图文PPT | 赛博-实体系统CPS如何助力工业智能化？
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【编者按】：5月22日晚，《CPS：新一代工业智能》首次图书发布会在线上举行，特邀CPS及工业大数据领域资深专家李杰教授，中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术中心主任邱伯华，两位作者作为主分享嘉宾，参与了此次发布会。
现把邱伯华主任的分享稿共享给大家（略有删节），CPS是一套复杂的技术融合体系，需要深入理解。
分享嘉宾：邱伯华
今天，我将从“工业界为什么需要CPS”、“CPS与工业智能”、“CPS的应用体系”、“CPS的应用阶段”和“结语”这五个部分进行阐述。
一、工业界为什么需要CPS？
在这里我想先从知识经济的角度来谈谈工业界为什么需要CPS。大家都知道有个词叫“中等收入陷阱”，意思是当一个国家的人均收入达到中等水平后，由于不能顺利实现经济发展方式的转变，导致经济增长动力不足，最终出现经济停滞的一种状态。
简单的理解，就是说当一个国家从贫穷到中等发达的时候，他会面临一个坎。从世界银行的报告可以看出，仅有包括日本和韩国等少数国家成功跨过“中等收入陷阱”，而菲律宾、泰国，巴西、阿根廷以及墨西哥等国家，至今仍在“陷阱”里苦苦挣扎。
伴随劳动力成本逐步上涨、资源环境约束日益加剧、投资边际效率递减趋势日趋明显，尤其是在当下美德等西方国家高端制造业的回归和东南亚等国家低端制造业崛起的双重挤压下，我国以要素驱动和投资驱动的经济发展模式正处于越来越尴尬的地位。在当前世界经济复苏乏力的大环境下，如何实现经济的可持续发展才是避免或解决问题的根本。
在所有方针和战略的背后，都在传递着国家当前的迫切需求，即国家期望通过创新驱动，寻找到可持续发展的新经济增长点，来逐步摆脱以要素驱动和投资驱动的传统经济增长模式，平稳渡过“中等收入陷阱”时期，以便未来向更高的发达国家蓝图迈进。
早在1996年，世界经合组织组织在一份报告里面《基于知识的经济之中》，对于经济的发展是有一个清晰的阐述的，其明确将未来的经济定义为知识经济，即建立在知识的生产、分配和使用之上的经济。当我们人类发展到社会的各个阶段，如图所示，从自然经济到农业经济，到工业经济，再到现在的信息经济，其实在每个阶段，他的生产要素都是其中一个部分，在其中起到核心的作用，我们相对应就有农业化，机械化，信息化。
信息化到来的时候，我们常常说到的知识爆炸，其实不是知识爆炸，主要是由于互联网之后，我们信息传播的速度爆炸。比如某个明星发生了个什么事被狗仔拍到了，第二天全球人都知道了，这就属于信息爆炸，但实际上明星这事的发生跟互联网没关系，是实际个体自己做出来的，所以你会发现在信息经济当中，我们所有的知识形成还是人，但是传播在于互联网端，可以说我们更多的是在消费知识。
我们的很多系统，你会发现，所谓决策系统，一定不会缺少专家的知识库。而这知识库的来源，正是人的知识形成的，而知识经济的核心，是由物的智慧来取代人的智慧，来产生更多的新知识。因此信息经济在某种意义上来讲，是知识经济的初级阶段。
我们要想实现跨越式发展，也就是说信息经济向知识经济的转变，其核心的一个概念就是把知识作为生产要素，这是适应智能化时代创新发展的唯一的道路。
实际上从国外的经验发展来看，信息经济发展最快的毫无疑问是美国，克林顿时期提出互联网经济，即超越实体的虚拟经济，那段时期大量的互联网公司成长起来，大量的富翁出现。但是2008年经济危机爆发之后，发现必须要回归实体，出现了“再工业化”战略，CPS随即提出，也就是说美国在这么多年的实践中发现，实体经济必须和虚拟经济相结合。
而我国在2015年世界500强最赚钱50家公司和亏损最多50家公司的入围名单中不难看到，中国目前也是实体经济与虚拟经济冰火两重天的状态，这也是为什么我国正在大力推进两化融合的原因所在。
