三极片网站

全國免費熱線:+86-0757-81162186
熱門搜索:輸送線、桁架機器人
行業動態

CPS來了,工業和能源人的互聯網時代生存指南

2016-03-24 08:49:50

      

CPS,全稱信息物理系統( Cyber Physical Systems),是信息系統和物理系統的統一體,可以被看作升級版的物聯網。

 

【CPS與物聯網有什么不同?】它更強調數字世界對于物理世界的控制,CPS可以通過互聯網,以可靠并且安全的方式,實時和自治的操控一個物理實體和系統。CPS將使得數字世界不再僅僅是物理世界的虛擬映象,而將真正進化為人類社會的新疆界。

 

【CPS將為能源和工業領域帶來革命】對目前世界來說,互聯網革命喊得雖響,但歸根到底,互聯網其實還僅僅被當作一項工具,被廣泛利用于營銷和管理,而CPS將使互聯網同世界融合,未來人類社會就是一個MEGA CPS(超級CPS),互聯網思維將不再僅僅是營銷口號,而將成為我們看待世界的第一視角。未來CPS掀起的生產力革命將主要爆發在兩個基礎領域:能源和工業。CPS的人,機,物融合能力,能夠賦予人類在能源和工業領域能夠實現無所不在的信息監視和精確控制,真正實現人類對復雜系統的全面管理,而能源互聯網和工業4.0其實就是能源和工業同CPS深度融合的另一種表述。

 

【CPS時代的主題之一:融合】能源和工業內部價值鏈的互聯融合,能源和工業兩者互相的互聯融合,能源和工業同終端消費者的互聯融合,由此將衍生出與目前截然不同的商業模式,傳統的發電企業,輸電企業,制造企業將向數據企業轉型,并且繼續向系統解決方案型企業和平臺型企業演化,跨領域的整合也將頻繁出現。

 

【無所不能 文|曹寅】未來 30年,中國、印度和其他發展中國家的數十億人將步入中產階級,這些朝氣蓬勃的新生代和西方年輕人沒有什么區別,同樣需要高樓大廈,需要購物中心,需要蘋果手機,需要汽車、牛排、空調、寵物、音樂會、海外旅行等等中產階級物質和精神需求。

不過地球養活今天的20億中產階級已經承受了巨大壓力,還怎么再承擔新增的幾十億中產階級消費需求? 是不是真的像奧巴馬曾經宣稱的“地球資源無法接受中國人像美國人一樣生活”?難道除了戰爭和計劃生育之外,人類真的無法解決人口增長和資源有限之間的矛盾?這種馬爾薩斯主義的論調看似正確,不過卻是站在靜止的角度去預測未來,忽略了一個重要維度:技術。

 

資源的短缺迫使人類采用新的技術,歷史上每一次重大技術突破都成功使生產力躍上一個新臺階,賦予更多人口有質量的生活,這些突破包括化肥,電力,抗生素,流水線等,而這次將是信息物理系統(cyber physical systems,簡稱CPS)把人類從馬爾薩斯陷阱拯救出來。

 

CPS:人、機、物融合全靠它

 

CPS是一個新的概念,2005年才由美國科學院提出,2008年之后,美國才將CPS作為國家戰略性發展方向予以重視。CPS是一個結合計算領域以及傳感器(Sensor)和致動器(Actuator)裝置的整合控制系統。包含了無處不在的環境感知、嵌入式系統、網絡通信和網絡控制等系統工程,使我們身邊的各種物體具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自組織功能,使計算能力與物理系統緊密結合與協調,在傳感器的幫助下,CPS接受并處理來自物理世界的大量數據,并將這些用于基于網絡的各種應用和服務中,最終會這些服務和應用會通過致動器反饋并影響實體世界。

 

目前已有某些領域出現似于CPS的電子控制綜合性系統,但目前這些系統通常都是嵌入式系統(Embedded System),嵌入式系統比較強調機器的計算能力,CPS則更為強調各個實體裝置和電腦運算網絡的融合,CPS是借用技術手段實現人的能力在時間、空間等方面的延伸,CPS的本質就是人、機、物的融合。簡而言之,現在我們身邊常見的物體都是沒有感覺,沒有靈魂,不會思考,不會合作的死物,但CPS使我們的物理系統成為了活物,不僅賦予了物體以感覺,還賦予了其思考能力和協作能力,物理世界和數字世界將合二為一,其意義甚至超過了哥倫布發現新大陸,將從空間上和時間上深刻的改變人類社會,從空間角度來說,CPS使得數字世界將不再僅僅是現實物理世界的映象,而將成為人類的新生存空間,這個空間遠遠超越了現實物理世界,超越了物理距離,沒有邊界,一切物體都以光速聯系彼此;從時間上來說,CPS使得現實物理世界的發展速度向數字世界靠近,人類社會的發展速度將呈指數級別增長,未來歷史學家回眸過去時將不再使用公元前和公元后來斷代,而將使用前CPS時代和后CPS時代來研究人類的歷史。

