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真正实现人、机、物融合的CPS,将如何颠覆工业和能源行业?

摘要: CPS,可以被看作升级版的物联网。CPS掀起的生产力革命将主要爆发在两个基础领域:能源和工业,CPS的人、机、物融合能力,使的人类在能源和工业领域能够实现无所不在的信息监视和精确控制,真正实现人类对复杂系统的全面管理。

钛媒体注:CPS,全称信息物理系统(Cyber Physical Systems),是信息系统和物理系统的统一体,可以被看作升级版的物联网。与物联网相比,CPS更强调数字世界对于物理世界的控制,CPS可以通过互联网,以可靠并且安全的方式,实时和自治的操控一个物理实体和系统。CPS将使得数字世界不再仅仅是物理世界的虚拟映象,而将真正进化为人类社会的新疆界。

CPS的本质就是人、机、物的融合。它将使没有感觉、没有灵魂、不会思考、不会合作的物理系统成为了活物,不仅赋予物体以感觉,还赋予了其思考能力和协作能力,物理世界和数字世界将合二为一。

下面是钛媒体作者曹寅的文章,深入分析了CPS对工业和能源行业的影响:

 

未来 30年,中国、印度和其他发展中国家的数十亿人将步入中产阶级,这些朝气蓬勃的新生代和西方年轻人没有什么区别,同样需要高楼大厦,需要购物中心,需要苹果手机,需要汽车、牛排、空调、宠物、音乐会、海外旅行等等中产阶级物质和精神需求。

不过地球养活今天的20亿中产阶级已经承受了巨大压力,还怎么再承担新增的几十亿中产阶级消费需求? 是不是真的像奥巴马曾经宣称的“地球资源无法接受中国人像美国人一样生活”?难道除了战争和计划生育之外,人类真的无法解决人口增长和资源有限之间的矛盾?这种马尔萨斯主义的论调看似正确,不过却是站在静止的角度去预测未来,忽略了一个重要维度:技术。

资源的短缺迫使人类采用新的技术,历史上每一次重大技术突破都成功使生产力跃上一个新台阶,赋予更多人口有质量的生活,这些突破包括化肥,电力,抗生素,流水线等,而这次将是信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)把人类从马尔萨斯陷阱拯救出来。

 

CPS:人、机、物融合全靠它

CPS是一个新的概念,2005年才由美国科学院提出,2008年之后,美国才将CPS作为国家战略性发展方向予以重视。CPS是一个结合计算领域以及传感器(Sensor)和致动器(Actuator)装置的整合控制系统。包含了无处不在的环境感知、嵌入式系统、网络通信和网络控制等系统工程,使我们身边的各种物体具有计算、通信、精确控制、远程协作和自组织功能,使计算能力与物理系统紧密结合与协调。在传感器的帮助下,CPS接受并处理来自物理世界的大量数据,并将这些用于基于网络的各种应用和服务中,最终会这些服务和应用会通过致动器反馈并影响实体世界。

目前已有某些领域出现似于CPS的电子控制综合性系统,但目前这些系统通常都是嵌入式系统(Embedded System),嵌入式系统比较强调机器的计算能力,CPS则更为强调各个实体装置和电脑运算网络的融合,CPS是借用技术手段实现人的能力在时间、空间等方面的延伸,CPS的本质就是人、机、物的融合。简而言之,现在我们身边常见的物体都是没有感觉,没有灵魂,不会思考,不会合作的死物,但CPS使我们的物理系统成为了活物,不仅赋予了物体以感觉,还赋予了其思考能力和协作能力,物理世界和数字世界将合二为一。其意义甚至超过了哥伦布发现新大陆,将从空间上和时间上深刻的改变人类社会。从空间角度来说,CPS使得数字世界将不再仅仅是现实物理世界的映象,而将成为人类的新生存空间,这个空间远远超越了现实物理世界,超越了物理距离,没有边界,一切物体都以光速联系彼此;从时间上来说,CPS使得现实物理世界的发展速度向数字世界靠近,人类社会的发展速度将呈指数级别增长,未来历史学家回眸过去时将不再使用公元前和公元后来断代,而将使用前CPS时代和后CPS时代来研究人类的历史。

摩尔定律

CPS作为一种使能技术,将使众多创新应用成为现实,孕育了无数商业模式。CPS给人类社会带来的深刻变化和挑战应该同其他重要的新技术放在一起检视,比如CPS和人工智能,CPS和大数据,CPS和云计算,CPS和3D打印,CPS和可再生能源,CPS和电动汽车。但CPS给世界带来最重要的贡献却鲜有人意识到,即摩尔定律将适用于实体世界。摩尔定律由英特尔创始人之一戈登•摩尔在50年前提出,摩尔提出,当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的计算机性能,将每隔18个月翻两倍以上。现在,人类早已经从晶体管时代进入了芯片时代,目前正在往下一代计算技术时代迈进,但长期以来,摩尔定律只适用于信息技术,也就是所谓的数字世界,而CPS则将会把物理世界也带入摩尔时代。

 

CPS如何实现无所不在的信息监视和精确控制?

