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CPS时代,工业人的互联网环境生存指南



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。

【CPS与物联网有什么不同?】它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将为能源和工业领域带来革命】对目前世界来说,互联网革命喊得虽响,但归根到底,互联网其实还仅仅被当作一项工具,被广泛利用于营销和管理,而CPS将使互联网同世界融合,未来人类社会就是一个MEGA CPS(超级CPS),互联网思维将不再仅仅是营销口号,而将成为我们看待世界的第一视角。未来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,能够赋予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,而能源互联网和工业4.0其实就是能源和工业同CPS深度融合的另一种表述。

【CPS时代的主题之一:融合】能源和工业内部价值链的互联融合,能源和工业两者互相的互联融合,能源和工业同终端消费者的互联融合,由此将衍生出与目前截然不同的商业模式,传统的发电企业,输电企业,制造企业将向数据企业转型,并且继续向系统解决方案型企业和平台型企业演化,跨领域的整合也将频繁出现。

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。

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。

【CPS与物联网有什么不同?】它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将为能源和工业领域带来革命】对目前世界来说,互联网革命喊得虽响,但归根到底,互联网其实还仅仅被当作一项工具,被广泛利用于营销和管理,而CPS将使互联网同世界融合,未来人类社会就是一个MEGA CPS(超级CPS),互联网思维将不再仅仅是营销口号,而将成为我们看待世界的第一视角。未来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,能够赋予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,而能源互联网和工业4。0其实就是能源和工业同CPS深度融合的另一种表述。

【CPS时代的主题之一:融合】能源和工业内部价值链的互联融合,能源和工业两者互相的互联融合,能源和工业同终端消费者的互联融合,由此将衍生出与目前截然不同的商业模式,传统的发电企业,输电企业,制造企业将向数据企业转型,并且继续向系统解决方案型企业和平台型企业演化,跨领域的整合也将频繁出现。

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。

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


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