孫優賢院士論工業信息物理融合系統

邢黎聞

“全球工業生產面臨很大的挑戰，發達國家工業生產經過上百年的發展以后，近年來也遇到了前所未有的重大挑戰，概括起來有三句話，即‘美國工業制造中道阻塞，日本工匠精神丑聞纏身，德國企業神話悄然褪色，所以現在制造業增長乏力，全球經濟持續低迷。大量事實告訴人們全球工業生產必須要找到一條新出路。”會上，中國工程院院士孫優賢提出：“工業互聯網、工業4.0和‘兩化深度融合是解決工業生產困境的主要途徑，它們的理論和技術支撐就是信息物理融合系統CPS。”

CPS是繼互聯網之后的又一革命性技術，計算、控制、通信和網絡技術的飛速發展，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的方式和規模，逐漸改變了人類對萬物世界的認知方式，有利促進了各類物理系統的靈活組織、有機協調和協同進化，從而孕育了信息物理融合系統CPS這一嶄新的理論和技術。

基本認識和戰略布局

當今CPS在工業領域的創新應用，形成了工業信息物理融合系統iCPS。iCPS是實現信息化和工業化“兩化”深度融合的最主要的內容和最重要的抓手，是智能制造的基礎理論和關鍵支撐。iCPS給轉型時期我國的經濟和社會的健康發展帶來了重大的機遇和挑戰，為解決國內外工業生產面臨的巨大挑戰提供了有效的方法。

iCPS是人工智能發展的外部驅動力。隨著工業互聯網的普及，工業大數據的涌現，智能自動化的崛起，特別是數據和信息在人類社會、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生了新的變化，這些變化促使人工智能的新應用呈現勃勃生機。這些新變化和新應用，使人們清楚地認識到人工智能的發展目標是幫助人類而不是替代人類，人工智能的目的不是把機器變成人，也不是把人變成機器，而是擴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個方面出現了變化： 第一，從只能處理類型單一的數據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知、學習和推理的新水平，滿足人員空間實時感知和認知的需求。第二，人工智能從人類先驗的人工知識表達技術到大數據驅動知識學習技術，使機器學習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意思維的能力，這就形成了大數據智能。第三，人工智能從只追求“計算機模擬人的智能”到高水平的人機融合的腦機交互，促使人與機器的能力相互增強，形成積聚顛覆性的混合增強智能。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網網絡的集群智能和多體協同智能，通過多體合作競爭，以多種形式協同與協商一致的決策模式，形成超越單體智能能力的群體協同智能。第五，人工智能從單一的神經網絡建模技術到大數據驅動、知識驅動和自動學習相結合的方式轉變，滿足以智能工廠等對數據和模型高可靠性、高精確形成、高實時性、高激動性、高安全性的需求。

以人工智能為大核心技術下的iCPS，其運營的可感知性更強，可預見性更高，可調控性更大，可評價性更廣，更能體現信息空間和物理空間融合理論和技術的有效性，這樣目標高度集中、特性高度復雜、控制高度智能、人員高度集約iCPS通過信息物理系統的滲透、融合，在傳感和執行、數據與網絡、控制與優化、安全與可靠、物流與商務、設計與制造等各個層面體現出強大的威力。

iCPS是工業轉型升級最重要的使能技術。如，通過大規模傳感網和泛在互聯，實現工業環境和生產過程的高效、實時、精確、可靠感知。通過大數據分析與融合，增強物理環境的感知和緘默，實現工業生產分散自主控制、智能決策和全局優化；通過建立信息物理空間的統一安全測度管控和災變演化預警，實現工業生產生命周期即可靠的安全防護。iCPS將改變人類生產、制造以及現代化工業管理的模式，成為全球新工業革命最重要的使能技術，實現優質高效、節能降耗、綠色環保、安全可靠的工業生產。

智能制造與制造系統

黨的十九大已經明確指出，我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期，這個攻關期很難熬。要跨越這個難關，需要建設現代化的經濟體系。而建設現代化經濟體系，必須在新一代人工智能技術和iCPS支撐下，加快推進我國制造業的智能制造，實現質量效應提升、產業結構優化、發展方式轉變、增長動力轉換。

用CPS的技術，在人和物理系統之間加上信息系統，就變成了智能制造系統，這個智能制造系統比傳統制造系統有顯著提升：首先，最本質的變化是在人和物理系統中間加了信息系統，構成了iCPS；第二，物理系統實施了升級，動力裝置變成了數字化動力裝置，增加了傳感裝置。

第一代智能制造系統，是數字化制造。上世紀下半葉開始，隨著制造業對技術進步的強烈需求，數字化制造應運而生。以計算機數字控制為代表的數字化技術廣泛應用于制造業，推動制造業發生了革命性的變化。這一代的主要特征有：數字技術在產品中普遍應用；大量采用了CAD、CAE等技術；產生了計算機集成制造CIMS。

第二代智能制造系統是數字化網絡化制造。數字化網絡化制造是深入應用先進的網絡技術，用網絡將人、流程、數據和事物聯系在一起，連通企業內部和企業之間的“信息孤島”，通過企業內、企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，實現全產業鏈的優化，快速、高質量、低成本地為市場提供所需的產品和服務。這一代的主要特征有：在產品方面，普遍應用數字化網絡化技術；在制造方面，實現橫向集成、縱向集成和端到端集成；在服務方面，實現了產業化的過程。

第三代智能制造系統是數字化、網絡化、智能化制造。近年來，在互聯網的普及、物聯網的滲透、大數據的涌現等信息環境激素變化以及經濟社會發展強烈需求雙輪驅動下，人工智能加速發展，實現了戰略性突破，先進制造技術與新一代人工智能技術深度融合，形成了新一代智能制造。這個智能制造系統主要的特征表現在制造系統具備了“學習”能力，通過深度學習、增強學習、遷移學習等技術的應用，顯著提高了創新和服務能力。

總之， CPS是工業互聯網、工業4.0、“兩化”融合等發展規劃和實施計劃的核心，iCPS是CPS的一個典型應用，是實現智能制造、智能工廠、智能電廠、智能交通、智能礦山等的基礎。