CPS之所以能够实现,有赖于半个多世纪以来人类ICT(Information Communication Technology,信息通信技术)技术的不断积累,但最重要还是近三十年以来两项技术的爆炸式发展。首先是互联网,比如因特网以及基于因特网的万维网,显而易见,这是CPS能够实现的基石。其次则是软件密集型嵌入式系统(software-intensiveembedded systems,简称SIES),SIES在现今几乎所有的高科技产品和系统中都能发现,比如数控机床、高级轿车、飞机、智能建筑、智能风机等,SIES对于CPS的重要性常常被低估,但其却是CPS能够落地的真正关键。CPS的核心理念即数字世界同物理世界的深度融合,但数字世界的更新速度远远快于物理世界,纯物理世界难以跟上数字世界的发展,因此CPS的实现需要能够将物理世界同数字世界合二为一的粘合剂,这种粘合剂就是SIES,而粘合方式就是“以软代硬”。

软件的功能可以无限量地添加和升级,而硬件通常要花费很多费用和时间来保养和升级,因此大规模的“以软代硬”其实就是以数字世界融化物理世界的过程,这种趋势在Tesla电动车和智能手机上已经得到体现。在SIES中,软件重要性远远超过硬件,因此SIES更加敏捷和灵活,可以按照客户的特定需求和要求进行定制。在开发或使用的任何阶段,都可以通过更新软件来快速更新功能。此外,SIES的开发成本虽然可能相对于普通嵌入式系统有所增加,但产品生命周期成本却可以大幅降低。在普通的硬件主导型系统中,硬件设计必须在产品开发过程的早期就确定下来,但软件驱动的系统却可以将灵活性保持到在用户使用中。因此,随着代码数量保持成倍增加,我们每天使用的设备将变得越来越智能化。未来,在工业企业中,软件工程师将比机械工程师更多,未来,软件将定义世界。

这种由CPS所带来的虚拟物理大融合将使人类的生活和生产更安全,更高效,更健康,更清洁,帮助人类社会解决很多目前物理系统无法解决的难题,比如人口老化带来的养老问题,资源稀缺造成的物价上涨,交通拥堵带来的效率损失,自然灾害带来的生产力损失,可再生能源不稳定造成的电价上涨等。一些早期的类CPS应用早已经进入我们的日常生活,并被我们天天使用。典型案例就是车载导航软件,GPS系统为地球表面每一块土地都提供了一个全新的、瞬时可知的虚拟映象,车辆既是行驶在物理世界的道路上,也穿行在数字世界中,在移动通信数据的帮助下,现在的导航软件还能根据即时路况规划最佳行驶路线。其他的常见类CPS应用还包括轨道交通控制系统,风电站远程控制系统等。但CPS对人类世界最震撼的改造还并未降临,CPS掀起的生产力革命将主要爆发在两个基础领域:能源和工业,CPS的人、机、物融合能力,使的人类在能源和工业领域能够实现无所不在的信息监视和精确控制,真正实现人类对复杂系统的全面管理。

 

能源革命?没了CPS才玩不转呢

在能源领域中,如果我们能够站在全球角度来看,人类的能源系统正处于巨变中。我们的电力供应模式正从可以随时发电的常规大型集中式电源(核电,火电,大型水电)向不稳定,非集中,低能量密度的可再生能源系统转变。由成熟应用向不成熟应用的变化难以避免会带来阵痛,风能和太阳能不像火电核电一样招之即来,挥之即去,可再生能源是一种气候能源,瞬息即变的天气随时都在影响风能和太阳能的输出。此外,电力消费因时间不同,季节和习惯不同而变化复杂,为了满足这些时刻处于变化中的电力需求,电力供应量总是不得不超过电力需求量。除此以外,在你看不见的地方,还有很多发电机组正处于随时待命状态,以满足突然出现的额外电力需求,这造成了巨大资源和效率浪费。由于以上原因,电力系统的调节空间正在从发电和用电两端被前所未有的压缩,这也对电力系统的调度和控制技术提出了更高的要求。在新的背景下,传统技术和结构已经显得力不从心,只有基于CPS的能源互联网才能满足新型电力系统的要求。

