文 | 本刊記者 姜紅德

CPS：決勝智能制造的“棋子”

文 | 本刊記者 姜紅德

有一個(gè)和工業(yè)4.0一起進(jìn)入中國(guó)制造企業(yè)視線的專用名詞，并在2015年炙手可熱，那就是CPS（信息物理系統(tǒng)）。也許你不懂CPS是什么意思，但是這并不重要，重要的是在工作、生活中已經(jīng)出現(xiàn)了它的影子。

2015年發(fā)布的《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》中，明確提到了智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、分享經(jīng)濟(jì)等重點(diǎn)方向。多位業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，作為2015年最為熱門(mén)工業(yè)4.0核心，CPS將會(huì)成為中國(guó)布局制造業(yè)的重要棋子，成為繼云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、寬帶基礎(chǔ)設(shè)施等之后的重要領(lǐng)域之一。

CPS為何成為眾矢之的

CPS的英文全名是：Cyber-Physical System，翻譯過(guò)來(lái)的意思是信息物理系統(tǒng)，或者賽博物理系統(tǒng)。前者主要面對(duì)大眾市場(chǎng)，后者主要在專業(yè)場(chǎng)合使用比較多。這一概念業(yè)內(nèi)公認(rèn)是由德國(guó)發(fā)起，卻是在2006年由美國(guó)最早提及，據(jù)說(shuō)Cyber來(lái)源于維納的《控制論》“Cybernetics”一詞，錢(qián)學(xué)森在《工業(yè)控制論》中將“Cybernetics”明確為“機(jī)械和電機(jī)系統(tǒng)的控制和導(dǎo)航科學(xué)”，并把伺服機(jī)構(gòu)和經(jīng)典控制等“工程實(shí)踐”升華為“工程科學(xué)”，這使得《工程控制論》在某種意義上成為了現(xiàn)代控制科學(xué)的代名詞。

國(guó)內(nèi)專業(yè)研究CPS的人并不多，在楊海成、寧振波等專家的帶動(dòng)下，業(yè)界對(duì)它有了一些初步的了解。由于是舶來(lái)語(yǔ)，翻譯之后對(duì)中國(guó)人來(lái)講，還是顯得有些高大上。如果用大白話來(lái)解釋一下，應(yīng)該是這樣的——“CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。”

目前德國(guó)、美國(guó)力推CPS的主要目的都和本國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大關(guān)系。自2013年德國(guó)推出工業(yè)4.0計(jì)劃以來(lái)，為了更加鞏固德國(guó)在工業(yè)自動(dòng)化軟件和智能化、數(shù)字化領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，CPS逐漸成為了德國(guó)工業(yè)4.0的理論核心。美國(guó)在提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略以后，主要的發(fā)起者GE、思科等大部分企業(yè)也在信息科技領(lǐng)域占有優(yōu)勢(shì)，為了利用這些優(yōu)勢(shì)提升美國(guó)工業(yè)制造業(yè)的智能化水平，CPS也就自然被納入了美國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)。

CPS是智能制造的核心，也是工業(yè)4.0的核心。目前無(wú)論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，都不是馬上就能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，需要一步一步地來(lái)完成。但是基于CPS的工業(yè)化應(yīng)用在制造業(yè)中越來(lái)越多?！肮I(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)將人、大數(shù)據(jù)、智能資產(chǎn)和設(shè)備連接起來(lái)，并結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)分析，提升生產(chǎn)力和效率。” GE智能平臺(tái)全球軟件業(yè)務(wù)技術(shù)戰(zhàn)略官Rich Carpenter對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義言簡(jiǎn)意賅。以GE的實(shí)時(shí)智能運(yùn)營(yíng)（RtOI）軟件為例，它可以讓制造商看到整個(gè)集團(tuán)在全球各地工廠的運(yùn)營(yíng)情況，從而主動(dòng)地檢測(cè)并預(yù)測(cè)可能危害產(chǎn)品質(zhì)量的因素如：工廠條件、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)以及流程違規(guī)等，并通過(guò)Proficy Mobile這樣的組件，讓業(yè)務(wù)和運(yùn)營(yíng)人員在合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)為其提供正確的信息，幫助他們快速?zèng)Q策，提升生產(chǎn)效率。

目前德國(guó)工業(yè)4.0在CPS上已經(jīng)開(kāi)始布局，西門(mén)子、SAP等工業(yè)軟件巨頭開(kāi)始將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)和工業(yè)制造結(jié)合在一起，形成自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。和德國(guó)、美國(guó)的工業(yè)化戰(zhàn)略一樣，中國(guó)的智能制造也是以CPS為重點(diǎn)，并在“中國(guó)制造2025”計(jì)劃中提出智能化工廠、智能化生產(chǎn)的目標(biāo)。國(guó)家主管部門(mén)負(fù)責(zé)人同時(shí)在多個(gè)場(chǎng)合提出，“中國(guó)制造2025”計(jì)劃基本上和工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如出一轍，有異曲同工之妙。

改變制造業(yè)的生產(chǎn)模式

GE的報(bào)告《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧和機(jī)器的界限》指出，各行業(yè)1%的效率提升將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如，在15年內(nèi)，航空業(yè)減少1%的燃料將節(jié)約超過(guò)300億美元，醫(yī)療行業(yè)效率提高1%，會(huì)幫助全球醫(yī)療行業(yè)節(jié)約630億美元。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，小小的1%的效率提升，將在各行業(yè)帶來(lái)“多米諾骨牌效應(yīng)”：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能耗降低1%，就意味著節(jié)約價(jià)值80億美元的燃料；在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，如果效率提高1%，則意味著節(jié)約20億美元的燃料成本；產(chǎn)業(yè)上游的石油和天然氣勘探開(kāi)發(fā)的資本利用率提高1%，就可避免或推遲70億美元的資本支出……