 

↓↓↓摩爾定律↓↓↓


CPS作為一種使能技術,將使眾多創新應用成為現實,孕育了無數商業模式。CPS給人類社會帶來的深刻變化和挑戰應該同其他重要的新技術放在一起檢視,比如CPS和人工智能,CPS和大數據,CPS和云計算,CPS和3D打印,CPS和可再生能源,CPS和電動汽車。但CPS給世界帶來最重要的貢獻卻鮮有人意識到,即摩爾定律將適用于實體世界。摩爾定律由英特爾創始人之一戈登?摩爾在50年前提出,摩爾提出,當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的計算機性能,將每隔18個月翻兩倍以上。現在,人類早已經從晶體管時代進入了芯片時代,目前正在往下一代計算技術時代邁進,但長期以來,摩爾定律只適用于信息技術,也就是所謂的數字世界,而CPS則將會把物理世界也帶入摩爾時代。

 

CPS如何實現無所不在的信息監視和精確控制?

 

CPS之所以能夠實現,有賴于半個多世紀以來人類ICT(Information Communication Technology,信息通信技術)技術的不斷積累,但最重要還是近三十年以來兩項技術的爆炸式發展。首先是互聯網,比如因特網以及基于因特網的萬維網,顯而易見,這是CPS能夠實現的基石。其次則是軟件密集型嵌入式系統(software-intensiveembedded systems,簡稱SIES),SIES在現今幾乎所有的高科技產品和系統中都能發現,比如數控機床、高級轎車、飛機、智能建筑、智能風機等,SIES對于CPS的重要性常常被低估,但其卻是CPS能夠落地的真正關鍵。CPS的核心理念即數字世界同物理世界的深度融合,但數字世界的更新速度遠遠快于物理世界,純物理世界難以跟上數字世界的發展,因此CPS的實現需要能夠將物理世界同數字世界合二為一的粘合劑,這種粘合劑就是SIES,而粘合方式就是“以軟代硬”。


軟件的功能可以無限量地添加和升級,而硬件通常要花費很多費用和時間來保養和升級,因此大規模的“以軟代硬”其實就是以數字世界融化物理世界的過程,這種趨勢在Tesla電動車和智能手機上已經得到體現。在SIES中,軟件重要性遠遠超過硬件,因此SIES更加敏捷和靈活,可以按照客戶的特定需求和要求進行定制。在開發或使用的任何階段,都可以通過更新軟件來快速更新功能。此外,SIES的開發成本雖然可能相對于普通嵌入式系統有所增加,但產品生命周期成本卻可以大幅降低。在普通的硬件主導型系統中,硬件設計必須在產品開發過程的早期就確定下來,但軟件驅動的系統卻可以將靈活性保持到在用戶使用中。因此,隨著代碼數量保持成倍增加,我們每天使用的設備將變得越來越智能化。未來,在工業企業中,軟件工程師將比機械工程師更多,未來,軟件將定義世界。

 

這種由CPS所帶來的虛擬物理大融合將使人類的生活和生產更安全,更高效,更健康,更清潔,幫助人類社會解決很多目前物理系統無法解決的難題,比如人口老化帶來的養老問題,資源稀缺造成的物價上漲,交通擁堵帶來的效率損失,自然災害帶來的生產力損失,可再生能源不穩定造成的電價上漲等。一些早期的類CPS應用早已經進入我們的日常生活,并被我們天天使用。典型案例就是車載導航軟件,GPS系統為地球表面每一塊土地都提供了一個全新的、瞬時可知的虛擬映象,車輛既是行駛在物理世界的道路上,也穿行在數字世界中,在移動通信數據的幫助下,現在的導航軟件還能根據即時路況規劃最佳行駛路線。其他的常見類CPS應用還包括軌道交通控制系統,風電站遠程控制系統等。但CPS對人類世界最震撼的改造還并未降臨,CPS掀起的生產力革命將主要爆發在兩個基礎領域:能源和工業,CPS的人,機,物融合能力,使的人類在能源和工業領域能夠實現無所不在的信息監視和精確控制,真正實現人類對復雜系統的全面管理。

