工业4.0”与CPS的核心战略　　“工业4.0”是2011年德国提出的新概念。在经过两年的发酵后已经在德国本土、欧洲其他地区、美国乃至全球引发了热烈的讨论。“工业4.0”与CPS的核心战略究竟是什么？　　1.互联网技术与制造设备融合战略　　2011年，在汉诺威工业博览会开幕式致辞中，德国人工智能研究中心负责人和执行总裁Wolfgang Wahlster教授首次提出“工业4.0”这一词。2013年，德国成立了“工业4.0”工作组，并于同年4月在汉诺威工业博览会上发布了最终报告《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》。这份报告认为“工业4.0”的核心就是下一代工业革命是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新。报告指出，“工业4.0”会将智能技术和网络投入到工业应用中，从而进一步巩固德国作为生产地以及制造设备供应国和IT业务解决方案供应国的领先地位。　　美国于2005年末2006年初曾对信息物联网和服务互联网与制造业的融合做出综合性的概括，称之为虚拟网络——实体物理系统（Cyber-Phsysical System，CPS）。美国与德国面对制造业未来虽然提出的概念不同，但“工业4.0”与CPS本质上是异曲同工的。　　2.战略核心：制造智能化　　“工业4.0”与CPS想实现的是通过物联网、信息通讯技术与大数据分析，把不同设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体，在自动化之上，形成制造的智能化。这一智能化又包含两大主题：智能工厂与智能生产。　　智能工厂主要关注智能化生产系统及过程，以及网络分布式生产设施的实现。未来，各个工厂将具备统一的机械、电器和通信标准。以物联网和服务互联网为基础，配备有感测器、无线和RFID通信技术的智能制造设备可以对生产过程进行智能化监控。由此，智能工厂能够自行运转，且工厂间零件与机器可以相互交流。结合大数据技术，智能工厂还能对生产与修理作出可能的提示。这使得工厂设备脱离固有生产线的束缚，可以不断做出智能的调整，从而使得一次性生产的产品也可以通过颇具收益的方式制造出来，打破了标准化生产的成本优势。　　智能生产是在智能工厂的基础上进一步加入了人的要素，同时强调生产过程本身，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等。目前大部分制造系统都采用集中式控制方案，在中央控制机器上独立地进行处理，工人主要负责监控维修控制机器。未来的智能生产是以人为中心的基于信息物理系统为智能辅助系统创造更优秀的人机互动模式。　　3.制造模式变革：产品、设备与管理设想　　工业4.0与CPS希望通过智能工厂与智能生产的建设，最终实现的是制造模式的变革。每一个产品将承载其整个供应链和生命周期中所需的各种信息。设备将由整个生产价值链所继承，可实现自组织。管理能够根据当前的状况，灵活决定生产过程。具体可以用6C来进一步说明，6C为连接（Connection，传感器和网络），云（Cloud，任何时间及需求的数据），虚拟网络（Cyber，模式与记忆），内容（Content，相关性和含义），社群（Community，分享和交际），与定制化（Customization，个性化服务与价值）。6C条件下的产品本身，将成为信息的载体。产品能够自动记录其生产过程的一切。同时，它还能够辅助操作步骤与监测周围环境。比如一款产品出厂情况会根据温度与湿度的变化发生变化，产品还会自动提示监事人员自己还需要增加什么样的额外调整措施。　　6C条件下的工厂可以实现全产业链的智能生产，实现生产的自我调整。2013年，蔡司（Zeiss）集团在欧洲机床上展出的PiWeb系统正是这一理念的现实反映。该系统能把分布在不同地区、不同产业链环节的工厂机器测量数据汇总。未来，这些汇总信息能够自动通过系统分析出调整结果，重新返回各个工厂实现实时智能化调整。　　6C条件下的管理可以实现透明化生产，预测性制造。目前的制造中，存在许多无法定量的因素，包括加工过程中的性能下降、零件的偶发失效、废品的返工、整体设备的效率下降等。通过透明化，也就是一种阐述并量化那些不确定因素，以使生产组织者能客观地估计自身制造和装备状态的能力，通过管理实现预测性制造，做到维修成本的降低，运行效率的提高，产品质量的改进。　　“工业4.0”与CPS的实现路径　　美国与德国各自不同的优势所在，两者推进新一轮工业革命的实现路径有所不同，各有侧重（见表1）。　　1.德国：国家战略下合作探索“工业4.0”智能工厂　　德国提出“工业4.0”这一概念本身带有国家的反思。德国称得上是一个高端制造的大国，制造业作为其经济增长的动力，使其在欧债危机中长期保持坚挺。但他们的制造业始终以产品为主。他们一直在反思，为什么自己的产品只有生产功能的价值，而没有服务的价值。为此通过互联、数字、智能化的融合、智能工厂的建设，可能是未来的方向。