原创《孙优贤院士论工业信息物理融合系统》
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本刊记者 邢黎闻/文
“全球工业生产面临很大的挑战,发达国家工业生产经过上百年的发展以后,近年来也遇到了前所未有的重大挑战,概括起来有三句话,即‘美国工业制造中道阻塞,日本工匠精神丑闻缠身,德国企业神话悄然褪色’,所以现在制造业增长乏力,全球经济持续低迷.大量事实告诉人们全球工业生产必须要找到一条新出路.”会上,中国工程院院士孙优贤提出：“工业互联网、工业4.0和‘两化’深度融合是解决工业生产困境的主要途径,它们的理论和技术支撑就是信息物理融合系统CPS.”
CPS是继互联网之后的又一革命性技术,计算、控制、通信和网络技术的飞速发展,极大地延伸了信息时空演变的尺度和层次,拓展了万物之间泛在互联的方式和规模,逐渐改变了人类对万物世界的认知方式,有利促进了各类物理系统的灵活组织、有机协调和协同进化,从而孕育了信息物理融合系统CPS这一崭新的理论和技术.
基本认识和战略布局
当今CPS在工业领域的创新应用,形成了工业信息物理融合系统iCPS.iCPS是实现信息化和工业化“两化”深度融合的最主要的内容和最重要的抓手,是智能制造的基础理论和关键支撑.iCPS给转型时期我国的经济和社会的健康发展带来了重大的机遇和挑战,为解决国内外工业生产面临的巨大挑战提供了有效的方法.
iCPS是人工智能发展的外部驱动力.随着工业互联网的普及,工业大数据的涌现,智能自动化的崛起,特别是数据和信息在人类社会、物理空间和信息空间的交叉融合和相互作用,使得人工智能的基本理论和方法产生了新的变化,这些变化促使人工智能的新应用呈现勃勃生机.这些新变化和新应用,使人们清楚地认识到人工智能的发展目标是帮助人类而不是替代人类,人工智能的目的不是把机器变成人,也不是把人变成机器,而是扩展人类的智慧和能力,解决人类所面临的重大问题.
iCPS的核心是人工智能2.0.与人工智能1.0相比,人工智能2.0在5个方面出现了变化： 第一,从只能处理类型单一的数据即单媒体分析与文本推理,到能够综合视觉、听觉、文字、语言等多种媒体的语义,人工智能正迈向跨媒体认知、学习和推理的新水平,满足人员空间实时感知和认知的需求.第二,人工智能从人类先验的人工知识表达技术到大数据驱动知识学习技术,使机器学习具有从表象特征深入到多源头、跨媒体、双向交互的综合推理和创意思维的能力,这就形成了大数据智能.第三,人工智能从只追求“计算机模拟人的智能”到高水平的人机融合的脑机交互,促使人与机器的能力相互增强,形成积聚颠覆性的混合增强智能.第四,人工智能从只研究个体意图理解的个体智能到通过互联网网络的集群智能和多体协同智能,通过多体合作竞争,以多种形式协同与协商一致的决策模式,形成超越单体智能能力的群体协同智能.第五,人工智能从单一的神经网络建模技术到大数据驱动、知识驱动和自动学习相结合的方式转变,满足以智能工厂等对数据和模型高可靠性、高精确形成、高实时性、高激动性、高安全性的需求.
以人工智能为大核心技术下的iCPS,其运营的可感知性更强,可预见性更高,可调控性更大,可评价性更广,更能体现信息空间和物理空间融合理论和技术的有效性,这样目标高度集中、特性高度复杂、控制高度智能、人员高度集约iCPS通过信息物理系统的渗透、融合,在传感和执行、数据与网络、控制与优化、安全与可靠、物流与商务、设计与制造等各个层面体现出强大的威力.
iCPS是工业转型升级最重要的使能技术.如,通过大规模传感网和泛在互联,实现工业环境和生产过程的高效、实时、精确、可靠感知.通过大数据分析与融合,增强物理环境的感知和缄默,实现工业生产分散自主控制、智能决策和全局优化；通过建立信息物理空间的统一安全测度管控和灾变演化预警,实现工业生产生命周期即可靠的安全防护.iCPS将改变人类生产、制造以及现代化工业管理的模式,成为全球新工业革命最重要的使能技术,实现优质高效、节能降耗、绿色环保、安全可靠的工业生产.
智能制造与制造系统
党的十九大已经明确指出,我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期,这个攻关期很难熬.要跨越这个难关,需要建设现代化的经济体系.而建设现代化经济体系,必须在新一代人工智能技术和iCPS支撑下,加快推进我国制造业的智能制造,实现质量效应提升、产业结构优化、发展方式转变、增长动力转换.
用CPS的技术,在人和物理系统之间加上信息系统,就变成了智能制造系统,这个智能制造系统比传统制造系统有显著提升：首先,最本质的变化是在人和物理系统中间加了信息系统,构成了iCPS；第二,物理系统实施了升级,动力装置变成了数字化动力装置,增加了传感装置.
第一代智能制造系统,是数字化制造.上世纪下半叶开始,随着制造业对技术进步的强烈需求,数字化制造应运而生.以计算机数字控制为代表的数字化技术广泛应用于制造业,推动制造业发生了革命性的变化.这一代的主要特征有：数字技术在产品中普遍应用；大量采用了CAD、CAE等技术；产生了计算机集成制造CIMS.
第二代智能制造系统是数字化网络化制造.数字化网络化制造是深入应用先进的网络技术,用网络将人、流程、数据和事物联系在一起,连通企业内部和企业之间的“信息孤岛”,通过企业内、企业间的协同和各种社会资源的共享与集成,实现全产业链的优化,快速、高质量、低成本地为市场提供所需的产品和服务.这一代的主要特征有：在产品方面,普遍应用数字化网络化技术；在制造方面,实现横向集成、纵向集成和端到端集成；在服务方面,实现了产业化的过程.
第三代智能制造系统是数字化、网络化、智能化制造.近年来,在互联网的普及、物联网的渗透、大数据的涌现等信息环境激素变化以及经济社会发展强烈需求双轮驱动下,人工智能加速发展,实现了战略性突破,先进制造技术与新一代人工智能技术深度融合,形成了新一代智能制造.这个智能制造系统主要的特征表现在制造系统具备了“学习”能力,通过深度学习、增强学习、迁移学习等技术的应用,显著提高了创新和服务能力.
总之, CPS是工业互联网、工业4.0、“两化”融合等发展规划和实施计划的核心,iCPS是CPS的一个典型应用,是实现智能制造、智能工厂、智能电厂、智能交通、智能矿山等的基础.
信息论文参考资料：
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