那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是如何實(shí)現(xiàn)這一變化的呢？豪無(wú)疑問(wèn)就是通過(guò)CPS系統(tǒng)的力量。就像上文提到的智能軟件的例子，它的背后是由大量的物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)軟件和智能設(shè)備為支撐，才能達(dá)到真正利用信息通信技術(shù)來(lái)改變制造業(yè)生產(chǎn)模式的目的。

如三一重工通過(guò)在設(shè)備上安裝2G、3G的通信模塊，與后臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，可以實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)。目前三一重工在全球有10萬(wàn)臺(tái)設(shè)備接入了后臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)中心，通過(guò)大數(shù)據(jù)處理進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警。三一重工實(shí)施系統(tǒng)以后企業(yè)利潤(rùn)大幅度提升，3年間的新增利潤(rùn)超過(guò)20億元，而且成本降低了60%。這種嵌入了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)一旦和生產(chǎn)車間的MES系統(tǒng)等結(jié)合在一起，再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的處理，可以為生產(chǎn)環(huán)節(jié)注入新的創(chuàng)新因素，帶來(lái)的改變也是始料不及的。

未來(lái)產(chǎn)品例如機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶等都應(yīng)該會(huì)有實(shí)體與虛擬的價(jià)值結(jié)合，虛擬世界中的代表實(shí)體狀態(tài)和相互關(guān)系的模型和運(yùn)算結(jié)果能夠更加精確地指導(dǎo)實(shí)體的行動(dòng)，使實(shí)體的活動(dòng)相互協(xié)同和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)價(jià)值更加高效、準(zhǔn)確、和優(yōu)化的傳達(dá)。以CPS在船舶上的應(yīng)用為例，當(dāng)海洋的環(huán)境改變時(shí)，我們可以在Cyber端分析洋流變化對(duì)船舶能耗的影響，再動(dòng)態(tài)優(yōu)化出當(dāng)前最佳的轉(zhuǎn)速航和航行姿態(tài)，使船舶時(shí)刻保持最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)航行。

基于CPS技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)備具備了自省性、自我預(yù)測(cè)、自我比較、和自我配置的能力。美國(guó)工業(yè)4.0專家、辛辛那提大學(xué)教授李杰認(rèn)為，和傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)模式相比，未來(lái)的制造業(yè)生產(chǎn)必然在之前的材料、機(jī)器、方法、測(cè)量、維護(hù)的基礎(chǔ)上具備監(jiān)測(cè)、預(yù)防、優(yōu)化和防范的特點(diǎn)，也就是有了第6個(gè)M，從而打通了信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的阻礙，形成虛實(shí)世界的融合。

對(duì)中國(guó)智能制造的影響

2015年5月，“中國(guó)制造2025”計(jì)劃方案提交，7月份國(guó)務(wù)院就發(fā)布了這一計(jì)劃，為未來(lái)數(shù)十年間的工業(yè)發(fā)展指明了方向。在這之前，德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本等主要國(guó)家也紛紛推出了制造業(yè)強(qiáng)國(guó)計(jì)劃，在這場(chǎng)事關(guān)工業(yè)經(jīng)濟(jì)大局的戰(zhàn)略爭(zhēng)奪中，我們與工業(yè)強(qiáng)國(guó)站在了同一起跑線上。

在這場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)中，各國(guó)又有優(yōu)劣。中國(guó)作為世界上第二大互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)國(guó)，同時(shí)擁有最完備的工業(yè)化體系，卻因?yàn)楣I(yè)化水平的落后飽受外界非議。而CPS的出現(xiàn)和發(fā)展，給了中國(guó)制造業(yè)一個(gè)發(fā)展和超越的機(jī)會(huì)。“在CPS領(lǐng)域，我們的重視程度已經(jīng)提升到國(guó)家戰(zhàn)略，也得到越來(lái)越多企業(yè)的重視。可以說(shuō)在意識(shí)、行動(dòng)、技術(shù)等方面，我們與其它國(guó)家的差距不很大，我們完全有信心，通過(guò)積極努力，在這場(chǎng)革命中取得主動(dòng)。”國(guó)內(nèi)工業(yè)4.0專家、蘭光創(chuàng)新總經(jīng)理朱鐸先接受采訪時(shí)表示。

據(jù)了解，此前國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件企業(yè)主要以代理歐洲的產(chǎn)品為主，這也是由目前歐美工業(yè)軟件一枝獨(dú)秀的格局造成的，但是這些年來(lái)國(guó)產(chǎn)軟件企業(yè)的現(xiàn)狀正在發(fā)生改變。

“學(xué)習(xí)、借鑒他們的先進(jìn)理念，引進(jìn)、應(yīng)用適合自己的先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，是提升自身競(jìng)爭(zhēng)力的一條捷徑。但中國(guó)企業(yè)一定要結(jié)合自身實(shí)際情況，制訂切實(shí)可行的解決方案。”朱鐸先說(shuō)。蘭光創(chuàng)新過(guò)去主要代理德國(guó)工業(yè)軟件，如今自創(chuàng)的產(chǎn)品已經(jīng)占到公司的經(jīng)營(yíng)規(guī)模的80%以上。