基于自身较强的制造设备工业，在国家战略下合作建设互联的智能工厂系统可能是重要的路径，使得德国成为第四次工业革命的先行者。　　Detlef Zuehlk教授所在的德国人工智能研究中心创新工厂系统部协同10家德国企业，建立了世界上首个反映“工业4.0”愿景的工厂模型。借助这个被称为smartfactory的项目，10个合作伙伴各自建立了一个系统模块，或者提供相关跨应用的技术。这个工厂模型展示了不同领域的创新性企业相互合作，共同工作，使概念转化成商品，把愿景实现为现实的过程。这一模型示范了6C下的组织生产的一种实现。　　在2014年，主题为“融合的工业——下一步”的汉诺威工业博览会上，各个德国企业还展示了自己的“工业4.0”构想生产线。西门子展示在其生产线上，车体与机器人一边“对话”一边进行组装。博士力士乐和萨博分别展示了一条能在同一条生产线上生产两种产品和六种断路器的概念灵活装配线。萨博展示了一台可以生产16种不同产品，并对它们进行区分的设备装置。　　2.美国：依托硅谷模式抢占软件技术优势，发展先进生产方式　　美国是最早提出信息物联系统的国家，美国认为制造过程的下一步优化，是透明化哪些不可见的因素，从而使生产能在完全的信息下进行，也就是透明化生产和预测性制造。在CPS系统研究的初级阶段，制造业并未脱离原有的制造模式，而是在生产信息系统层面进行相应的改革。　　随着CPS系统概念的不断发展与进化，美国对透明化生产的认识逐步上升到工业大数据层面。工业大数据的是由一个产品制造流程或者一个工业体系带出的数据。工业大数据使得产品带来更高的价值，每一个出产的产品最后都能回馈信息至生产者手中，从而反过来影响之后的生产者决策与行为，也能提前为生产者应对突发情况做出提示，使得生产过程中不再存在不确定的信息。工业大数据的信息系统对制造设备的要求越来越高，逐步成为新一代智能制造装备或工厂。　　工业大数据及其配套的信息系统与硅谷模式相结合，使得美国可以在智能制造信息系统类生产方式构件上取得领先。美国目前已经构建出一套创新性的预测工具，能将数据系统所收集的内容加工成解释不确定性的信息，使管理人员做出更多“知情”的决定，实现部分的透明化生产。这一套工具中包含了整合平台、预测分析工具和可视化工具。例如软件Watchdog AgentTM中，算法被分为四个部分：信号处理和特征提取、健康评估、性能预测和故障预测。利用雷达图、故障图、风险图和健康退化曲线，有效地传达工厂设备的信息，从而做到智能化的生产。　　“工业4.0”与CPS的战略本质　　1.大规模定制化生产方式正逐步实现　　“工业4.0”与CPS及其代表的新一代智能生产方式可能就是大规模定制化的生产方式的初级阶段。因为消费者个性化需求如果实现，一方面需要供应商能够生产提供符合消费者个性偏好的产品或服务，一方面需要社会提供消费者有个性化消费的空间与过程。由于消费者众多，每个人的需求不同导致需求的具体信息也不同，加上需求的不断变化，就构成了供应商的大数据。对这些数据进行处理，进而传递给智能设备，进行运算，设备调整，材料准备与自动加工等步骤，才能生产出符合个性化需求的产品。　　“工业4.0”与CPS所体现的进步技术包括物联网，信息技术，大数据处理技术，与个性化产品制造所需的技术十分相似，相对来说缺少了在消费者层面采集数据的环节。但通过工厂层面的设备革新，产业链协作，大数据处理，产品能够具有服务价值，从而使得智能制造设备根据处理后的信息，进行判断、分析、自我调整、自动驱动生产加工、品质保持，直至最后的产出步骤。可以说，智能工厂已经为最终的制造业大规模定制生产做好了准备。　　2.消费性大数据与生产性大数据处理的结合　　在“工业4.0”或CPS的工厂中，消费者需求与行为产生的大数据除了反馈至生产设备，进行产品生产的调整外，还将对生产本身进行进一步的监控。而生产所产生的数据同样经过快速处理、传递，反馈至生产过程及其涉及的产业链的链条中，从而使得生产过程高品质的进行。　　例如在过去，在设备运行的过程中，自然磨损本身会使产品的品质发生一定的变化。随着个性化生产的推进，产品生产所涉及的自然环境因素、突发因素、设备条件等变量会进一步增多，这种磨损对整个生产带来的影响会被放大。通过信息处理技术及互联技术，生产过程中的这些因素才能被精确控制，从而真正实现生产的智能化。一定程度上，这一工业大数据的处理技术直接决定了“工业4.0”与CPS所要求的智能化设备的智能水平。　　3. 新一代智能制造工厂的未来　　消费需求的个性化要求传统制造业突破现有的生产方式与制造模式，根据消费需求海量数据与信息，进行大数据处理与传递；而在进行这些非标准化产品生产过程中产生的生产信息与数据也是大量的，需要及时收集、处理和传递。这两方面大数据信息流最终通过互联网在智能制造设备交汇，由智能制造设备进行分析、判断、决策、调整、控制开展智能制造过程，确保生产出高品质个性化产品。这就决定了互联网、信息技术与制造母机融合后，最终形成新一代互联的智能制造工厂（系统）以替代今天的生产体系。　　“工业4.0”与CPS瞄准的都是这个方向。为了应对这个变革的趋势，我国应该更加注重制造业高端标准与技术的确立，寻找智能制造设备与信息技术融合性的突破，大数据建立与分析应用的突破，做到互联网应用技术的升级，培养信息技术与制造技术复合人才。
