信息物理系统与智能制造

同济大学中德学院樊留群教授在大会上做了《信息物理系统与智能制造》的主题演讲，下面是现场速记实录：

下面，将从信息物理系统的起源和发展、对CPS的理解、工业4.0与智能制造、智能制造与CPS技术四个方面进行分享。

德国工业4.0在03年提出了这个概念，04年出了白皮书。这个里面就是看到了我们物联网和服务互联网作为他的一个支撑，中间智能工场就是作为工业4.0的核心。那么，CPS，大家从下面这一张图可以看到。从CPS本身在提出的时候，他是通过在这个计算控制还有通讯三个技术的一个结合，我们左边这个，我们说一下这个CPS这个概念，就是对于技术一个推动来发展延伸出这个CPS的技术。那么，最左边这个市场需求，也是到我们制造业，还有技术发展的今天。这个制造业市场形势发展成为小批量，多品种的生产，传统的大批量这个制动化制造。已经不可以满足这个需求了。那么，这个方面因素共同作用，就是我们提出的这个叫做CPS技术。所以，这个里面CPS提出了以后，这些概念，很多的专家，还有包括相应的协会都是有自己的一个定义。或者对这个CPS的描述，我们知道现在这个对一个定义来下概念，这个是很难的。就像我们国家对于智能制造，很多工程院院士对于智能制造描述，都是从智能制造特征特点描述这个智能制造，本身CPS技术也是不断发展当中。所以，最主要的我们看到美国的国家的基金委员会，他开始提出来的CPS技术。那么，还有我们看到的，在04年，就是美国国家标准技术的研究所提出了相应的。他建立了一个组织机构对CPS相关标准进行一个研究。他们也是提出了一些看法。那么，我们国家最早对下面，我们科学院院士和院士，可能很多在做CPS的论文都是引用了何院士对于CPS的定义。那么，我们可以看到，主要就是讲什么呢？就是把刚刚列到的，我们讲的计算控制，还有通信技术，来融合在一起。那么，下面我们再继续看一下。

那么，我们再看一下几个国家在CPS研究上面的一些自助，还有一些发展。美国06年提出了CPS这个概念，也在14年也是成立了什么？就是国家标准技术研究院，也是成立了CPS工作组。刚刚那两张图就是这个工作组对于CPS功能一个定义。但是，我们可以看到，因为CPS他的这个着眼点可能从上层来描述信息物理系统，可能他更多的是一些概念的东西比较多。我们知道这几年可能美国有产业界提出的工业互联网。那么，这个工业互联网的发展这个声音好像逐渐地在强大了。那么，CPS这个概念就是在背后了。那么，工业互联网他也是在扩展。那么，以前讲工业互联网，是不是就是网络系统？他也是在向控制，就是和我们CPS这个目标。看一下两个图好像区别不大。工业互联网一个图片，那个后面也是讲一下那个区别。那么，德国呢？由于德国在面临到美国和我们中国的这个，就是德国最重要的是那个制造业。制造业，这几年的发展越来越受到了竞争的压力。他们提高工业4.0，就是国家自身一个利益。那么，希望通过这个CPS，或者智能制造的技术来提升这个制造的一个实力。在德国启动了所谓的工业4.0。欧盟呢？也是有相应的计划来支撑。那么，在15年7月，就是欧盟发布了欧洲的CPS的技术路线图，特别就是在德国的人工智能研究所，也是建立了第一个所谓的CPTS，是基于CPS系统试验的。这个是有很多家不同的德国企业组成的。那么，这个设备通过简单的互联，他把这个信息系统，包括动力，通过标准的接口迅速连接成一个生产线。那么，中间我们都是知道，我们现在要组成一个生产系统，很多的时候，我们需要有很多的配制工具，你这个设备，我和其他的设备连接，我们有很多的需要人工来进行配制。这个配制来协调不同的功能的一些交互。那么，工业4.0，就是要改善或者取消这一方面的工作，使机器之间可以自组织，自动地完成相互的配制工作。