 

能源革命?沒了CPS才玩不轉呢

 

在能源領域中,如果我們能夠站在全球角度來看,人類的能源系統正處于巨變中。我們的電力供應模式正從可以隨時發電的常規大型集中式電源(核電,火電,大型水電)向不穩定,非集中,低能量密度的可再生能源系統轉變。由成熟應用向不成熟應用的變化難以避免會帶來陣痛,風能和太陽能不像火電核電一樣招之即來,揮之即去,可再生能源是一種氣候能源,瞬息即變的天氣隨時都在影響風能和太陽能的輸出。此外,電力消費因時間不同,季節和習慣不同而變化復雜,為了滿足這些時刻處于變化中的電力需求,電力供應量總是不得不超過電力需求量。除此以外,在你看不見的地方,還有很多發電機組正處于隨時待命狀態,以滿足突然出現的額外電力需求,這造成了巨大資源和效率浪費。由于以上原因,電力系統的調節空間正在從發電和用電兩端被前所未有的壓縮,這也對電力系統的調度和控制技術提出了更高的要求。在新的背景下,傳統技術和結構已經顯得力不從心,只有基于CPS的能源互聯網才能滿足新型電力系統的要求。

 

↓↓↓智能電網↓↓↓


 

目前被動的、弱信息化的、單向傳輸的、靜態的、封閉式的電網,將進化為市場導向的、服務化的、分布式和集中式相結合的、動態的,開放式系統。未來基于CPS的能源互聯網可以持續不斷監控每一戶家庭,每一輛電動車,每一個工廠,甚至每一臺用電器的電力消費數據和使用習慣,通過大數據分析來預測即期,短期,中期以及長期的電力消費。而在發電端和輸電端,基于CPS的能源互聯網,則可以通過微網技術,儲能技術和遠程輸電技術,大幅提升可再生能源的使用比例和使用效率,大幅降低因為不必要的冗余而造成的巨額浪費。

 

其實ICT技術在能源系統里面早已被廣泛應用,舉例來說,現在火電站已經能夠做到遠程控制,輸電網的運行情況在調度中心中能夠一目了然,配電網自動化也正在逐漸普及,帶有通信功能的智能變電站也正在日益推廣;光伏電站和風電站也能做到遠程智能控制,全球過億家庭已經安裝了智能電表,帶有通信功能的智能電器和智能汽車也越來越多;不僅電力,就連油氣開采和油氣管輸也在日益自動化和智能化,通信和控制已經成為能源電力系統的標準功能配置,但是目前這些系統還是一個個信息孤島,在孤島內,基于不同系統的CPS已經出現,但目前還缺乏一個能將消費者,生產者,經銷者,管理者和調度者,以及各種設備和服務都連接起來的網絡,這個網絡就是基于CPS的能源互聯網。

 

CPS能讓所有地方具備和德國一樣的工業升級的能力

 

同能源領域一樣,如今的工業也正處于大變革的前夜。上世紀90年代以來的新型經濟體迅速工業化后,產生了基于比較優勢的全球大分工和大競爭,同時,在互聯網時代大背景下,消費者和消費觀念也在劇變。當供應端和消費端同時發生劇變時,工業企業的核心競爭力也被徹頭徹尾的顛覆了,核心競爭力從產品質量控制,轉移到了客戶價值創造。這種變化對企業能力提出了前所未有的要求。為客戶創造價值意味著企業需要能夠生產夠復雜更先進的產品和系統,隨著機械技術和信息技術的深入融合,人類所生產的各種產品和系統的復雜性也呈指數級別增長,比較典型的例子就是高鐵,高鐵是車輛,軌道系統,信號及調度系統,電力供應系統等眾多系統的結合,每一個子系統都涉及非常復雜并且專業的技術。但根據系統工程學觀點,系統的復雜性遠大于子系統和子系統元件復雜性的線性加總。從單個產品,到系統,再到基于系統的服務,對企業的能力要求成指數級別增長。

 

復雜的系統也意味著更復雜的供應鏈和價值鏈,以及更多的參與者。過去,受經濟學分工理論的影響,企業傾向于將工作任務進行精細劃分,然后再逐層外包,以達到專業化分工目的,但分工在提升生產效率同時,卻造成信息流通效率降低,如果沒有先進信息技術,復雜系統內的企業協作將變的根本無法進行。更何況,在全球化和互聯網化背景下,企業分工價值鏈早已蔓延過了地區,甚至跨越了時區。硅谷團隊負責研發,紐約團隊負責品牌管理,,巴黎事務所設計,韓國和日本企業提供零部件,深圳工廠組裝,再由迪拜分銷商送往世界各地,這種全球大分工在很多行業已經十分普遍。但是,截至目前只有部分巨型企業,比如波音,空客,西門子,通用電氣,東芝,蘋果等工業巨頭才具備對復雜價值鏈的管理能力,在未來,CPS所掀起的新工業革命將幾乎將使任何組織都具備這種能力,德國人將這種革命成為工業4.0,而美國人將這種革命成為工業互聯網。