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宁振波：CPS是智能制造核心技术，更是智能化思想精华（附完整下载）3月29日，CPS信息物理系统专家宣讲团第二讲“CPS的精义是这样的”，由中航工业集团信息技术中心首席顾问、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员宁振波研究员网络开讲。“CPS信息物理系统专家宣讲团”第二讲网络直播实录为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院组织团结各方力量，组建“CPS信息物理系统专家宣讲团”，在网络上发起集中宣传活动，每周邀请一名精通CPS的专家，从不同角度讲解CPS，为广大企业用户进行网络宣讲。在后台回复“0329”，即可免费下载“宁振波：CPS的精义是这样的“讲座完整PDF，收听讲座音频第二讲主讲专家：宁振波：中航工业集团信息技术中心首席顾问、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员宣讲主题：CPS的精义：内涵、沿革和层级微信多群同步直播，万人在线同时分享。网络宣贯CPS，怎么看，如何干？相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS以下为本次活动实录：主持人：大家好，我是今晚五十个科技社群同步直播CPS专家宣讲团活动的开场主持人胡虎，一名科技媒体人，也是国内第一本讨论新工业革命与智能化创新的专著《三体智能革命》的主编，走向智能研究院特约研究员。今晚大家再次在赛博空间相遇，还记得上周我们一起为CPS专家宣讲团加油的口号么——“相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS”。为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院组织团结各方力量，组建专家宣讲团，从不同角度，为政企各届朋友集中宣传讲解CPS。上周的同一时间，我们有幸邀请到《CPS白皮书》主要作者之一，中国信息物理系统发展论坛秘书长郭楠先生首次开讲，为大家解读了《CPS白皮书2017》的主要内容与出台背景。今晚即将登场的嘉宾，是我国制造业界鼎鼎大名的宁振波先生，他是中航工业集团信息技术中心首席顾问、也是十大军工集团的科研工作者们非常熟悉、非常尊重的知名两化融合专家、智能制造研究专家。在权威的产学研组织中国信息物理系统发展论坛中，宁总也是专家咨询委员会的重要成员。可以说，《CPS白皮书2017》的成稿，凝聚了宁总和一大批关心并从事CPS技术发展的老专家的心血和期望。值得一提的是，我国工业、IT行业若干重要部门、机构、单位、企业对今晚的活动给予重要指导与大力支持。他们是CPS信息物理系统专家宣讲团指导单位：工业和信息化部信息化和软件服务业司主办单位：中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院支持单位（滚动更新，不分先后）：中国机电一体化技术应用协会、青岛工业软件研究所(中国科学院软件研究所青岛分部)、全国智能制造发展联盟，中国两化融合应用推广联盟，中国工业软件联盟，中国两化融合服务联盟、中国科技自动化联盟、北京信息科技大学自动化学院、机械工业出版社、广东华南计算技术研究所、华为、PTC、索为系统公司、索为云网、兰光创新、英诺维盛、北京联讯动力、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易强企、大驰创新、e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、智能制造百人会、精益自主研究会、工控兄弟连、物联网智库、全国三维数字化创新设计大赛组委会、全国三维数字化技术推服务与教育培训联盟、世界绿色设计组织WGDO智能制造专委会、3D动力、智造家IMEfuture等。今晚同步直播《CPS白皮书》专家宣讲团活动的微信群有近50个，基本包含了工业领域、IT领域一些主流科技社群、企业社群。他们中参与较早的是：CPS发展论坛、CPS信息物理系统专家宣讲团、走向智能论坛读书汇、CPS专家宣讲团政企群、《三体智能革命》雅读汇、国家两化融合创新推进联盟I、Enterprise的含义群、工业4.0俱乐部北京群、山西装备制造之家、工业4.0俱乐部上海群、工业4.0俱乐部深圳群、新工业联盟群、工业4.0俱乐部转型升级群、工业4.0俱乐部大数据群、工业4.0俱乐部大连群、工业4.0俱乐部智能制造群、工业4.0俱乐部东北群、智能制造百人会群、精益自主研协会00群、精益自主研协会07群、拓智企管精益工场群、中国智能制造IMchina、智造家-智造课堂-工业大数据、西南精益智造联盟、智慧工业研究院、智能科技创新交流群、人工智能创新论坛群、中欧智能制造，中欧校友制造业群，中欧校友人工智能/大数据研习群、中国信息自动化交流群，慧玩创新知本家俱乐部等等微信社群。