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CPS時代,工業人的互聯網環境生存指南



CPS,全稱信息物理系統( Cyber Physical Systems),是信息系統和物理系統的統一體,可以被看作升級版的物聯網。

【CPS與物聯網有什么不同?】它更強調數字世界對于物理世界的控制,CPS可以通過互聯網,以可靠并且安全的方式,實時和自治的操控一個物理實體和系統。CPS將使得數字世界不再僅僅是物理世界的虛擬映象,而將真正進化為人類社會的新疆界。

【CPS將為能源和工業領域帶來革命】對目前世界來說,互聯網革命喊得雖響,但歸根到底,互聯網其實還僅僅被當作一項工具,被廣泛利用于營銷和管理,而CPS將使互聯網同世界融合,未來人類社會就是一個MEGA CPS(超級CPS),互聯網思維將不再僅僅是營銷口號,而將成為我們看待世界的第一視角。未來CPS掀起的生產力革命將主要爆發在兩個基礎領域:能源和工業。CPS的人,機,物融合能力,能夠賦予人類在能源和工業領域能夠實現無所不在的信息監視和精確控制,真正實現人類對復雜系統的全面管理,而能源互聯網和工業4.0其實就是能源和工業同CPS深度融合的另一種表述。

【CPS時代的主題之一:融合】能源和工業內部價值鏈的互聯融合,能源和工業兩者互相的互聯融合,能源和工業同終端消費者的互聯融合,由此將衍生出與目前截然不同的商業模式,傳統的發電企業,輸電企業,制造企業將向數據企業轉型,并且繼續向系統解決方案型企業和平臺型企業演化,跨領域的整合也將頻繁出現。

未來 30年,中國、印度和其他發展中國家的數十億人將步入中產階級,這些朝氣蓬勃的新生代和西方年輕人沒有什么區別,同樣需要高樓大廈,需要購物中心,需要蘋果手機,需要汽車、牛排、空調、寵物、音樂會、海外旅行等等中產階級物質和精神需求。

不過地球養活今天的20億中產階級已經承受了巨大壓力,還怎么再承擔新增的幾十億中產階級消費需求? 是不是真的像奧巴馬曾經宣稱的“地球資源無法接受中國人像美國人一樣生活”?難道除了戰爭和計劃生育之外,人類真的無法解決人口增長和資源有限之間的矛盾?這種馬爾薩斯主義的論調看似正確,不過卻是站在靜止的角度去預測未來,忽略了一個重要維度:技術。

資源的短缺迫使人類采用新的技術,歷史上每一次重大技術突破都成功使生產力躍上一個新臺階,賦予更多人口有質量的生活,這些突破包括化肥,電力,抗生素,流水線等,而這次將是信息物理系統(cyber physical systems,簡稱CPS)把人類從馬爾薩斯陷阱拯救出來。

CPS:人、機、物融合全靠它

CPS是一個新的概念,2005年才由美國科學院提出,2008年之后,美國才將CPS作為國家戰略性發展方向予以重視。CPS是一個結合計算領域以及傳感器(Sensor)和致動器(Actuator)裝置的整合控制系統。包含了無處不在的環境感知、嵌入式系統、網絡通信和網絡控制等系統工程,使我們身邊的各種物體具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自組織功能,使計算能力與物理系統緊密結合與協調,在傳感器的幫助下,CPS接受并處理來自物理世界的大量數據,并將這些用于基于網絡的各種應用和服務中,最終會這些服務和應用會通過致動器反饋并影響實體世界。

目前已有某些領域出現似于CPS的電子控制綜合性系統,但目前這些系統通常都是嵌入式系統(Embedded System),嵌入式系統比較強調機器的計算能力,CPS則更為強調各個實體裝置和電腦運算網絡的融合,CPS是借用技術手段實現人的能力在時間、空間等方面的延伸,CPS的本質就是人、機、物的融合。簡而言之,現在我們身邊常見的物體都是沒有感覺,沒有靈魂,不會思考,不會合作的死物,但CPS使我們的物理系統成為了活物,不僅賦予了物體以感覺,還賦予了其思考能力和協作能力,物理世界和數字世界將合二為一,其意義甚至超過了哥倫布發現新大陸,將從空間上和時間上深刻的改變人類社會,從空間角度來說,CPS使得數字世界將不再僅僅是現實物理世界的映象,而將成為人類的新生存空間,這個空間遠遠超越了現實物理世界,超越了物理距離,沒有邊界,一切物體都以光速聯系彼此;從時間上來說,CPS使得現實物理世界的發展速度向數字世界靠近,人類社會的發展速度將呈指數級別增長,未來歷史學家回眸過去時將不再使用公元前和公元后來斷代,而將使用前CPS時代和后CPS時代來研究人類的歷史。

