1、from sensor webs to cyber-physical systemsMHybrid Systems：Computation and ControlSpringer Berlin Heidelberg，2007,物联网,CPS,利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化【1】。,海量运算是CPS接入设备的普遍特征，因此，接入设备通常
2、具有强大的计算能力。CPS是在物联网的基础上增加了物品的控制和自治能力，因此人与物、物与物之间可以实现协同作业，从而实现智能化、集约化等目标。二者都是以传感技术与计算技术为基础，事物之间的信息交互为核心，实现人与物和谐相处为目的【2】。物联网可看做CPS的一个简约应用。,CPS与物联网,CPS可看做物联网的升级，更加注重人的参与，增加了控制和自治能力,CPS,物联网,【1】“物联网”，百度百科,【2】“信息物理系统”，百度百科,CPS战略发展,各国以CPS技术为核心提出了相应的未来工业发展战略规划,CPS提出后，各国给予高度重视，先后提出相应发展战略,CPS体系结构,CPS主要的组件有：传感器
3、、执行器和分布式控制器【1】,S1,S2,S3,S4,PhysicalSystem,a1,a2,a3,Actuator接收控制器的执行信息，对物理对象的状态和行为进行调整以适应物理世界的动态变化,Network（wired/wireless）,C1,C2,C3,DistributedController,DistributedController,DistributedController,Sensor,物理传感层,网络传输层,分布控制层,【1】Li Renfa，Xie Yong,Li Rui,Li Lang.Survey of Cyber-Physical SystemsJ.Journal
4、of Computer Research and Development.2012,49（6）:1149-1161,感知物理世界中的物理信息转化为计算机可识别信息,处理过后以系统输出的形式反馈给执行器执行，智能化服务,4,3,2,6,1,5,全局虚拟、局部有形,网络集成与融合全局虚拟物理传感实现交互与协调局部有形,网络化,3C（computation、communication、control）通过网络连接起来,开放性,动态调整参与者的接入与退出，构造大规模异构系统的集合,异构性,不同类型的物理实体、计算部件、不同类型的网络技术、操作系统和计算模型等,实时性,1.数据收集延时小2.响应时间短,
5、安全性,由于CPS是信息世界与物理世界的高度融合，如果信息世界出现问题，则可能会给物理世界带来灾难性的后果。因此，安全性是CPS必须具备的特性。,CPS的特点,由于CPS体系结构的复杂性，它具备以下几点特点,【1】李伯宇，高飞，朱建平.信息物理系统研究与应用综述J.成都信息工程学院学报.2014.8,CPS的应用,健康,环境,社会,危险环境下的智能机器人作业、智能监控环境指标、智能化工业设备,智能家居、智能工厂、VR,智能手术室、智能检测人体数据、智能调节人体健康活动,智能化、可视化,智能化、精确化,智能化、网络化、虚拟化,未来的生活向着智能化、网络化方向发展，而CPS技术将是实现这一发展目标
6、的助推器。,CPS的应用智能电网,输电,变电,配电,火电,水电,调度,工业用电,居民用电,传统电网,输电,变电,配电,火电,水电,智能调度,工业用电,居民用电,新能源,风光储,电动汽车,双向信息流,智能电网,实时调度,可再生能源,CPS的应用生物与医疗系统,智能医疗,全国健康信息网络、电子病情记录仪、家庭护理、手术室等逐步被有硬件、软件组成的电脑系统控制，并且这种系统满足实时性和安全性。未来的医疗护理越来越依靠联网的医疗器械和系统，并且能够根据不同病人病情进行医疗设备的动态重组。未来的医疗设备和系统也拥有能与病人、看护人交互的能力。,CPS的应用无人驾驶,无人驾驶,无人驾驶汽车是通过车载传感系
7、统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。,CPS面临的挑战,与物理世界的深度融合以及系统的规模（时间与空间）与复杂性是CPS为计算机科学领域带来挑战的根本原因【1】。,【1】Li Zuopeng,Zhang Tianchi,Zhang Jing.Survey on the Research of Cyber-Physical Systems（CPS）.Computer Science.2011,38（9）:27-29.,CHAPTERTHREE,德国工业4.0
8、,德国工业4.0的发展历程,Industry 4.0.,德森德勒.工业4.0,德国工业4.0的内容,Industry 4.0.,一个核心,“智能网络化”,CPS系统,通过人工开发的软件系统进行数据处理与指令发送,构建智能工厂,生产过程的智能化以及方便人工实时控制,丁纯,李君扬德国“工业4.0”:内容、动因与前景及其启示乌尔里希森德勒工业40：即将来袭的第四次工业革命德国国家科学与工程院确保德国制造业的未来对实施“工业4.0”战略计划的建议,领先的供应商战略,领先的市场战略,关注生产领域，要求生产出具备“智能”与乐于“交流”的生产设备。注重吸引中小企业化身为“智能生产”设备的供应者。,强调整个德