接下来，有请宁总进入宣讲时间，从CPS的内涵、沿革、分类和层级四个角度，为大家讲讲宁振波视角的“CPS精义”，并对CPS白皮书的重点内容进行点睛评述。宁振波：感谢主持人。大家好，我是中航工业集团信息技术中心宁振波，很高兴能够有机会与给位专家交流学习。上一周标准院郭楠博士解读了CPS白皮书的主要内容。今天我主要讲CPS的精义，分为两部分内容，第一部分主要是讲CPS的内涵和沿革，第二部分主要是讲我所理解和认识的CPS的分类和层级。德国工业4.0的基础讲的是一个网络，实际上就是CPS赛博物理系统。但是，这些都起源于美国的早期基础研究。实际上，早在上个世纪九十年代，美国对CPS技术内核就有了定义：控制、通讯和计算，简称3C。我们工业部门正在研究并走向实用的智能制造，实际上核心技术是智能。我们必须正确理解：智能、智能制造系统和CPS的关系。我认为智能是人类的一种深刻本质，一切生命系统对于自然规律的感应、认知和运用都属于智能范围。具体反映到我们的工业制造领域，实际上核心就是CPS。这一点在我参与撰著的《三体智能革命》一书中已经有所解读，读过我们这本书的朋友应该更容易理解。实际上，我们日常所说的人工智能是从计算机学科发展而来的。我们在三体智能理论中，提出一种更加宽泛的智能技术——“人造智能”，包含了更丰富的内容。就是去研发一套新的智能技术系统，具有类似人的认知能力，有感知、会分析、自决策、善动作，并且在分析与决策过程中善于运用知识，同时学习、积累乃至创造知识的能力，是一种模仿、拓展和超越人类智能的能力。我们目前所说的人造智能系统，有五个典型的特征：包括状态感知、实时分析、自主决策、精准执行，最后是学习提升。智能系统始于感知、精于计算、巧于决策、勤于执行、并善于学习。开放智能系统均具有以上五个典型的智能特征，也是业内基本认可并广为流传的“20字箴言”。在我们今天宣讲的《信息物理系统白皮书》第9页里，认为CPS的本质是“构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系”。从两种表述可以看出，较多地采用了“20字箴言”的总结，同时有新的发展。我们九位作者历时两年，在去年九月份由机械工业出版社出版的《三体智能革命》一书。实际上，该书描述了智能制造的本质，也可以说是揭示了新工业革命的本质。我们在书中描述了主导技术系统变迁的三个核心要素——三体：物理实体、意识人体和数字虚体。每一体都有其从不智能走向智能的内在要求。智能才是本源，CPS则是它的最新实现形式。《三体智能革命》描述的智能进化、路径就非常清楚了。物理实体，通过长年的演化和发展，按照达尔文的进化论核心观点，宇宙的演进，演变出了植物、动物，而动物的最高形态，就是有智能的意识人体。有智能的意识人体，创造了智能的工具。这些工具反过来帮助人们将物理实体建成了模型，这个模型就是数字虚体。数字虚体有两个作用，第一，指导我们的产品设计；第二，指导我们的产品生产。当然，我们可以把数字虚体嵌入到物理实体中，物理实体就具有智能了。这么一来，物理实体、意识人体和数字虚体就构成了我们《三体智能革命》这本书的所有理论基础，用三体智能的理论，可以很好的去解读德国工业4.0、美国工业互联网、中国制造2025，还有智能制造。在物理实体、数字虚体与意识人体的三体中，最重要的就是我们如何把物理实体变成数字虚体，以便指导我们的产品设计、生产线和工厂的设计以及智能化产品的研制。我们把物理实体，通过数学建模映射到数字虚体。实际上这条线上表达的很清楚，具有智能的人，才用了我们人类开发的智能工具，通过数学建模的方法，将物理实体建模，形成数字虚体。我们《三体智能革命》一书定义的人造智能，包含了所有人类开发和建立的人造系统的智能，既包含了人工智能，也包含了认知计算、黑暗森林、互联网大脑等等我们在讲到智能智造的时候，时常分不清智能和智慧，或者混淆其使用。比如说，SMART CITY，意思是快速响应、生活便利的城市，这里面的英文SMART，意思是聪明、敏捷、快速、便利。德国大众公司有一款非常流行的迷你汽车叫SMART，它便于停车，转向敏捷，很酷、很方便。如果有人将SMART CITY翻译成智慧城市，我们就觉得有些不妥了。ＳＭＡＲＴ还远远到不了智慧的地步。无论是技术、产品还是城市，从不那么笨，到小聪明，到智能，再到智慧，是一条非常漫长的技术演进的道路，应当实事求是，不必拔苗助长。按照网上有关对智能和智慧的定义，其中的区别是非常清楚的。智能是一项综合科学，不能仅仅从计算机科学、生物学、心理学、人类学、工业控制或者其它什么学科的某一类单项定义去考察，而是应当综合各个方面的认识。