也谈对工业4.0中CPS的理解
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    这两天在波士顿参加西门子的全球媒体与分析师会议,多次有发言嘉宾谈到Industry4.0,也看到一些有关的演示。我又到维基百科上查了一下关于CPS的英文解释,感觉自己的理解比以前清晰了一些,在这里分享一下观点,敬请批评指正。

西门子对CPS的解读


    第一次工业革命的核心是机械化;第二次工业革命的核心是电气化;第三次工业革命的核心是电子和IT技术在工业中的应用;而第四次工业革命的核心是Cyber-Physical Systems,也就是CPS,目标是建立智能的数字化工厂(Digital enterprise)。

    那么,CPS究竟是什么内涵呢? 我想只有真正理解了内涵,才能找出准确的翻译,否则越说越糊涂。

维基百科的英文解释是:

    A cyber-physical system (CPS) is a system of collaborating computational elements controlling physical entities. Today, a precursor generation of cyber-physical systems can be found in areas as diverse as aerospace, automotive, chemical processes, civil infrastructure, energy, healthcare, manufacturing, transportation, entertainment, and consumer appliances. This generation is often referred to as embedded systems. In embedded systems the emphasis tends to be more on the computational elements, and less on an intense link between the computational and physical elements.

    其含义是:CPS是一个协同计算元件控制物理实体的系统。今天,CPS的前身广泛分布与航天、汽车、化工、土建、能源、医疗、机械制造、交通、娱乐和消费品(家电)行业。CPS的前身常常被称作嵌入式系统。嵌入式系统更强调计算元件,而不不太强调计算元件和物理元件的连接。

  刚才与CYON Research的CEO Bradley Holtz先生聊天,他也给出了对CPS的理解:"Think of CPS as a system that consists of something physical, and a computer, acting together as a transister, where the computer is the control signal of transister to modify the output of the physical system". 也就是说,CPS是一个系统包括一些物理执行的部分,计算机与物理执行的部分一起发挥信息传输的作用,计算机是一个信息处理和转换器,改变物理系统的输出。

    实际上,就像人的大脑是思维和计算的核心,而四肢是运动执行的机构一样,CPS强调的是不仅要通过内置的芯片完成计算,而且要能够通过执行器件产生实际的运动。这样,就可以理解,CPS与人工智能、机器人、智能制造、数控机床有很大的相关性。反过来说,一个程控交换机,虽然内置芯片,但只是产生信息的传输,而没有导致物理的运动,就不能成为一个CPS系统。

    在这次会议上,看到两个与工业机器人有关的案例。第一个案例是在工业机器人上安装了机器视觉识别的传感器,可以自动识别工件的形状,然后准确抓取;另一个案例是工业机器人不再是孤独地自己工作,而是可以与工人协同工作,能够自动避让障碍物,例如工人的手臂。

    西门子无疑是德国工业4.0国策背后最大的推手。事实上,从西门子2007年并购UGS,就体现西门子致力于实现信息系统与自动化控制系统集成,数字化制造与实际的制造执行融合的策略。西门子工业软件和西门子运动控制事业部有诸多合作,其中一个典型的案例,就是可以实现直接通过控制器驱动在西门子数字化制造系统中仿真的虚拟机床、虚拟生产线、虚拟的机器人来进行仿真,称为虚拟试车(Virtual Commisioning)。

    再继续看维基百科的解释:

    Unlike more traditional embedded systems, a full-fledged CPS is typically designed as a network of interacting elements with physical input and output instead of as standalone devices.[1] The notion is closely tied to concepts of robotics and sensor networks. Ongoing advances in science and engineering will improve the link between computational and physical elements, dramatically increasing the adaptability, autonomy, efficiency, functionality, reliability, safety, and usability of cyber-physical systems.