CPS,全稱信息物理系統( Cyber Physical Systems),是信息系統和物理系統的統一體,可以被看作升級版的物聯網。

【CPS與物聯網有什么不同?】它更強調數字世界對于物理世界的控制,CPS可以通過互聯網,以可靠并且安全的方式,實時和自治的操控一個物理實體和系統。CPS將使得數字世界不再僅僅是物理世界的虛擬映象,而將真正進化為人類社會的新疆界。

【CPS將為能源和工業領域帶來革命】對目前世界來說,互聯網革命喊得雖響,但歸根到底,互聯網其實還僅僅被當作一項工具,被廣泛利用于營銷和管理,而CPS將使互聯網同世界融合,未來人類社會就是一個MEGA CPS(超級CPS),互聯網思維將不再僅僅是營銷口號,而將成為我們看待世界的第一視角。未來CPS掀起的生產力革命將主要爆發在兩個基礎領域:能源和工業。CPS的人,機,物融合能力,能夠賦予人類在能源和工業領域能夠實現無所不在的信息監視和精確控制,真正實現人類對復雜系統的全面管理,而能源互聯網和工業4.0其實就是能源和工業同CPS深度融合的另一種表述。

【CPS時代的主題之一:融合】能源和工業內部價值鏈的互聯融合,能源和工業兩者互相的互聯融合,能源和工業同終端消費者的互聯融合,由此將衍生出與目前截然不同的商業模式,傳統的發電企業,輸電企業,制造企業將向數據企業轉型,并且繼續向系統解決方案型企業和平臺型企業演化,跨領域的整合也將頻繁出現。

未來 30年,中國、印度和其他發展中國家的數十億人將步入中產階級,這些朝氣蓬勃的新生代和西方年輕人沒有什么區別,同樣需要高樓大廈,需要購物中心,需要蘋果手機,需要汽車、牛排、空調、寵物、音樂會、海外旅行等等中產階級物質和精神需求。

不過地球養活今天的20億中產階級已經承受了巨大壓力,還怎么再承擔新增的幾十億中產階級消費需求? 是不是真的像奧巴馬曾經宣稱的“地球資源無法接受中國人像美國人一樣生活”?難道除了戰爭和計劃生育之外,人類真的無法解決人口增長和資源有限之間的矛盾?這種馬爾薩斯主義的論調看似正確,不過卻是站在靜止的角度去預測未來,忽略了一個重要維度:技術。

資源的短缺迫使人類采用新的技術,歷史上每一次重大技術突破都成功使生產力躍上一個新臺階,賦予更多人口有質量的生活,這些突破包括化肥,電力,抗生素,流水線等,而這次將是信息物理系統(cyber physical systems,簡稱CPS)把人類從馬爾薩斯陷阱拯救出來。

CPS:人、機、物融合全靠它

CPS是一個新的概念,2005年才由美國科學院提出,2008年之后,美國才將CPS作為國家戰略性發展方向予以重視。CPS是一個結合計算領域以及傳感器(Sensor)和致動器(Actuator)裝置的整合控制系統。包含了無處不在的環境感知、嵌入式系統、網絡通信和網絡控制等系統工程,使我們身邊的各種物體具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自組織功能,使計算能力與物理系統緊密結合與協調,在傳感器的幫助下,CPS接受并處理來自物理世界的大量數據,并將這些用于基于網絡的各種應用和服務中,最終會這些服務和應用會通過致動器反饋并影響實體世界。

目前已有某些領域出現似于CPS的電子控制綜合性系統,但目前這些系統通常都是嵌入式系統(Embedded System),嵌入式系統比較強調機器的計算能力,CPS則更為強調各個實體裝置和電腦運算網絡的融合,CPS是借用技術手段實現人的能力在時間、空間等方面的延伸,CPS的本質就是人、機、物的融合。簡而言之,現在我們身邊常見的物體都是沒有感覺,沒有靈魂,不會思考,不會合作的死物,但CPS使我們的物理系統成為了活物,不僅賦予了物體以感覺,還賦予了其思考能力和協作能力,物理世界和數字世界將合二為一,其意義甚至超過了哥倫布發現新大陸,將從空間上和時間上深刻的改變人類社會,從空間角度來說,CPS使得數字世界將不再僅僅是現實物理世界的映象,而將成為人類的新生存空間,這個空間遠遠超越了現實物理世界,超越了物理距離,沒有邊界,一切物體都以光速聯系彼此;從時間上來說,CPS使得現實物理世界的發展速度向數字世界靠近,人類社會的發展速度將呈指數級別增長,未來歷史學家回眸過去時將不再使用公元前和公元后來斷代,而將使用前CPS時代和后CPS時代來研究人類的歷史。

