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CPS:智能制造“炼金术”

2015-07-15 09:43
小伊琳
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  工业4.0作为德国的新工业战略,深刻地体现了在互联网革命浪潮催迫下,一个老牌制造强国对于如何加快智能转型并重振辉煌的新认识。

  德国工业4.0的战略指向,就是智能制造。

  如果把德国这一新工业战略视作重新铸就德国工业战车的“大熔炉”,那么,最具点石成金魔力的智能化技术就是CPS(赛博物理系统)。

  赛博物理系统理论是核心

  众所周知,德国具有雄厚的工业基础与全球领先的制造业,在机床、汽车等行业占据绝对的领先优势,另外在嵌入式计算机技术、工业软件等,均处于全球领导者的位置,这是德国实施其所谓第四次工业革命(并非全球共识)的技术基础。德国人希望通过将嵌入式计算机技术、工业软件、自动化设备等优势技术攥成拳头,形成以CPS为代表的工业4.0战略核心,引领全球制造业发展,并将带领德国重振辉煌。

  CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical System)的缩写,这是工业4.0的核心。目前,国内学界很多人将CPS翻译成信息物理系统,严格来说,这是不准确甚至是误导的。CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。

  目前,已有不少人提出,Cyber源于维纳的《控制论》“Cybernetics”。在钱学森的《工程控制论》英文版中,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。其实,根据我们的考证,维纳的思想还有源头。早在1834 年,著名的法国物理学家安培在对科学进行分类时(见《论科学的哲学》),就把管理国家的科学称为“控制论”Cybernetique,意即“国务管理(Civil Government)”或社会控制,这导致了后来的社会控制论。

  为了真切地了解CPS技术沿革史,本文两位作者还与美国工业4.0权威、辛辛那提大学教授李杰等中外名家开展面对面学术交流。据介绍,CPS技术起源于美国国防部高级研究项目局(DARPA)上世纪60年代的一个项目,甚至比INTERNET还要早,其发展一直与互联网技术相平行。在1991年的海湾战争中,号称空中机器人的现代军用无人飞行器(UAV)要实现对地精确制导攻击,需要大量的CPS技术作为支持,CPS开始规模化应用。其后,美国国家科学基金会(NSF)一直在主导着CPS研究。然而,将CPS的重要性上升到新一波工业革命核心的,却不是美国人,而是德国人。

  工业4.0北京研究会组织的多学科研究人员之所以围绕CPS的概念与技术来源作深入考察,就是为了探求这个最热门科学名词的本来面目。考察发现,Cyber原本是独立于信息科学之外的控制科学的范畴。随着新一代信息技术出现融合化趋势,将CPS视为一种广义的信息技术亦无不可。但必须指出,Cyber的外延与内涵远非信息二字所能指代。从学科看,CPS系统是一个包含无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等科学在内的系统工程。从功能看,Cyber使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。因此,承认Cyber技术与普通信息技术有别,对于推动其基础学科发展和产业创新实践都有重要的指导意义。当前,在两化深度融合、工业4.0、智能科技等领域一批非常活跃的知名专家学者,均建议在面向大众宣传CPS时不妨称之为信息物理系统,在专业领域内部,将其称为赛博物理系统则更为准确。我们也赞同此论。

  智能工厂与智能生产是两翼

  德国工业4.0之所以如此推崇CPS技术,既是技术发展的需要,也是为了基于自身优势打造新一代技术堡垒。CPS对德国工业4.0战略来说,具有攻防兼备的作用。事实上,美国、日本等制造强国,早在多年前就对CPS给予了关注,但只有德国才将CPS推到新工业革命的核心位置。为确保整个战略的主动,德国在自己优势领域设置了两个制高点,也即“工业4.0”的两大主题:一是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

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