从技术系统的角度考察，智能是系统一种高度发育、非常普遍的心智能力，涉及推理、运算、抽象、解决问题、推论新的问题以及快速学习，最后所形成的一种相对完备的认知能力。我们在《三体智能革命》中首次提出的“人造智能系统”，包含的内容非常丰富，包括智能制造、智能生产、智能设备、智能产品、智能材料、智能化的工艺工装，智能家居、智能化的硬件，以及其他智能化的一切，这包含了一个非常广泛的含义。到现在为止，中国的制造2025、德国工业4.0、美国工业互联网，这都是基于CPS这样一个个共同的技术体系基础而发展出来很多新技术。要深入理解ＣＰＳ，必须对其最关键的词汇Ｃyber的演化有所了解。根据我们的考察，早在1926年， 尼古拉·特斯拉在“远程自动化”中讲到：“当无线被完美应用时，我们的地球将会变成一个大脑，事实上就是通过仪器我们能实现一些惊人的事情就如同像现在我们使用电话一样，比如一个人可以将任何东西放在他的口袋里。”1948 诺伯特维纳“控制论”中援引了希腊语单词“Kubernetes”，“Kubernetes”其原意是“万能的神”，因为希腊是航海大国，不可预测的海上风浪经常会引起翻船事故，为保佑船只和人的安全，古希腊人引用“万能的神”这个词作为舵手）。在此基础上创造了“Cybernetics”词，意思为控制。1961年，美国人查尔斯德雷珀研制的“阿波罗制导计算机”是世界第一个嵌入式系统。1967年，美国国防部预研局（DARPA）在连接几台不同的大型计算机，开发通讯协议时提出了“赛博空间”的概念（Cyperspace），它是国际互联网的前身。1988美国人马克威瑟提出“无处不在的计算”。上世纪90年代初国际互联网的快速普及；1999 年艾什顿凯文提出了“物联网”概念 。上世纪九十年代后的很长一段时间内，Cyber又被称作3C（控制、通信、计算）。现在Cyber常作为前缀，代表与Internet或电脑相关的事物，即采用电子或计算机进行的控制。我们现在对于赛博的认识，必须升级，赛博现在包含了五个含义，第一控制，第二通讯，第三协同，第四创新，第五虚拟的概念。这些概念背后都隐含着计算。甚至计算可以嵌入进材料中。大家对CPS的出处有很多解读，据我了解的情况，美国国家航空航天局，也就是我们所说的NASA，在1992年率先提出的CPS赛博物理系统这一概念。CPS最早的定义是在2006年，当时形成比较完整的定义：CPS是在物理、生物和工程系统中，其操作是相互协调的、互相监控的和由计算核心控制着每一个联网的组件，计算被深深嵌入每一个物理成分，甚至可能进入材料，这个计算的核心是一个嵌入式系统，通常需要实时响应，并且一般是分布的。美国国防部推动CPS技术从太空探索领域进入到军事领域，其无人机作战系统能够在军事基地控制数千公里外的无人机，对目标进行侦察、打击，很大程度上得益于美国无人机系统利用CPS技术随时获取了所需要的时空信息，在军事基地的控制端就可以对无人机侦察、打击所需要的各种要素进行评估，并进行了数字化的展示。1993年数百名美国特种部队在索马里首都摩加迪沙军事行动中被数千名索马里民兵围攻，造成19名美军死亡，73人受伤，事后索马里民兵将美军士兵尸体吊在桥上向全世界展示。该事件极大地刺激了美国民众和政府。CPS技术可以让士兵在安全的军事基地中远程控制各种武器装备执行危险的作战任务，从而大大降低部队的伤亡，因此很快引起美国国防部的高度重视。美国和欧洲近十年来在CPS技术上投了大量资金。最早开始是在2005年五月份，美国出台出台了一个研究报告《站在风暴之上》。2006年二月份美国发布的《美国竞争力计划》则将CPS列为重要的研究项目。2007年7月，美国发布《挑战下的领先—竞争世界中的信息技术研究》报告发布。欧盟已经在2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术上投入五十四亿欧元，以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖。从上面的CPS历史回顾我们可以看出，CPS是因为控制而兴起，由于计算而发展壮大，借助互联网而普及应用。飞机，特别是无人机（很多场合叫做空中机器人），就是CPS应用的重点领域之一。下面讲第二部分，CPS的分类和层级这里再重复一下CPS的早期定义，美国国家科学基金会（NSF） ：CPS是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。在系统中，计算被“深深嵌入”到每一个相互连通的物理组件中，甚至可能嵌入到物料中。CPS的功能由计算和物理过程交互实现。我个人认为CPS可以分为广义的CPS和狭义的CPS。广义的CPS，比如说在宇宙中，物质和反物质、暗物质。人类社会中的虚拟经济和实体经济。拿生物体来说，就是人的思想和身体，这就是一个完整的CPS系统。狭义的CPS系统,主要指的是人造工程，比如说各种产品、建造的各种大坝等，以及高铁、机场等等。这些人造工程，都是由大量的产品构成。