智能电网

目前被动的、弱信息化的、单向传输的、静态的、封闭式的电网,将进化为市场导向的、服务化的、分布式和集中式相结合的、动态的,开放式系统。未来基于CPS的能源互联网可以持续不断监控每一户家庭,每一辆电动车,每一个工厂,甚至每一台用电器的电力消费数据和使用习惯,通过大数据分析来预测即期,短期,中期以及长期的电力消费。而在发电端和输电端,基于CPS的能源互联网,则可以通过微网技术,储能技术和远程输电技术,大幅提升可再生能源的使用比例和使用效率,大幅降低因为不必要的冗余而造成的巨额浪费。

其实ICT技术在能源系统里面早已被广泛应用,举例来说,现在火电站已经能够做到远程控制,输电网的运行情况在调度中心中能够一目了然,配电网自动化也正在逐渐普及,带有通信功能的智能变电站也正在日益推广;光伏电站和风电站也能做到远程智能控制,全球过亿家庭已经安装了智能电表,带有通信功能的智能电器和智能汽车也越来越多;不仅电力,就连油气开采和油气管输也在日益自动化和智能化,通信和控制已经成为能源电力系统的标准功能配置,但是目前这些系统还是一个个信息孤岛,在孤岛内,基于不同系统的CPS已经出现,但目前还缺乏一个能将消费者,生产者,经销者,管理者和调度者,以及各种设备和服务都连接起来的网络,这个网络就是基于CPS的能源互联网。

 

CPS能让所有地方具备和德国一样的工业升级的能力

同能源领域一样,如今的工业也正处于大变革的前夜。上世纪90年代以来的新型经济体迅速工业化后,产生了基于比较优势的全球大分工和大竞争,同时,在互联网时代大背景下,消费者和消费观念也在剧变。当供应端和消费端同时发生剧变时,工业企业的核心竞争力也被彻头彻尾的颠覆了,核心竞争力从产品质量控制,转移到了客户价值创造。这种变化对企业能力提出了前所未有的要求。为客户创造价值意味着企业需要能够生产够复杂更先进的产品和系统,随着机械技术和信息技术的深入融合,人类所生产的各种产品和系统的复杂性也呈指数级别增长,比较典型的例子就是高铁,高铁是车辆,轨道系统,信号及调度系统,电力供应系统等众多系统的结合,每一个子系统都涉及非常复杂并且专业的技术。但根据系统工程学观点,系统的复杂性远大于子系统和子系统元件复杂性的线性加总。从单个产品,到系统,再到基于系统的服务,对企业的能力要求成指数级别增长。

复杂的系统也意味着更复杂的供应链和价值链,以及更多的参与者。过去,受经济学分工理论的影响,企业倾向于将工作任务进行精细划分,然后再逐层外包,以达到专业化分工目的,但分工在提升生产效率同时,却造成信息流通效率降低,如果没有先进信息技术,复杂系统内的企业协作将变的根本无法进行。更何况,在全球化和互联网化背景下,企业分工价值链早已蔓延过了地区,甚至跨越了时区。硅谷团队负责研发,纽约团队负责品牌管理,巴黎事务所设计,韩国和日本企业提供零部件,深圳工厂组装,再由迪拜分销商送往世界各地,这种全球大分工在很多行业已经十分普遍。但是,截至目前只有部分巨型企业,比如波音,空客,西门子,通用电气,东芝,苹果等工业巨头才具备对复杂价值链的管理能力,在未来,CPS所掀起的新工业革命将几乎将使任何组织都具备这种能力,德国人将这种革命成为工业4.0,而美国人将这种革命成为工业互联网。

从工业1.0到工业4.0

目前CPS在工业,尤其是制造业领域中已经得到一定应用,基于CPS的智慧制造可以根据市场需求即时改变产品设计和供应链,利用PLM(Product lifetime Management)平台,甚至可以实现跨公司的超柔性合作。这就使得基于客户要求和特征的快速定制化生产成为可能,并且彻底改变现在上下游企业之间的合作方式。自组织、自优化、自适应的全球价值链和供应链大协作将在世界范围内迅速改变目前制造业竞争局面,传统制造业企业就像是单细胞生物,而基于CPS的智慧制造将重塑制造业企业之间的合作方式,使同一价值链内的众多企业从单细胞生物融合为多细胞生物,实现整条价值链的共同进化。

 