而从国外的发展我们知道，首先两化融合就是实体经济和虚拟经济如何更有效的结合起来，也就是说所谓的信息化和工业化的两化深度融合是帮助实现中国经济的可持续发展，也就是虚拟经济和实体经济的有效融合，而这是智能化革命与知识经济发展的重要手段。
再看中国的现状，中国既是制造大国，同时也是使用大国，大量的数据都在中国汇集。如果数据是新工业智能时代中价值创造的原材料，那么中国无疑是资源最多的国家。然而数据并不会直接创造价值，就好像对于一个企业而言是现金流而非固定资产决定企业的兴衰一样，真正为企业带来价值的不是数据流，是数据经过实时分析后及时地流向决策链的各个环节，或是成为面向客户创值服务的内容和依据。
中国应该利用好使用数据的资源，不断提升中国对装备的理解和使用能力，让世界向中国学习使用经验。同时，在过去几十年里，中国实质上一直在“可见的世界”中不断投入，形成了很大的存量；现在要考虑的并不是如何继续去投资增量，而是要考虑如何将存量的能力释放出来，这需要我们在“不可见世界”中去探索。
而作为工业领域转型的关键，在“不可见世界”探索的核心就在于发现不可见世界的可知化。这需要我们将工业视角转变为产业链视角来创造新的价值点，即：不再以设备使用端需求为起点，而是将用户端价值作为整个产业链的出发点；改变以往的工业价值链从生产端向消费端、上游向下游推动的模式，而是从客户端的价值需求出发提供客制化的产品和服务；从而，使整个产业链的各个环节实现协同优化。而发现不可见世界的可知化，就需要Cyber空间的力量。
2、CPS与工业智能
谈到这个，我们不妨换一个角度，从价值需求的角度去思考CPS的本质。虽然CPS是这些年才正式提出来的，其实，自从有了信息技术，实体空间与CYBER空间两大能力就在不断融合，并一直在深刻影响我们的生活。当CYBER空间释放了控制自动化能力，与实体空间融合，就诞生了自动控制，创造了巨大的价值空间和能力；
几十年后，CYBER空间信息传递的自动化能力又被挖掘和释放，与实体空间的融合，就诞生了信息化和互联网经济，创造出更为巨大的价值空间和能力。可以说，信息技术出现以来，物理（P）、赛博（C）、人体（P）的三体融合一直在发生。
而目前CPS的发展，在我们看来，正是处于“控制自动化-信息传递自动化-决策自动化（即智能化）”的第三个阶段。
可见，工业转型的价值需求决定了CPS新的要求，而现有的技术又恰好发展到可以逐渐满足CPS应用。因此，当CYBER空间这两种能力（控制自动化与信息传递自动化）被最大程度地释放，以及这两种能力与实体空间融合价值被充分利用时，我们希望释放CYBER空间的新的能力，并与实体空间如何融合，进而形成更大的价值与能力，是我们目前在研究CPS中应该关注的重点。
那么，CPS与工业智能到底有什么关系？这里，我们试图从“人的智慧”开始进行理解。我们将“物的智慧”与“人的智慧”进行类比，对应人的“感觉-记忆-思维-行为和语言”的过程：
1）物的感觉：自感知实体空间的对象、环境、活动，而非传统的被动接收，从而形成自感知层；
2）物的记忆：数据到信息的筛选、存储、融合、关联，而非传统的数据纪录，从而形成自记忆层；
3）物的思维：基础思维，即物的认知、以及物与环境与活动的关联、影响分析与趋势判断，从而形成自认知层；高级思维，即针对活动目标的协同优化与决策支持，而非穷举式的知识库，从而形成自决策层；
4）物的行为和语言：面向各类决策价值的应用，非传统的应激响应，从而形成自重构层。
可以说，CPS本质目的就是在于通过“自感知-自记忆-自认知-自决策-自重构”的核心能力，达成物的“赛博空间”与“实体空间”融合的人工智能体系，即实现“物的智慧”。
而在工业应用过程中， CPS对实体空间的装备、设施、资源和场景所构成的大数据环境进行采集、存储、建模、分析、挖掘、评估、预测、优化、协同等处理获得信息和知识，并与装备对象的设计、测试和运行性能表征相结合，产生与实体空间深度融合、实时交互、互相耦合、互相更新的Cyber空间，以实时数据驱动的镜像空间动态反映实体状态；
