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CPS专家宣讲团 | 宁振波:CPS是智能制造核心技术,更是智能化思想精华

CPS专家宣讲团 | 宁振波:CPS是智能制造核心技术,更是智能化思想精华

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。

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

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。

声  明

CPS专家宣讲团网络宣讲活动,在工信部信软司大力支持下,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,集中开展CPS网络宣讲。转自走向智能研究院。

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王静
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