而产品，由实体部分和控制部分组成，控制部分就是赛博CYBER，实体部分就是Physics。产品的制造过程，也分为控制设备和硬件设备，控制设备就是赛博CYBER，硬件设备就是Physics。我们的智能产品，分为软件和硬件，软件是赛博，Physics就是硬件。企业运行，有管理、生产。管理就是赛博，生产就是Physics。目前国际上，智能制造入门级的供应商有西门子、DS、PTC和美国的GE等等。在宇宙中，根据现在的科学发现，有物质，也有反物质和暗物质。有可见的能量，也有反物质和反能量。实际上，现在的科学发现。人类了解的世界不足百分之五，这个百分之五是由常规物质和能量组成。可见的物质和能量就是Physics，不可见的物质和能量就是Cyber。让我们来看看生物。我们都知道蚯蚓，可以断体后重生。还有蜥蜴，尾巴断了，可以重生。这里戏说一下CPS的最小单元：这里我们来讲一个2月14号情人节的冷笑话。这个冷笑话很有意思。蚯蚓的爸爸，要去找情人，由于两个情人，没有办法，只好一分为二，分别去见两个情人。蚯蚓的妈妈，要去打牌，一分为四，自己去打麻将去了。蚯蚓儿子一看爸爸妈妈走了没人管，他有很多朋友，就想把自己分解成很多很多个碎片去找朋友玩；结果就没有结果了？蚯蚓的爸爸妈妈回来，哭了，你分解的这么多碎片让我到哪去找儿子啊？这里就有一个如何构建一个最小单元还能够重生和工作的问题。重生，这是生物界的问题。让我们来分析一下人。我们人体是一个非常复杂的智能系统。人的大脑和思想是CYBER，人的身体和行为是Physics。对于人而言，大脑之所以是CYBER，不仅仅是传输并处理各种电信号，还有各种量子纠缠、蛋白质、声学甚至光学、磁学信号等等都归于赛博范畴。去年，谷歌阿尔法狗（AlphaGo）战胜人类顶级专业围棋选手，获得大胜。但是，阿尔法狗的耗电确是我们不能想象的，阿尔法狗有一千多颗中央处理器CPU、一百七十多颗图形处理器GPU，然后呢，就和一个专业棋手下围棋。开句玩笑话说，一个人吃一个馒头，加个豆腐乳就可以对付这台阿尔法狗了。实际上有人统计，阿尔法狗下一盘棋的耗电，能超过一百千瓦。如果单纯从能耗计算，全球七十亿人口，用阿尔法狗实现人类智能的话，全太阳系的能量，都不能满足要求能耗需求。据外媒报道，美国国防部日前宣布，去年10月，美国军方在加利福尼亚州进行试验，美军使用3架F/A-18超级大黄蜂战机释放了103架Perdix（灰山敦）无人机组成的机群。无人机最初由麻省理工学院工程学生设计，2013年首次为美国军方试验进行了改造。这种微型无人机翼展30厘米，可自主飞行，但是共享一个分配电脑。军事分析人士称，这种装置可以躲避防空系统，用来执行侦察任务。美国国防部战略能力办公室主任威廉罗珀(William Roper)说，Perdix并不是经过预设程序的协调行动的个体，而是像自然界中类似鸟群的动物群体那样，共享决策的分配大脑，相互协调行动。他说，“因为每一个Perdix都可以和另一个Perdix联络协调，所以机群没有领袖，可以非常顺利地允许每一个无人机进入或离开这个群体。”英国军事智库“皇家联合军事研究所”研究员金塔纳(Elizabeth Quintana)说，为了对付那些试图识别大型高速飞机的防空系统，廉价的可折损的小型无人机似乎是一个选择。她说，这个系统可能会在不久的将来投入使用，执行侦察任务。实际和智能制造中的制造单元动态重组是一个概念，民用产品案例就是智能家居的动态重组。现在，一个无人机作战系统，已经不再是单台无人机作战。正如这个新闻上所说的。三架F18战斗机，放出了一百多架小型无人机。每个无人机都是一个单独的CPS系统，他有内嵌的处理器，处理器的形态多种多样，面向的是一个对象系统，这个系统内是嵌入式系统，进入系统，里面还有多个的嵌入式处理器，共同来协助这台这架无人机完成各种工作。再往向上看，无人机向上对接的是F18战斗机。这就是一个复杂系统。一架无人机的工作机制也是非常复杂。它包括数据采集、反馈。其中数据采集包括采集外部的各种信息，以及内部的各种信息。然后，通过综合分析计算，由机器做自主决策，同时反馈给飞控系统、通讯系统导航系统等等，碰到特别复杂的情况下，还需要地面的飞行控制人员辅助进行人工决策。无人机的上一级就是飞行员驾驶的战斗机。这个战斗机更复杂了，这就叫人在环的CPS系统。包括电子战系统、通信导航识别系统、飞行控制系统、航电等各种综合的网络系统，当然还有飞机自身的动力、辅助动力、起落制动控制、液压燃油、电源、防护救生与空投空运系统等，以及火控雷达、大气气象等等数据处理系统。战斗机的再上一级，实际上是典型的任务作战场景，包括空、天、地、海、潜、电磁等等，共同组成了一个典型的作战体系，这就是一种复杂的系统之系统，就是SoS。通过上面的解读。我们就可以看到CPS应用有三层架构，第一层是应用于设备，这就是单元级的。第二层是应用于智能生产线，或者智能车间，这是系统级。第三层是CPS应用于研制体系，这就是复杂的系统之系统(Systemof systems)就是SoS再重复一遍，赛博实质是一种实现控制的特殊结构，是藉由信息来控制物质、能量和信息。