軟件的功能可以無限量地添加和升級,而硬件通常要花費很多費用和時間來保養和升級,因此大規模的“以軟代硬”其實就是以數字世界融化物理世界的過程,這種趨勢在Tesla電動車和智能手機上已經得到體現。在SIES中,軟件重要性遠遠超過硬件,因此SIES更加敏捷和靈活,可以按照客戶的特定需求和要求進行定制。在開發或使用的任何階段,都可以通過更新軟件來快速更新功能。此外,SIES的開發成本雖然可能相對于普通嵌入式系統有所增加,但產品生命周期成本卻可以大幅降低。在普通的硬件主導型系統中,硬件設計必須在產品開發過程的早期就確定下來,但軟件驅動的系統卻可以將靈活性保持到在用戶使用中。因此,隨著代碼數量保持成倍增加,我們每天使用的設備將變得越來越智能化。未來,在工業企業中,軟件工程師將比機械工程師更多,未來,軟件將定義世界。

這種由CPS所帶來的虛擬物理大融合將使人類的生活和生產更安全,更高效,更健康,更清潔,幫助人類社會解決很多目前物理系統無法解決的難題,比如人口老化帶來的養老問題,資源稀缺造成的物價上漲,交通擁堵帶來的效率損失,自然災害帶來的生產力損失,可再生能源不穩定造成的電價上漲等。一些早期的類CPS應用早已經進入我們的日常生活,并被我們天天使用。典型案例就是車載導航軟件,GPS系統為地球表面每一塊土地都提供了一個全新的、瞬時可知的虛擬映象,車輛既是行駛在物理世界的道路上,也穿行在數字世界中,在移動通信數據的幫助下,現在的導航軟件還能根據即時路況規劃最佳行駛路線。其他的常見類CPS應用還包括軌道交通控制系統,風電站遠程控制系統等。但CPS對人類世界最震撼的改造還并未降臨,CPS掀起的生產力革命將主要爆發在兩個基礎領域:能源和工業。CPS的人,機,物融合能力,使的人類在能源和工業領域能夠實現無所不在的信息監視和精確控制,真正實現人類對復雜系統的全面管理。

能源革命?沒了CPS才玩不轉呢

在能源領域中,如果我們能夠站在全球角度來看,人類的能源系統正處于巨變中。我們的電力供應模式正從可以隨時發電的常規大型集中式電源(核電,火電,大型水電)向不穩定,非集中,低能量密度的可再生能源系統轉變。由成熟應用向不成熟應用的變化難以避免會帶來陣痛,風能和太陽能不像火電核電一樣招之即來,揮之即去,可再生能源是一種氣候能源,瞬息即變的天氣隨時都在影響風能和太陽能的輸出。此外,電力消費因時間不同,季節和習慣不同而變化復雜,為了滿足這些時刻處于變化中的電力需求,電力供應量總是不得不超過電力需求量。除此以外,在你看不見的地方,還有很多發電機組正處于隨時待命狀態,以滿足突然出現的額外電力需求,這造成了巨大資源和效率浪費。由于以上原因,電力系統的調節空間正在從發電和用電兩端被前所未有的壓縮,這也對電力系統的調度和控制技術提出了更高的要求。在新的背景下,傳統技術和結構已經顯得力不從心,只有基于CPS的能源互聯網才能滿足新型電力系統的要求。

智能電網

目前被動的、弱信息化的、單向傳輸的、靜態的、封閉式的電網,將進化為市場導向的、服務化的、分布式和集中式相結合的、動態的,開放式系統。未來基于CPS的能源互聯網可以持續不斷監控每一戶家庭,每一輛電動車,每一個工廠,甚至每一臺用電器的電力消費數據和使用習慣,通過大數據分析來預測即期,短期,中期以及長期的電力消費。而在發電端和輸電端,基于CPS的能源互聯網,則可以通過微網技術,儲能技術和遠程輸電技術,大幅提升可再生能源的使用比例和使用效率,大幅降低因為不必要的冗余而造成的巨額浪費。

其實ICT技術在能源系統里面早已被廣泛應用,舉例來說,現在火電站已經能夠做到遠程控制,輸電網的運行情況在調度中心中能夠一目了然,配電網自動化也正在逐漸普及,帶有通信功能的智能變電站也正在日益推廣;光伏電站和風電站也能做到遠程智能控制,全球過億家庭已經安裝了智能電表,帶有通信功能的智能電器和智能汽車也越來越多;不僅電力,就連油氣開采和油氣管輸也在日益自動化和智能化,通信和控制已經成為能源電力系統的標準功能配置,但是目前這些系統還是一個個信息孤島,在孤島內,基于不同系統的CPS已經出現,但目前還缺乏一個能將消費者,生產者,經銷者,管理者和調度者,以及各種設備和服務都連接起來的網絡,這個網絡就是基于CPS的能源互聯網。

CPS能讓所有地方具備和德國一樣的工業升級的能力


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