中国2025计划:看上去很美

工业的CPS化将给世界工业竞争带来巨大影响,因此德国打出了工业4.0概念,美国拉开了工业互联网大旗,中国制造业也不甘落后,提出了“中国制造业2025”计划。然而,对于中国企业来说,工业CPS化任重而道远,因为这需要重塑包括流程和工艺,机械和设备,物流和供应链管理,自动化和信息化在内的所有能力领域,面临的挑战数不胜数,比如,基于虚拟生产而重新设计的工艺和流程、能够容错的强健制造流程、性能稳定并且可预测的生产设备、开放并且标准模块化的过程仿真和工艺模型、人工智能的安全应用、工业大数据的存储和分析应用,当然,信息安全也将无比重要。与此同时,工业人才的知识体系和观念需要彻底重塑,传统工业的集中式和层级化组织结构和管理理念已经不再适用于基于CPS的智慧工业。

CPS在改造能源和工业的同时,CPS本身也在不停进化。下一阶段,CPS将实现自组织能力,未来CPS能够在没有外部指令和干涉的情况下,使系统的物理和信息部分按照某种规则,相互默契,各尽其责,同时又协调自动地形成有序结构,实现有序有效并且有意义的系统自动控制和执行。CPS自组织能力在具体工业和能源领域的应用功能实现将十分有意思,举个例子,在工业领域,工厂的生产线可以根据工作负荷自动的调整维修周期,甚至自动调整上游物料供给速度,自动安排并切换备用生产线,使得工厂在产线维修期间的产出不受影响。在能源领域,自组织能力的实现可以解决可再生能源发展的最大瓶颈,即风光的不稳定性,通过气象大数据的分析预测和现场气象传感器的即时数据,用电器和储能系统能够提前预知可再生能源系统的发电输出波动,在不影响生产生活的情况下,自动调整工作状态,使得原来必须依赖于电网才能实现稳定工作的可再生能源系统实现真正的独立运行。

CPS对我们现在的社会和商业结构具有高度颠覆性影响,可以从根本上改变现有的诸多商业模式,颠覆企业及组织之间的竞争方式。能够提供基于CPS的服务的新型企业正在不知不觉的渗透和吞噬传统企业的市场,当然CPS本身也在前所未有的拓展人类的社会和商业边界,创造新的商业价值处女地。CPS也将对我们现在的研发领域带来新的挑战。如何建立,运行,监控和维护CPS及其应用?数据和信息如何在不同的通讯方式和系统中传输?如何进行跨系统的控制?以及如何不被有恶意的人远程侵入和控制?如何存储和利用CPS带来的海量数据……这些都是切实摆在企业和研究者面前的问题,这需要机械,电气,电子,计算机与软件,系统科学等诸多学科跨界研究,也需要不同企业之间共同协作。未来的商业社会将是一个没有边界的世界,传统的电力企业,制造企业,建筑企业,服务企业甚至农业,都会和互联网深度融合,未来的世界就是一个MEGA CPS(超级CPS),这不是科幻小说,而是每个人都将面对的明天。

本文系作者 Armand Cao 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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Armand Cao
Armand Cao

曹寅,The Martec Group咨询总监,能源和自动化从业者,关注新-能源,新-工业

评论(9

  • 飛義崋 飛義崋
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    0

    颠覆

    2015-03-15 22:57 via pc
  • lwj8602 lwj8602
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    0

    以奇制胜

    2015-03-04 19:54 via pc
  • zyq20092010 zyq20092010
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    0

    真正的CPS意味着要建立一个统一的终极云端,意味着要统一信号,语言,系统,规格等等的差异。这是一个跨时代的改变!

    2015-03-02 02:28 via pc
  • CPS所谓可以带来的工业4.0我觉得其实是遥远的,工业革命是经济和政治的产物,每次进化都是背后各种因素的推动,人,机,物,某些程度上面还缺少几种关键元素,政治制度或许影响4.0。

    2015-03-01 15:41 via pc
  • jinlin_123 jinlin_123
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    0

    以后的社会是一个用电网和信息网连起来的社会!

    2015-03-01 10:02 via pc
  • 发发发 发发发
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    0

    人类科技进步大发展!人民生活水平提高来自......

    2015-03-01 09:58 via pc
  • 潇澎 潇澎
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    0

    三体合一

    2015-03-01 00:12 via pc
  • zuand zuand
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    0

    说的很美好,但实现难度很大。

    2015-02-28 22:49 via pc
  • libra_gc libra_gc
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    0

    看看

    2015-02-28 20:05 via pc

Oh! no

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