通过个体空间、群体空间、环境空间、活动空间与推演空间的建立，模拟个体之间、群体之间和与环境之间的关系，记录实体空间随时间的变化，并结合活动目标，可以对实体空间的活动进行模拟、评估、推演与预测，形成决策知识，构成完整的知识与知识发现体系，进而以Cyber空间知识的综合利用来指导实体空间的具体活动；最终，通过自优化、自认知、自重构以及自治和智能支持促进装备资产和产业服务的全面智能化。
由此，我们也试图来给出工业智能时代的CPS新组成与目标，即：希望在CYBER空间控制精准与信息流动高效这两大能力的基础上，进一步释放其分析、评估、优化和决策的能力（即决策自动化），与前两种能力一起，与实体空间相融合，实现物、赛博和人的紧耦合，这或许才是我们需要的CPS。
未来的CPS在我们看来，应该是以决策自动化的逐步形成，并与自动化、信息化相集成，构建PCP（物、赛博、人）新形态，形成一个新的价值空间。
而现代信息技术的发展，也使得这种三体智能成为了可能：首先，物联网（IOT）技术，通过智能感知、识别、普适计算等通信感知技术，使得我们的感知更加全面与动态、信息掌握更加多样与实时；
第二，大数据分析、云计算技术等，使得数据处理能力大幅增强，可将包括软硬件的一切资源、海量数据通过虚拟化和分布式等手段，进行高效获取、深度加工，并提高数据的可用性；
第三，以预诊断与健康管理（PHM）等为代表的专用工业数据分析技术，目的是实现对于工业体系控制和管理，尤其是装备的预测和健康管理；
第四，认知技术，认知学习的出现与逐步发展，使得我们对于实体空间状态的正确掌握、事物发展规律的客观了解，使个体的实时决策所需要的认知支持，成为可能！
由此可见，通过CPS，实现认知能力的提升，实现基于预测的决策，进而实现控制与管理能力的跃升，实际上也是CPS被各国关注的内在原因。
1、CPS的应用体系
首先，CPS是一个体系工程。CPS不能仅仅依靠个别装备和个别系统的升级改造，更需要一整套CPS技术体系在全产业链的广泛应用，是技术体系创新和应用体系创新的过程。
同时，CPS又是一个技术体系。在技术的应用过程中，应注重把握技术总体，如总体设计与验证平台、智能信息与集成平台等等，突破顶层的体系设计和底层的用户体验，充实中间的集成技术和核心技术，形成核心技术和核心竞争力。
总结而言，模式转型是前提，认知形成是关键，体系建立是保障，优化、协同是目标。由此，在CPS的体系应用中形成一个包含了智能装备、智能系统、智能社区的巨系统。
因此，CPS的应用模式也具有很强的体系化特征，包括实体空间、赛博空间、以及连接两者的交互接口。实体空间中包括了以装备、人、和环境为核心的产业要素，由设计者、生产者、和使用者三要素所构成的面向生产活动的产业链，和同样由这三要素构成的面向服务的价值链。
赛博空间中则包括了数据层、映射层、认知层、和服务层四个方面，分别对应实体空间中个各个要素的状态管理、关系管理、知识管理、和价值管理。
两者之间的交互接口包括部署在Edge端的智能软硬件，以及将实体系统进行连接并提供信息通道的工业互联网。从而实现了CPS的三个基本功能单元（感知控制单元、智能管理单元和认知环境）在各个层级和应用场景中即相互融合（外部价值）又彼此独立（内部功能）的体系，最终实现价值链的再创造和产业辆的互动与转型。
基于以上的分析，结合我们团队这些年的实践探索，我们试图给出一个在船舶领域的CPS体系应用解决方案案例，
即：结合我国海洋装备技术和应用特点，面向船舶工业的价值链各环节，我们首次研制以装备全寿命周期视情使用、视情管理和视情维护为核心、面向船舶与航运智能化的智能船舶运行与维护系统（Smart-vessel Operation and Maintenance System，简称SOMS），提供包括船载智能Agent硬件，模型化岸海通信网络、CPS认知系统、智能信息服务与集成平台、集成工业控制与管理软件等的一体化解决方案，打造“一硬”（感知与控制硬件）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业互联网）、“一云”（工业云和智能服务平台）的应用体系；