9、国国内制造业市场的有效整合。通过高速互联网络实现快速的信息共享、最终达成有效的分工合作。生产工艺重新定义、进一步细化、专业化。,2重战略,丁纯,李君扬德国“工业4.0”:即将来袭的第四次工业革命德国国家科学与工程院确保德国制造业的未来对实施“工业4.0”战略计划的建议,生产的纵向集成,工程数字化集成,制造业的横向集成,关注不同的生产阶段实现信息共享,全社会网络价值的实现,关注生产过程在智能工厂内联网,物联网（Internet of Things,IoT）,机器对机器（Machine to Machine,M2M）,各类应用软件（Applications）,3大集成、关键技术、主题,丁纯,李君扬
10、德国“工业4.0”:即将来袭的第四次工业革命德国国家科学与工程院确保德国制造业的未来对实施“工业4.0”战略计划的建议,3大集成、关键技术、主题,主题一,主题二,主题三,智能工厂,智能生产,重点研究智能化生产系统及过程网络化分布式生产设施的实现,涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者,互联网、物联网、物流网，整合物流资源充分发挥现有物流资源供应方的效率需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持,智能物流,百度百科,前景特征,良好的网络设施和服务,社会-技术互动,灵活应对需求变化,员工创新性,通过进一步拓展相关
11、的网络基础设施和特定 的网络服务质量。满足那些具有高带宽需求的数据密集型应用满足那些提供运行时间保障的服务供应商,循环网络生产资源具有自主性、可自我调节、配置以应对同形势端对端数字与物质的完美结合,企业员工可以根据形势和环境敏感的目 标来控制、调节和配置智能制造资源网 络和生产步骤员工将从执行例行任务中解脱出来，使 他们能够专注于创新性和高附加值的生 产活动,特殊产品特性需求的客户直接参与到产 品生命周期的各个阶段临时的需求变化，可立即使之变为可能,智能产品可识别性,整个制造过程中的细节半自主地控制它们生产的各个阶段工作范围内发挥最佳作用整个生命周期内随时确认自身的损耗程度,5个特征,机械工业
12、信息研究院战略与规化研究所德国工业4.0战略计划实施建议（摘编）,6,2,5,8,1,4,技术标准化和开放标准的参考体系,建立模型来管理复杂的系统,建立安全保障机制,创新工作的组织和设计方式,注重培训和持续的职业发展,提升资源效率,8大措施,7,健全规章制度,3,提供一套综合的工业宽带基础设施,丁纯,李君扬德国“工业4.0”:即将来袭的第四次工业革命德国国家科学与工程院确保德国制造业的未来对实施“工业4.0”战略计划的建议,工业战略4.0,8大措施,技术标准化和开放标准的参考体系,制定合作机制确定可被交换的信息,适用所有合作企业的产品和服务最常规的解决方案,公开完整的技术说明资料,有助于网络普
13、及各方参与,工业战略4.0,8大措施,建立模型来管理复杂的系统,跨企业,多学科,不同地点,合作,8大措施,其他六大措施.,德国工业4.0的动因,Industry 4.0,有利因素,不利因素,外部机遇,外部挑战,历史上多次直面技术进步的挑战并成功完成转型实体经济发达提供动力及奠定基础良好的教育体制与发达的科研能力,研发投入有待加强科技强大的背后基础科研的短板亟待补齐欧盟经济增长迟缓，德国经济更是萎缩,短期内面临出口下滑，低增长与高失业并存中期内感受产业升级压力长期面对双重竞争压力，发达国家，新型经济体,科学应用技术的进步，3打印技术、物联网等全球物联网行业的终端设备的高利润信息技术与制造业结合的
14、趋势,CHAPTERFOUR,美国先进制造伙伴计划（Advanced Manufacturing Partnership）,AMP背景,由于美国信息产业的发展、人力成本的提高、服务业的兴起等因素导致产业格局的变化，传统制造业持续衰退，被称为去工业化,近几年的金融危机使美国意识到虚拟经济带来的弊端和传统制造业的重要性,美国于2012年启动的“先进制造业国家战略计划”中，被称为“再工业化”，旨在鼓励创新，利用信息技术重塑工业格局,AMP的发展,保障美国在先进制造业的领导地位-2011,获取先进制造业国内竞争优势-2012,加速美国先进制造业-2014,三大支柱,未来制造业将迎来智能化、网络化、互联
15、化，技术创新是实现未来制造的助推器；美国要保持制造业领导者地位必须依赖创新才可以实现，,人才历来是保障国家具有创新能力的关键要素，而美国的国情存在优秀人才不愿意进入制造业的弊端，因此保证人才输送将是实现工业创新的关键,美国市场是一个充满竞争的管理资本主义市场，美国一直以本国的市场化的商业环境而感到骄傲，为保证未来的美国制造，自然会格外重视商业环境的改善,2,4,5,1,制定国家先进制造业战略,增加优先的跨领域技术的研发投资,3,6,建立国家制造创新研究院网络,促进产业界和大学合作进行先进制造业方面的研究,建立促进先进制造业技术商业化的环境,建立国家先进制造业门户,AMP三大支柱加快创新,2,4