   这段话的意思是:与传统的嵌入式系统不同,一个完整意义上的CPS通常被设计成为能够实现多个控制元件之间进行交互、有实际的物理量输入输出的网络,而不是独立的机构。其概念紧密地与机器人和传感网络相关。科技前沿的发展会进一步增强计算元件与物理元件的互联,显著增强CPS的可适应性、自主性、效率、功能、可靠性、安全性和易用性。

   维基百科的释义中,还提到了移动的CPS,指出CPS的应用可以与WIFI、蓝牙、3G、GIS、GPS等技术结合起来,并支持通过触摸屏、数码相机、GPS芯片、光传感器、距离传感器等进行交互,还支持J**A、.NET等编程语言。另外,维基百科还提到一个实际的CPS案例,是美国麻省理工学院建立的分布式机器人番茄花园。通过传感器、无线网络、控制期间,分布式控制的机器人来监控花园里番茄的成长。我想应该可以实现自动浇水,番茄成熟了自动采摘。如此看来,CPS与物联网也有很大的关联。

   因此,CPS的内涵实际上是自动控制技术(数据采集、伺服驱动)、嵌入式软件技术、机器人技术、无线通信技术、物联网技术融合的系统,其愿景是实现智能制造和智能工厂。

   理解了CPS真正的内涵,再来看如何翻译。我觉得这个词可以意会,但却很难言传。硬要翻译为汉语,建议按意思翻译,不要按字面翻译。我觉得实际上可以叫:信息化-自动化-智能化集成系统。我感觉这是最容易理解的翻译了。如果稍微简化一下,我认为信息物联系统较为贴切。就像西门子给出的解释,实体的制造设备加上完成的数字化模型,包含了所有与产品相关的信息。

   再次强调,请各位专家批评指正。

   相关链接:智能制造 http://baike.baidu.com/view/262577.htm?fr=aladdin
             CPS 维基百科释义:http://en.wikipedia.org/wiki/Cyber-physical_system