有句话描述得非常清晰：虚实精确映射，就是指虚拟世界或者叫赛博世界和物理世界相互精确映射。然后，赛博空间控制物理空间。只要具备了这些，就构成了一个最简单的CPS最小单元。重要的话讲三遍：以下是安筱鹏博士在CPS白皮书序言中讲的CPS的三个层级。单元级是具有不可分割性的信息物理系统最小单元：可以是一个部件或一个产品，通过“一硬” 和“一软”（如嵌入式软件）就可构成“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能。每个最小单元都是一个可被识别、定位、访问、联网的信息载体，通过在信息空间中对物理实体的身份信息、几何形状、功能信息、运行状态等进行描述和建模，在虚拟空间也可以映射形成一个最小的数字化单元，并伴随着物理实体单元的加工、组装、集成不断叠加、扩展、升级，这一过程也是最小单元在虚拟和实体两个空间不断向系统级和系统之系统级同步演进的过程。系统级是“一硬、一软、一网”的有机组合。单元级通过工业网络，实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作，进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。通过对人、机、物、料、环等生产要素进行生产调度、设备管理、物料配送、计划排产和质量监控而构成的智能车间也是系统级CPS。系统之系统级（即SoS级）是多个系统级CPS的有机组合，涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SoS级CPS通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。Mindsphere、GE Predix以及海尔COSMO、PTC的Thing Worx等，通过实现横向、纵向和端到端集成，形成了开放、协同、共赢的产业新生态，体现了SoS级CPS的发展方向。CPS内容博大精深，它大到包括整个工业体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的核心。理解CPS才能理解智能制造。因此，在我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用。根据目前人工智能的进展，技术非常重要，但是人的作用是整个智能制造的最为重要的因素，只有把人整体融入到CPS中并和CPS有机结合在一起，才能提升我国制造业的整体发展水平。谢谢大家！【主持人】非常精彩的分享。非常精彩的分享。宁总不仅从理论上为我们讲清了CPS的历史变迁，还从技术的实践为我们指明了CPS三大工业应用方向——设备级、产品级应用、产线级应用以及研制体系级的应用。此外，借助他和专家们在《三体智能革命》一书中创造性提出的“人造智能系统”理论，介绍了人造智能技术系统与人工智能的区别与联系，让我们深刻认识到CPS是工业领域落地的智能技术系统的统称。通过宁总的讲解可以看出，无论是中国的制造2025、德国工业4.0，还是美国工业互联网，CPS都是三者共同的核心的技术基础，这一崭新的技术体系“小荷才露尖尖角”。宁总用哲人般的语言，描绘了世间万物CPS无所不在的事实，让我大开眼界。比如，可见可感的物质和能量就是Physics，不可见的反物质、暗物质等等就是Cyber等观点，让我对宇宙的认识也“大开了一次脑洞”。宁总认为实体经济与虚拟经济的辩证关系，也是一种CPS，这不仅对于企业家，对广大区域经济、产业经济的管理者都有很深启发的。在国家高度重视实体经济发展的今天，我们应当借CPS技术发展的东风，让新一代信息技术更深地与实体经济融合，创造崭新的智能化市场与发展空间。作为主持人，请允许我代表参与今晚宣讲直播活动的万名科技界、产业界群友，再次为宁总送上掌声。下面，请直播工作人员转发我们刚刚收到的部分群友提问。【群友提问】：请问CPS究竟是一种技术，还是一种发展技术的思想。每个行业的CPS在技术上有没有共性。工业界推广和发展这一大类技术的根本目的或作用是什么？【宁振波】：CPS博大精深，从顶层理解是一种思想，一种体系。但CPS又必须分解落地，可以转化为各种技术。所以白皮书里面才有对CPS的分类和分级。单纯说CPS是技术，或者说是思想都有以偏概全的不足。【群友提问】：我是一个CAD软件研发人员。您的意思是不是说在设计软件里面建立的数字模型与之后生产出来的产品构成一组CPS。这是不是意味着我们已经在干着CPS的事，CPS是否需要还单独再建设一套系统。【宁振波】：CAD软件设计的模型，与依据这个模型生产出的产品，可以说构成一个CPS单元，但这只是最初级意义的。从更高层级来看，生产线和车间的建模，以及据此建成的生产线和车间，构成一个系统级的CPS。在工业活动每一个环节，每一个层面中，我们所建的数字模型还远远不够，还需要广泛推广CPS的理念，促进CPS系统的发育。【主持人】下面，我请宁总用最简洁的语言概括一下您眼中的CPS精义。