 

↓↓↓工業1.0到工業4.0↓↓↓


目前CPS在工業,尤其是制造業領域中已經得到一定應用,基于CPS的智慧制造可以根據市場需求即時改變產品設計和供應鏈,利用PLM(Product lifetime Management)平臺,甚至可以實現跨公司的超柔性合作。這就使得基于客戶要求和特征的快速定制化生產成為可能,并且徹底改變現在上下游企業之間的合作方式。自組織、自優化、自適應的全球價值鏈和供應鏈大協作將在世界范圍內迅速改變目前制造業競爭局面,傳統制造業企業就像是單細胞生物,而基于CPS的智慧制造將重塑制造業企業之間的合作方式,使同一價值鏈內的眾多企業從單細胞生物融合為多細胞生物,實現整條價值鏈的共同進化。

 

中國2025計劃:看上去很美

 

工業的CPS化將給世界工業競爭帶來巨大影響,因此德國打出了工業4.0概念,美國拉開了工業互聯網大旗,中國制造業也不甘落后,提出了“中國制造業2025”計劃。然而,對于中國企業來說,工業CPS化任重而道遠,因為這需要重塑包括流程和工藝,機械和設備,物流和供應鏈管理,自動化和信息化在內的所有能力領域,面臨的挑戰數不勝數,比如,基于虛擬生產而重新設計的工藝和流程、能夠容錯的強健制造流程、性能穩定并且可預測的生產設備、開放并且標準模塊化的過程仿真和工藝模型、人工智能的安全應用、工業大數據的存儲和分析應用,當然,信息安全也將無比重要。與此同時,工業人才的知識體系和觀念需要徹底重塑,傳統工業的集中式和層級化組織結構和管理理念已經不再適用于基于CPS的智慧工業。

 

CPS在改造能源和工業的同時,CPS本身也在不停進化。下一階段,CPS將實現自組織能力,未來CPS能夠在沒有外部指令和干涉的情況下,使系統的物理和信息部分按照某種規則,相互默契,各盡其責,同時又協調自動地形成有序結構,實現有序有效并且有意義的系統自動控制和執行。CPS自組織能力在具體工業和能源領域的應用功能實現將十分有意思,舉個例子,在工業領域,工廠的生產線可以根據工作負荷自動的調整維修周期,甚至自動調整上游物料供給速度,自動安排并切換備用生產線,使得工廠在產線維修期間的產出不受影響。在能源領域,自組織能力的實現可以解決可再生能源發展的最大瓶頸,即風光的不穩定性,通過氣象大數據的分析預測和現場氣象傳感器的即時數據,用電器和儲能系統能夠提前預知可再生能源系統的發電輸出波動,在不影響生產生活的情況下,自動調整工作狀態,使得原來必須依賴于電網才能實現穩定工作的可再生能源系統實現真正的獨立運行。


CPS對我們現在的社會和商業結構具有高度顛覆性影響,可以從根本上改變現有的諸多商業模式,顛覆企業及組織之間的競爭方式。能夠提供基于CPS的服務的新型企業正在不知不覺的滲透和吞噬傳統企業的市場,當然CPS本身也在前所未有的拓展人類的社會和商業邊界,創造新的商業價值處女地。CPS也將對我們現在的研發領域帶來新的挑戰。如何建立,運行,監控和維護CPS及其應用?數據和信息如何在不同的通訊方式和系統中傳輸?如何進行跨系統的控制?以及如何不被有惡意的人遠程侵入和控制?如何存儲和利用CPS帶來的海量數據?等等,這些都是切實擺在企業和研究者面前的問題,這需要機械,電氣,電子,計算機與軟件,系統科學等諸多學科跨界研究,也需要不同企業之間共同協作。未來的商業社會將是一個沒有邊界的世界,傳統的電力企業,制造企業,建筑企業,服務企業甚至農業,都會和互聯網深度融合,未來的世界就是一個MEGA CPS(超級CPS),這不是科幻小說,而是每個人都將面對的明天


技術支持