孫優(yōu)賢院士論工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)

邢黎聞

“全球工業(yè)生產(chǎn)面臨很大的挑戰(zhàn)，發(fā)達(dá)國家工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)過上百年的發(fā)展以后，近年來也遇到了前所未有的重大挑戰(zhàn)，概括起來有三句話，即‘美國工業(yè)制造中道阻塞，日本工匠精神丑聞纏身，德國企業(yè)神話悄然褪色，所以現(xiàn)在制造業(yè)增長乏力，全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷。大量事實(shí)告訴人們?nèi)蚬I(yè)生產(chǎn)必須要找到一條新出路?！睍?，中國工程院院士孫優(yōu)賢提出：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和‘兩化深度融合是解決工業(yè)生產(chǎn)困境的主要途徑，它們的理論和技術(shù)支撐就是信息物理融合系統(tǒng)CPS?！?/p>

CPS是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一革命性技術(shù)，計算、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地延伸了信息時空演變的尺度和層次，拓展了萬物之間泛在互聯(lián)的方式和規(guī)模，逐漸改變了人類對萬物世界的認(rèn)知方式，有利促進(jìn)了各類物理系統(tǒng)的靈活組織、有機(jī)協(xié)調(diào)和協(xié)同進(jìn)化，從而孕育了信息物理融合系統(tǒng)CPS這一嶄新的理論和技術(shù)。

基本認(rèn)識和戰(zhàn)略布局

當(dāng)今CPS在工業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，形成了工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)iCPS。iCPS是實(shí)現(xiàn)信息化和工業(yè)化“兩化”深度融合的最主要的內(nèi)容和最重要的抓手，是智能制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵支撐。iCPS給轉(zhuǎn)型時期我國的經(jīng)濟(jì)和社會的健康發(fā)展帶來了重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為解決國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)面臨的巨大挑戰(zhàn)提供了有效的方法。

iCPS是人工智能發(fā)展的外部驅(qū)動力。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及，工業(yè)大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，智能自動化的崛起，特別是數(shù)據(jù)和信息在人類社會、物理空間和信息空間的交叉融合和相互作用，使得人工智能的基本理論和方法產(chǎn)生了新的變化，這些變化促使人工智能的新應(yīng)用呈現(xiàn)勃勃生機(jī)。這些新變化和新應(yīng)用，使人們清楚地認(rèn)識到人工智能的發(fā)展目標(biāo)是幫助人類而不是替代人類，人工智能的目的不是把機(jī)器變成人，也不是把人變成機(jī)器，而是擴(kuò)展人類的智慧和能力，解決人類所面臨的重大問題。

iCPS的核心是人工智能2.0。與人工智能1.0相比，人工智能2.0在5個方面出現(xiàn)了變化： 第一，從只能處理類型單一的數(shù)據(jù)即單媒體分析與文本推理，到能夠綜合視覺、聽覺、文字、語言等多種媒體的語義，人工智能正邁向跨媒體認(rèn)知、學(xué)習(xí)和推理的新水平，滿足人員空間實(shí)時感知和認(rèn)知的需求。第二，人工智能從人類先驗的人工知識表達(dá)技術(shù)到大數(shù)據(jù)驅(qū)動知識學(xué)習(xí)技術(shù)，使機(jī)器學(xué)習(xí)具有從表象特征深入到多源頭、跨媒體、雙向交互的綜合推理和創(chuàng)意思維的能力，這就形成了大數(shù)據(jù)智能。第三，人工智能從只追求“計算機(jī)模擬人的智能”到高水平的人機(jī)融合的腦機(jī)交互，促使人與機(jī)器的能力相互增強(qiáng)，形成積聚顛覆性的混合增強(qiáng)智能。第四，人工智能從只研究個體意圖理解的個體智能到通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的集群智能和多體協(xié)同智能，通過多體合作競爭，以多種形式協(xié)同與協(xié)商一致的決策模式，形成超越單體智能能力的群體協(xié)同智能。第五，人工智能從單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)到大數(shù)據(jù)驅(qū)動、知識驅(qū)動和自動學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變，滿足以智能工廠等對數(shù)據(jù)和模型高可靠性、高精確形成、高實(shí)時性、高激動性、高安全性的需求。

