CPS：新一代工业智能 - (EPUB全文下载)

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书籍内容：

序一
Cyber-Physical System（CPS），目前在中国被译为信息-物理系统或赛博-物理系统，但是这些译名在国内许多产学研专家中引起了一些争议，认为它们并不能表达CPS的真正内涵。美国国家科学基金会（NSF）在2006年首次提出CPS，并将其作为重点资助的前沿技术方向。在过去几年中，CPS的概念已经开始广泛影响许多国家的先进制造业和工业转型的战略，如美国总统科学技术顾问委员会将CPS列为未来竞争力技术的首位，德国也以CPS为核心制定了“工业4.0”国家战略。德国所推动的是以制造为导向的赛博-物理制造系统（Cyber-Physical Production System， CPPS），而美国CPS的研究是以更广泛的产业应用及国家安全为导向。中国也在探索自己的工业转型之路，相继提出了“两化融合”“互联网+”和“中国制造2025”等国家战略，并将CPS列为主要技术方向。然而，在国内的学者、企业和政府对CPS的探索过程中，由于对它的定义和解释不能达成共识，所以在科研和产业化投入方面始终没有找到非常准确的方向。CPS对中国企业的重要性不言而喻，在过去三十年快速成长的历程中，中国工业引进了许多国外先进产业和装备，也在一些产业领域逐渐形成了自己的核心竞争力，如高铁、风电、光伏、航空航天等；但是在一些核心零部件及装备上依然存在缺口，对中国工业的可持续发展造成了瓶颈，这背后的深层原因是制造知识的缺失。如果CPS能够利用大量的制造和运维数据促进知识的产生和传承，就可以帮助中国制造加快缩短核心技术的步伐。
我与李杰教授相识二十多年，一直关注李杰教授及他建立的智能维护系统（IMS）研究中心所从事的科研活动。李杰教授从2000年开始致力于工业智能维护系统和工业大数据的研究及产业化应用，并最早提出了孪生模型（Twin Model）的概念。2014年，美国NSF给IMS中心颁发“国家科技创新奖”，以表彰IMS中心对全球工业界所产生的影响，其中包括对工业互联网、赛博-物理系统和工业大数据等新兴产业方向和技术概念的催化作用。李杰教授认为，CPS是可以实现知识挖掘和创新的手段，他在这本书中，从CPS的来源、定义、系统技术、应用体系和案例等方面做了系统性的阐述，并首次提出将CPS译为“赛博-实体系统”更加合适，书中涉及的案例涵盖了智能控制、智能管理、智能运维、智能服务和智能体系等多个方面。这些案例具有广泛的代表性和体系性，能够为中国探索自己的智能化升级道路提供很好的借鉴。同时，这本书也解释了美国和德国等国家，在推动工业智能化升级的过程中的优势及缺口，强调了中国如何根据自己的国情来利用CPS建立自己的核心竞争力并实现产业转型，对中国的企业和政府都有很好的借鉴意义。这是中国第一本系统介绍CPS理论和应用的书，可作为产学研各个领域了解和发展CPS技术的参考资料。
同时，李杰教授及其科研团队提出了“以数据为基础，挖掘不可见世界的价值”和“以CPS体系为核心，实现知识的自主产生与延续”等理念，为突破我国自主工业知识的瓶颈提供了非常有价值的参考。
因此，我们理应欢迎更多像李杰教授这样，既通晓国际工业及制造领域学术和产业发展，又熟悉中国现状的学者对CPS的定义、技术构成和应用方向提出自己的见解和论述。
愿这本书与CPS一起深深扎根于中国制造的土壤！
李培根
中国工程院院士
2017年2月9日于武汉
第1章 现代工业的挑战与机遇
“赛博-实体系统”（Cyber-Physical System，CPS）又译为“信息-物理系统”，其作为一个技术概念被提升到国家战略最早可追溯到2007年8月。当时美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）提出了《受到挑战的领导力：信息技术在全球竞争中的研究和发展》报告，报告中将“网络信息技术与实体世界的连接系统”列在八大核心技术的首位。报告提出的背景一方面是美国认为其在全球科技竞争力的优势正在逐渐失去，需要去寻找和定义具备突破性的技术领域来保持原有的竞争优势；另一方面，美国认为其在网络通信技术（ICT）和计算机科学方面的优势明显，全球信息技术50强企业超过一半在美国，并且在微处理器和控制系统方面具有垄断地位。随着计算机科学和处理器能力的快速发展，智能化的小型电子系统和大型ICT系统已经初显雏形。欧盟也率先开始了“先进嵌入式智能系统技术”计划，在2007~2013年在该领域投入超过70亿美元。2012年10月，德国“工业4.0”工作组正式向德国政府提出了工业4.0的执行建议，并将赛博-物理制造系统（Cyber-Physical Production System，CPPS）作为智能制造系统的最关键技术。
受到美国和德国两个传统工业强国的“青睐”，CPS迅速引起了世界各国的关注，关于它的讨论也越来越多，甚至将CPS等同于第四次工业革命。对于CPS的定义目前存在着许多争论，大多数人的论述都试图从技术层面对CPS进行定义，把它与物联网、大数据、自动制造执行系统、ERP等现有的技术概念联系在一起；但却忽略了一个最基本的概念，那就是第四次工业革命并非因为CPS或某一个技术的出现而到来，正相反，CPS的诞生是应第四次工业革命的需求而出现，它是满足生产力发展新需求的使能技术。
若要去定义什么是CPS，需要把关于CPS技术定义的讨论放到一边，先去思考以下两个问题：为什么第四次工业革命会发生？现在的工业面临了哪些挑战和需求迫使它进行技术的革命性变革？
当回答出这两个问题时，就自然能够理解CPS的本质了，并不是CPS本来是什么，而是它应该是什么。
1.1 现代工业遇到了什么挑战
革命的本质是生产关系的变革，背后的根本原因是原有的生产关系束缚了生产力的发展。这个道理在人类社会中普遍适用，在工业革命中也同样适用。回顾前三次工业革命，我们都能够发现这样一个规律，即每一次工业革命都使生产要素的边际生产力获得本质的提升，使生产要素的内涵发生本质的变化，并改变了生产力的决定性要素。
第一次工业革命发生的背景是依靠人力为主要力量的生产系统遇到了发展的瓶颈， ............

书籍插图：

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