【宁振波】我想送今天参加宣讲活动的群友八个字，“知CPS者智、涉CPS者勇”。我希望通过大家的努力，让制造业出一大批勇士，通过CPS的创新引领，为中国制造2025开疆拓土。【主持人】谢谢宁总的精彩解答。下面作一个活动预报。第三期CPS专家宣讲活动定于一周后的4月5日20点。主讲专家：走向智能研究院执行院长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员赵敏先生，讲座内容为《CPS的技术路线》。【主持人】谢谢宁振波教授、赵敏院长，谢谢各位群友今晚在手机、电脑、PAD前的守候。我是“CPS专家宣讲团”网络直播活动主持人胡虎。记住我们的接头暗号“相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS”。我们下周再见。在后台回复“0322”，即可下载“《信息物理系统白皮书（2017）内容解读》完整PDF全文【如想参加下期活动，请加小易微信（ce-xiyi）】（备注“专家团”更容易通过）下期活动介绍1活动预告3月22日～4月22日，每周三20：00～21：00中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心副主任、中国信息物理系统发展论坛秘书长、CPS白皮书撰稿者之一中航工业集团信息技术中心首席顾问、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员走向智能研究院执行院长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员中国船舶工业系统工程研究院海洋装备技术中心主任、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员2直播时间日周三20点～21点3活动过程活动形式：文字+图片（增设专家宣讲语音直播课堂）首期直播主持人：胡虎（《三体智能革命》主编、媒体专家）主讲题目及专家：CPS的技术路线赵敏：走向智能研究院执行院长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员参与人员：参与CPS白皮书编制并提供宝贵意见建议的专家、学者、企业家等各界代表。4月5日20：00：微信直播活动正式启动◆ 5分钟主持人开场词（活动意义、参与人员、现场纪律等）◆ 45分钟由主讲专家讲解宣贯CPS◆ 10分钟主持人串场，交流沟通环节◆ 21：00直播活动结束◆ 1小时后有兴趣的朋友可以继续深入交流沟通互动。4主办单位简介中国电子技术标准化研究院（工业和信息化部电子工业标准化研究院，工业和信息化部电子第四研究院，简称“电子标准院”、“电子四院”），是工业和信息化部直属事业单位，是国家从事电子信息技术领域标准化的基础性、公益性、综合性研究机构。电子标准院以电子信息技术标准化工作为核心，通过开展标准科研、检测、计量、认证、信息服务等业务，面向政府提供政策研究、行业管理和战略决策的专业支撑，面向社会提供标准化技术服务。中国信息物理系统发展论坛是在工业和信息化部的指导下，由中国电子技术标准化研究院联合电子一所、电子五所、赛迪研究院、中航工业信息技术中心、华为、石化盈科、北航、同济等单位联合发起成立。中国信息物理系统发展论坛致力于通过CPS技术和标准研制，进一步深化制造业与互联网融合发展，构建一个信息汇聚的交流和推广平台，聚集制造企业、软件企业、生产性服务业企业等产业链代表以及科研院所、专家教授等社会资源，共同研究CPS发展战略、技术和标准，开展试点示范，推广优秀的技术、产品和系统解决方案，推动CPS核心技术领域的重大突破。走向智能研究院是北京走向智能科技创新中心兴办的国内首个智能化综合创新类研究智库，研究院以深入研究广义智能系统、持续推进技术创新、奠基中国本土新工业革命思想为己任，前身为我国新工业革命与智能化创新理论专著《三体智能革命》编委会。本次CPS网络宣讲活动，在工信部信软司的大力支持下，由中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院主办，通过组建“CPS信息物理系统专家宣讲团”，在网络上集中开展宣讲活动。欢迎更多的企业、社群及网络朋友参与”CPS信息物理系统专家宣讲团“活动。免责声明:本公众号所载文章为本公众号原创或根据网络搜集编辑整理，文章版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权和其他问题，请与我们联系！ 文章内容为作者独立观点 ，并不代表兮易强企赞同或支持其观点。热文推荐：在公众号对话框中回复下述关键词，即可查看对应热点文章哦回复CPS，下载：《信息物理系统白皮书（2017）》回复 埃森哲，下载：《埃森哲全年报告资料》23份资料报告回复 趋势报告 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