以人工智能為大核心技術(shù)下的iCPS，其運(yùn)營的可感知性更強(qiáng)，可預(yù)見性更高，可調(diào)控性更大，可評價性更廣，更能體現(xiàn)信息空間和物理空間融合理論和技術(shù)的有效性，這樣目標(biāo)高度集中、特性高度復(fù)雜、控制高度智能、人員高度集約iCPS通過信息物理系統(tǒng)的滲透、融合，在傳感和執(zhí)行、數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)、控制與優(yōu)化、安全與可靠、物流與商務(wù)、設(shè)計與制造等各個層面體現(xiàn)出強(qiáng)大的威力。

iCPS是工業(yè)轉(zhuǎn)型升級最重要的使能技術(shù)。如，通過大規(guī)模傳感網(wǎng)和泛在互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)過程的高效、實(shí)時、精確、可靠感知。通過大數(shù)據(jù)分析與融合，增強(qiáng)物理環(huán)境的感知和緘默，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)分散自主控制、智能決策和全局優(yōu)化；通過建立信息物理空間的統(tǒng)一安全測度管控和災(zāi)變演化預(yù)警，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)生命周期即可靠的安全防護(hù)。iCPS將改變?nèi)祟惿a(chǎn)、制造以及現(xiàn)代化工業(yè)管理的模式，成為全球新工業(yè)革命最重要的使能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、安全可靠的工業(yè)生產(chǎn)。

智能制造與制造系統(tǒng)

黨的十九大已經(jīng)明確指出，我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長動力的攻關(guān)期，這個攻關(guān)期很難熬。要跨越這個難關(guān)，需要建設(shè)現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)體系。而建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系，必須在新一代人工智能技術(shù)和iCPS支撐下，加快推進(jìn)我國制造業(yè)的智能制造，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量效應(yīng)提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、增長動力轉(zhuǎn)換。

用CPS的技術(shù)，在人和物理系統(tǒng)之間加上信息系統(tǒng)，就變成了智能制造系統(tǒng)，這個智能制造系統(tǒng)比傳統(tǒng)制造系統(tǒng)有顯著提升：首先，最本質(zhì)的變化是在人和物理系統(tǒng)中間加了信息系統(tǒng)，構(gòu)成了iCPS；第二，物理系統(tǒng)實(shí)施了升級，動力裝置變成了數(shù)字化動力裝置，增加了傳感裝置。

第一代智能制造系統(tǒng)，是數(shù)字化制造。上世紀(jì)下半葉開始，隨著制造業(yè)對技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)烈需求，數(shù)字化制造應(yīng)運(yùn)而生。以計算機(jī)數(shù)字控制為代表的數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，推動制造業(yè)發(fā)生了革命性的變化。這一代的主要特征有：數(shù)字技術(shù)在產(chǎn)品中普遍應(yīng)用；大量采用了CAD、CAE等技術(shù)；產(chǎn)生了計算機(jī)集成制造CIMS。

第二代智能制造系統(tǒng)是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是深入應(yīng)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用網(wǎng)絡(luò)將人、流程、數(shù)據(jù)和事物聯(lián)系在一起，連通企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間的“信息孤島”，通過企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化，快速、高質(zhì)量、低成本地為市場提供所需的產(chǎn)品和服務(wù)。這一代的主要特征有：在產(chǎn)品方面，普遍應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)；在制造方面，實(shí)現(xiàn)橫向集成、縱向集成和端到端集成；在服務(wù)方面，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的過程。

第三代智能制造系統(tǒng)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造。近年來，在互聯(lián)網(wǎng)的普及、物聯(lián)網(wǎng)的滲透、大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)等信息環(huán)境激素變化以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展強(qiáng)烈需求雙輪驅(qū)動下，人工智能加速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)略性突破，先進(jìn)制造技術(shù)與新一代人工智能技術(shù)深度融合，形成了新一代智能制造。這個智能制造系統(tǒng)主要的特征表現(xiàn)在制造系統(tǒng)具備了“學(xué)習(xí)”能力，通過深度學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高了創(chuàng)新和服務(wù)能力。

總之， CPS是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、“兩化”融合等發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施計劃的核心，iCPS是CPS的一個典型應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)智能制造、智能工廠、智能電廠、智能交通、智能礦山等的基礎(chǔ)。