发表于: 2014-09-05 12:23 阅读(15511) 评论(10) 收藏 好文推荐
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
不知与我们谈的两化深度融合由什么区别?
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-05 14:18 | bikingfree | 2楼
楼上的,有了工业4.0的革命才推进两化深度融合撒,相辅相成[哈哈]
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-05 14:50 | 学无涯 | 3楼
这篇文章看了有收获。感觉信息化和自动化是有交互的,主要是信息化这个词汇有点抽象,范围太广了。
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-05 15:03 | gulugulu | 4楼
我对信息化的理解就是-智能 工业4.0 本身就是智能生产加智能制造的结合!
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-06 00:58 | 黄培 | 5楼
我想到一个可能更好的翻译: CPS:智能互联的自动化系统
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-06 12:56 | 朱铎先 | 6楼
黄总的文章对我们理解CPS很有帮助。个人理解,CPS就是德国版的"两化深度融合",即智能化的设备与智能化的计算机信息系统深度融合,实现生产过程的自动化、柔性化丶智能化。上月与辛辛那提大学李杰教授请教时,李教授认为,CPS翻译成信息物理系统是不恰当的,第二个单词是"物理的",而不是"物理",是指所有数字化的设备或设施,是硬件类的统称。CPS是信息技术"虚"与"各类硬件"实"的结合。个人理解,仅供参考。
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-06 13:13 | 黄培 | 7楼
同意朱总的观点。如果翻译为赛博物理系统,那等于没翻译,看英文还可以意会,看这个翻译就直接云里雾里了。
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2014-09-06 17:12 | 朱铎先 | 8楼
谢谢黄总的认同。个人认为,CPS起源于美国(2006年2月发布的《美国竞争力计划》),火爆于德国,雏形产生于日本,最大受益者应为中国。 简述一下:CPS中第一个单词是CYBER,源于希腊语,后被美国人借用后,就代表与Internet相关或电脑相关的事物,即采用电子或计算机进行的控制。作为IT强国,美国一直强调的是“软实力”,擅长的是信息化,在设备(数控设备、嵌入式设备等)方面,并不擅长,所以,美国虽然率先提出CPS概念,但随后的几年里,CPS不温不火;德国为了“确保制造业的未来”,提出了工业4.0的概念,核心就是CPS系统,并成为了火爆全球的概念,这主要得益于德国雄厚的工业基础,特别是数控设备为代表的机械,以及发展迅速的德国信息技术; 而日本MAZAK在多年前就推出了CPC系统, 其CPC是 Cyber Production Center的简称,中文是智能生产中心,这是一套工厂内实现网络化管理的软件,通过将机器、加工程序、夹具以及生产日程安排等所有的数据都进行共享,从而实现对工厂的实施管理,帮助用户工厂实现智能化,该软件由四个系统构成,它们分别是:加工程序自动编制系统(CAMWARE)、智能化日程管理(Cyber Scheduler)、智能刀具管理(Cyber Tool Manager)和智能监控系统(Cyber Monitor)。这套系统推出后,很多参观者叹为观止,评价很高。但由于这套系统开放性较差,不兼容其他控制系统,所以在市场上并没有引起大规模应用,但其理念却是非常领先的。甚至本人一直怀疑,美国人提出CPS,没有用Information, computer( 如CAD/CAM/CAE)等字样,而用了CYBER这个外来语,很有可能就是借鉴了日本CPC的概念。马扎克CPC的确实现了软件与生成设备的深度集成,很一种很典型的信息物理系统。 作为制造大国的中国,企业正面临着严峻的经济转型,正处于由制造大国向制造强国的迈进阶段,同样也为“确保制造业的未来”,国家提出了“两化深度融合”国家级战略,是非常及时、非常正确的,与美国工业互联网,德国工业4.0异曲同工,可以有效地帮助企业实现升级转型。中国的工业、信息技术发展迅速,工业基数大,中国人学习能力超强,这次抓住机会,并与美国、德国等世界级领头羊几乎是同一时间提出了类似的国家战略,方向正确、目标清晰,本人相信,以CPS为核心的工业4.0对中国的促进将是最大的,因为别的国家是从优秀到卓越,难度很大,效果不会太显著,中国企业很可能就是由“及格”到优秀,甚至是卓越,效果应该是最显著的。 CPS在国内一些实际应用方面,一些公司也做很多有益的探索与应用。北京兰光创新科技有限公司作为国内领先的数字化车间供应商,率先在青岛海尔模具实施CPS系统并取得了良好的应用效果。系统实现了生产设备的设备联网、网络通讯、远程实时监控、生产过程的协同生产准备、可视化展示、决策支持等功能。现在,车间成功地实现了少人化,1个操作工可以照看5台设备,设备利用率平均在75%以上,这是离散行业,全国最高的效率(根据兰光创新数百家实施客户的经验,国内离散行业机床利用率大多在30-40%之间)。工业4.0权威、美国辛辛那提大学李杰教授在参观现场后,给予高度评价,认为海尔模具的生产管理完全可以媲美于国外先进企业,是CPS系统很好的实践。 CPS作为一个新兴概念,行业不同,理解也不同。以上是本人有关于CPS概念的一些理解,不一定完全正确,请黄总及各位专家斧正。