那么，我们国家也是在15年提出了中国制造2025，特别是在互联网+这个报告下，特别提出来，也是CPU作为我们制造的一个核心技术。那么，来作为一个研究。这个智能制造已经出了一些标准的体系。特别是一些智能制造的示范试点单位，15年16年都开始实施了。现在有100多家。可能从明年开始，CPS相关的标准，或者是标准体系，或者是这一方面的国家的资助也是开始。据我所知，明年1月份也是出一个，就是CPS的一个白皮书，然后，就开始CPS方面一个标准化工作。那么，这一张图就是表达一下，我们讲这个CPS，我们网络，制造，德国人提到工业4.0。我们一般讲工业革命，社会革命，这个肯定都是颠覆性。我们工业革命1.0，2.0，3.0，都是有颠覆性技术的出现导致了我们社会的一个变革，工业4.0，好像这些技术是不是都是我们以前都是有的呢？互联网，还有信息系统计算机。那么，我们讲这些，当然这个工作可以从这个角度来看一下。就是CPS，一会儿也是提到，他强调是什么？就是信息和物理系统的融合。特别是可以在信息创造一个物理对象一个孪生体。我们在这个里面复制，还有就是创造了一个独立与我们物理对象的一个孪生体。当然，开始的时候，是依附与物理对象存在。在后面，他的发展就像我们这里提出来的。这个物理世界就是由元子构成的，元子本身很简单。通过他的排列组合造成了我们的这个世界的千变万化。当然，还有另外的一个，我们物理空间，可能还有空间还有时间，这些概念构成了我们的物理世界。现在信息技术的一个发展，我们都是知道信息也是有什么呢？就是计算机诞生的时候就是二进制也是0101组成的。跟元子有一点简单。现在存储技术，可以达到多少的元子，可以表达一个比特一个信息。那么，在我们这个信息世界里面，我们现在就开始了。这个标题讲一下，就是构建一个新的虚拟世界一个开始。数字虚体，这个里面的一个规则，就是虚拟空间，还有就是虚拟的一个世界，就是像物理世界一样的。这个基本上就是存在基本的物理定律，我们牛顿三大定律。比如说，我们现在还在研究的暗物质等等。那么，这些在我们的这个物质世界里面。现在新的通过这个融合计划，我们创造出一个新的世界。那么，这个信息世界，还有这个信息空间一个规则就是靠我们来定义的。根据发展需求，大家制订一些基本的规则。所以，这个里面形成三个世界。

第一个物理世界，第二个大脑里面形成的对这个世界观，还有就是计算机信息领域里面创造的。如果现在每一个前面讲到的，就是传感器，如果物理世界每一个变化，或者这个状态都是可以被我们感知，那这个虚拟世界就可以反映出我们这个物理世界的一个发展的一个变化。刚刚也是讲了，这个虚拟世界里面，可能这个空间、时间、还有我们物理世界都是不一样。所以，现在我们软件大家都是知道了，我们可以任意拷贝。那么，我们这个空间可以压缩，我们在做大场景的仿真的时候，我们可以以仿真这个企业运行一年，10年的工作，可以几秒以内可以仿真完。这些都是提供了一个新的手段。这个本身呢？从几个特点来看一下，当今出现很多新概念。这些概念可能很多都是有重叠，都是有重复，都是有交叉的一个地方。还有几位专家介绍的时候也是谈到了，物联网同样也是有这个特点。这个是我们看到的，就是通过这几方面的因素，我表达一下CPS系统一个发展。所有变化都是可以被感知，特别是在我们的CPS系统，我更强调什么？就是对于这个物理对象的一个作用，而不仅仅是感知。我们通过他的反馈，交互影响这个物理状态发生变化。所以，我们抽象出三个主要的一个特点。信息物理系统，就是和其他的一个特征一个区别，就是一个融合。就是一个物理对象的现场，就是可以通过感知，通过我们执行器来作用与我们这个物理对象。这个是谈到第一个融合，第二个就是所谓的一个数字孪生，这些也是逐渐地那个。CPS刚刚提出的时候，这个概念也是在明细。这个也是CPS主要的一个发展提出的一个新的技术。特别是在西门子，就是这些大公司，就是我们制造的领域。这个不仅仅是对于这个物理对象的一个被动一个亮相。那么，我们知道的，我们在这个制造的全生命周期里面，设计，制造，产品使用，还有回收。还有原来我们都是知道，仿真技术大家都是用过，有一些仿真。这个方面，也是不仅仅设计阶段，就是在执行阶段，就是物理对象，同样发生变化。就是作为我们这个物理对象的一个变化的一个背后一个优化的一个。就是我们通过那个可以做更大的一个高计算量的一个智能化，优化方面的这个算法。就是作用与物理对象上，这个使我们的控制分集了。我们可能就是做的什么呢？就是人一样的，有一些植物神经，大家碰到了温度特别高的物体，肯