并进一步面向船队、船东和船舶产业链，分别设计了面向船舶（个体）、船队（群体）和产业链（社区）的应用解决方案，为整个船舶产业链提供面向环境的智能、面向状态的智能、面向集群的智能和面向任务的智能。
那么，第四部分，我以船舶为例，基于船舶产业链分析，来试图探究CPS的几个应用阶段，这里包括了CPS个体应用（智能船舶）、CPS群体应用（智能管理）、CPS社区应用（智慧海洋）三个应用阶段。
在我们的实践中，首先对于船舶产业链进行分析，不难看出：1）船舶产业链的各个环节，都有感知的需求、都有认知的需求、都有决策的需求、都有提升能力的需求；2）大家所有做的，都是独立的、单向的、割裂的；3）这种需求与现实的矛盾，造成了“数据-知识-能力-成本”的束缚。根据这些分析，我们提出了CPS个体应用（智能船舶）、CPS群体应用（智能管理）、CPS社区应用（智慧海洋）这三个层次的应用解决方案。
在“SOMS个体解决方案”的实践中，我们提出了基于CPS的船舶智能化解决方案，并在军民领域同步开展了实船应用实践：在与招商轮船开展的实船验证合作中，全球首个搭载定制版SOMS系统的远洋大型船舶 “明勇轮”自2015年起已累计运行超过10080小时，18个不同航段，航行数据5.79GB，其中健康管理和能效管理两大模块，实现了显著的油耗节省和“近零故障”(Near-Zero Breakdown）。在此基础上承担了工信部“智能船舶1.0”重大专项中“智能系统总体设计和船舶智能信息平台”、“设备运行与维护智能系统”等的研制任务，并作为智能系统总体牵头单位，设计船舶智能化解决方案，构建智能Agent，实现船舶智能化。
在该专项中，也给出了中国智能船舶的“三步走”目标：第一期（2017-2019年），开展总体设计、关键设备及系统开发，研制推出两型（四艘）智能示范船，实现船-船和船-岸互联和辅助决策；第二期（2019-2022年），突破智能控制等关键技术，实现部分自主操作和远程控制，减少船员配置的智能船舶的建造；第三期（2022-2026年），开展无人船舶总体研究和自主控制系统研制，实现无人自主船舶的建造。
在“SOMS群体解决方案”的实践中，我们针对船队这一船舶工业领域最典型的设备集群，设计了以5大空间（个体空间、群体空间、环境空间、活动空间、推演空间）为核心的智能服务云体系。
在“SOMS社区解决方案”的实践中：
针对船舶营运，以提升航运竞争力为目标，实现基于数据的全新智能营运模式，降低船东运营成本，提高船舶运营安全性；
针对设计建造，以提升造船竞争力为目标，实现基于营运数据的船舶设计建造迭代优化，满足船东的个性化需求；
针对船舶配套，以提升船舶配套能力为目标，为船舶配套提供集成应用和验证平台，推动我国船舶配套向智能化方向发展，增强船舶配套售后服务能力，抢占船舶配套新市场；
针对船舶检验，以提升船检效率为目标，开启基于数据的全新船舶检验模式，提升船检效率和服务质量，推动入级船舶数量提升；
针对港口物流，以提升港口物流能力为目标，打通船舶、港口、货物信息流，促进航运链整体高效衔接，推动港口物流的高效运营。由此，力图实现产业的融合，价值的创新。
在结语部分，我想引用一段话：军委科技委主任刘国治中将说，无论是个人还是社会都要主动去适应。“面对颠覆性技术，要抓紧研究，提前布局，抓住弯道超车的机遇。你不颠覆就要被颠覆！”他强调：“我们现在不知道、也不需要知道智能化的最终结果，我们不需要当预言家，要当实干家，要瞄准远处的山峰，扎实走好脚下每一步，奋力探索前行。”
最后我想说的是：君子和而不同，不同的探索过程，求同而存异，最终汇集统一；自主创新是一条充满艰辛的路程，需要坚韧、勇气和专注；创新需要包容，耐心！
【造奇智能产业新媒体】
国内第一家正式成立并开展运营的智能制造产业新媒体机构，聚焦工业4.0与智能制造时代的价值创造，以“深度影响智能制造进程，守望智能制造产业成长”为使命，联接产业企业、大学、研究机构、政府、资本等产业核心力量，通过创新和融合力量，提供深度观察、行业洞见、丰富资讯于一体的原创型、产业新媒体平台。
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