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
<div style="background:#F3F3F3;border:1px solid #ccc;width:95%;margin-left:6px;margin-bottom:5px;padding:5px;font-size:12px;color:#000"><div class="tL">以下是引用朱铎先在2014-09-06 17:12的发言:</div><div class="tL" style="padding-top:10px;">谢谢黄总的认同。个人认为,CPS起源于美国(2006年2月发布的《美国竞争力计划》),火爆于德国,雏形产生于日本,最大受益者应为中国。<br/>简述一下:CPS中第一个单词是CYBER,源于希腊语,后被美国人借用后,就代表与Internet相关或电脑相关的事物,即采用电子或计算机进行的控制。作为IT强国,美国一直强调的是“软实力”,擅长的是信息化,在设备(数控设备、嵌入式设备等)方面,并不擅长,所以,美国虽然率先提出CPS概念,但随后的几年里,CPS不温不火;德国为了“确保制造业的未来”,提出了工业4.0的概念,核心就是CPS系统,并成为了火爆全球的概念,这主要得益于德国雄厚的工业基础,特别是数控设备为代表的机械,以及发展迅速的德国信息技术;<br/>而日本MAZAK在多年前就推出了CPC系统, 其CPC是 Cyber Production Center的简称,中文是智能生产中心,这是一套工厂内实现网络化管理的软件,通过将机器、加工程序、夹具以及生产日程安排等所有的数据都进行共享,从而实现对工厂的实施管理,帮助用户工厂实现智能化,该软件由四个系统构成,它们分别是:加工程序自动编制系统(CAMWARE)、智能化日程管理(Cyber Scheduler)、智能刀具管理(Cyber Tool Manager)和智能监控系统(Cyber Monitor)。这套系统推出后,很多参观者叹为观止,评价很高。但由于这套系统开放性较差,不兼容其他控制系统,所以在市场上并没有引起大规模应用,但其理念却是非常领先的。甚至本人一直怀疑,美国人提出CPS,没有用Information, computer( 如CAD/CAM/CAE)等字样,而用了CYBER这个外来语,很有可能就是借鉴了日本CPC的概念。马扎克CPC的确实现了软件与生成设备的深度集成,很一种很典型的信息物理系统。<br/>作为制造大国的中国,企业正面临着严峻的经济转型,正处于由制造大国向制造强国的迈进阶段,同样也为“确保制造业的未来”,国家提出了“两化深度融合”国家级战略,是非常及时、非常正确的,与美国工业互联网,德国工业4.0异曲同工,可以有效地帮助企业实现升级转型。中国的工业、信息技术发展迅速,工业基数大,中国人学习能力超强,这次抓住机会,并与美国、德国等世界级领头羊几乎是同一时间提出了类似的国家战略,方向正确、目标清晰,本人相信,以CPS为核心的工业4.0对中国的促进将是最大的,因为别的国家是从优秀到卓越,难度很大,效果不会太显著,中国企业很可能就是由“及格”到优秀,甚至是卓越,效果应该是最显著的。<br/>CPS在国内一些实际应用方面,一些公司也做很多有益的探索与应用。北京兰光创新科技有限公司作为国内领先的数字化车间供应商,率先在青岛海尔模具实施CPS系统并取得了良好的应用效果。系统实现了生产设备的设备联网、网络通讯、远程实时监控、生产过程的协同生产准备、可视化展示、决策支持等功能。现在,车间成功地实现了少人化,1个操作工可以照看5台设备,设备利用率平均在75%以上,这是离散行业,全国最高的效率(根据兰光创新数百家实施客户的经验,国内离散行业机床利用率大多在30-40%之间)。工业4.0权威、美国辛辛那提大学李杰教授在参观现场后,给予高度评价,认为海尔模具的生产管理完全可以媲美于国外先进企业,是CPS系统很好的实践。<br/>CPS作为一个新兴概念,行业不同,理解也不同。以上是本人有关于CPS概念的一些理解,不一定完全正确,请黄总及各位专家斧正。<br/></div></div>楼上太厉害了,引申出这么多东西来!!佩服佩服,很有收获
# re: 也谈对工业4.0中CPS的理解
2015-05-24 11:21 | 宇波 | 10楼
回头看黄总这个博文,又有新的收获。 或者脱离技术本身,看CPS的最终商业价值和目的,也许更容易理解CPS的内涵。 随着互联网向各行业的渗透,去中间化已经成为必然,而客户和最终用户必然越来越“任性”, 用户的需求越来越个性化,大规模的定制化生产成为企业具备竞争力的必备生产模式。随着面向大规模定制的设计手段越来越成熟,大规模定制的瓶颈实际上是信息(数字化)转化为物理行为的控制过程。如何实现这个转化过程的自动化和智能化,就是CPS的目标。这个过程需要运用大量智能控制技术,传感技术,标识技术,定位技术等。 CPS最终变成虚拟制造与实体制造的连接器。

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