16、,5,1,改变公众对制造业的错误观念,利用退伍军人人才库,3,6,投资社区大学水平的教育,发展伙伴关系提供技能认证,加强先进制造业的大学项目,推出关键制造业奖学金和实习计划,AMP三大支柱确保人才输送,1,3,颁布税收改革,2,4,合理化监管政策,完善贸易政策,更新能源政策,AMP三大支柱改善商业环境,AMP战略三大优先领域,AMP战略三大优先领域,CHAPTERFIVE,中国制造2025,中国制造2025,从”制造大国向制造强国迈进”,“中国制造2025“是中国政府实施制造强国战略的第一个十年的行动纲领，其根本目标在于改变中国制造业“大而不强”的局面，通过10年的努力，使中国迈入制造强国行列
17、，为到2045年将中国建成具有全球引领和影响力的制造强国奠定坚实基础。,指导思想,创新驱动 质量为先绿色发展 结构优化人才为本,基本原则,市场主导，政府引导 立足当前，着眼长远整体推进，重点脱坡自主发展，开放合作,Globalmanufacturing industry,Chinas economic environment,Strong Manufacture Country,各方面的需求对制造业提出更高的要求我国经济发展进入新常态，调整结构，转型升级刻不容缓,我国已具备了建设工业强国的基础和条件建设制造强国，必须紧紧抓住当前难得的战略机遇,新一代信息技术与制造业深度融合发达国家“再工业化”
18、发展中国家扩展国际市场空间,我国经济发展环境发生巨大变化,建设制造强国任务艰巨而紧迫,发展形势与环境,从”制造大国向制造强国迈进”,全球制造业格局面临巨大调整,制造业现状,从”制造大国向制造强国迈进”,存在问题自主创新能力差产业结构不合理产品质量低，缺乏世界品牌能源利用率低，环境污染严重核心技术和高端装备对外依存度高,优点制造业规模大，种类全拥有完整的供应链条,中国制造2025的内容,一个目标,五大工程,中国制造2025,十大重点发展领域,两化融合,四项基本原则,五大指导方针,三步走战略,“一个“目标从制造业大国向制造业强国转变,“两化”融合通过信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业
19、的发展，这也是我国制造业所要占据的一个制高点,中国制造2025,从”制造大国向制造强国迈进”,中国制造2025“三步走”战略,从”制造大国向制造强国迈进”,01,03,04,02,坚持制造业发展全国一盘棋和分类指导相结合，统筹规划，合理布局，明确创新发展方向，促进军民融合深度发展，加快推动制造业整体水平提升。围绕经济社会发展和国家安全重大需求，整合资源，突出重点，实施若干重大工程，实现率先突破。,在关系国计民生和产业安全的基础性、战略性、全局性领域，着力掌握关键核心技术，完善产业链条，形成自主发展能力。继续扩大开放，积极利用全球资源和市场，加强产业全球布局和国际交流合作，形成新的比较优势，提升
20、制造业开放发展水平,全面深化改革，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，强化企业主体地位，激发企业活力和创造力。积极转变政府职能，加强 战 略研究和规划引导，完 善相关支持政策，为企业发展创造 良好环境。,针对制约制 造业发展的瓶颈和薄弱环节，加快转 型升 级和提质增效，切实提高制造业的核心竞争力和可持续发展能力。准确把握新 一 轮科技革命和 产业变革趋势，加强战略谋划和前瞻部署，扎扎实实打基础，在未来竞争中占据制高点。,自主发展，开放合作,整体推进，重点突破,立足当前，着眼长远,市场主导，政府引导,中国制造2025四项基本原则,从”制造大国向制造强国迈进”,1,2,4,创新驱动,绿色发展,质
21、量为先,结构优化,坚持把创新摆在制造业发展全局的核心位置，完善有利于创新的制度环境，推动跨领域跨行业协同创新，突破一批重点领域关键共性技术，促进制造业数字化网络化智能化，走创新驱动的发展道路。,坚持把可持续发展作为建设制造强国的重要着力点，加强节能环保技术、工 艺、装备推广应用，全面推行清洁生产。,坚持把质量作为建设制造强国的生命线，强化企业质量主体责任，加强质量技术攻关、自主品牌培育。建设法规标准体系、质量监管体系、先进质量文化，营造诚信经营的 市场环境，走以质取胜的发展道路。,坚持把结构调整作为建设制 造强国的关键环节，大力发 展先进制造业，改造提升传统产业，推动生产型制造向 服务型制造变
22、。,3,人才为本,坚持把人才作为建设制造强国的根本，建立健全科学合理的选人、用人、育人机制，加快培养制造业发展急需的各种人才，走人才引领的发展道路。,5,中国制造2025五大基本方针,从”制造大国向制造强国迈进”,1,2,3,4,5,制造业创新中心建设工程,重点开展行业基础 和共性关键技术研 发、成果产业化、人才培训等工作；2020年建成15家，2015年建成40家制造业创新中心,智能制造工程,开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用；建立智能制造标准体系和信息安全保障 系统等,工业强基工程,以关键基础材料、核心基础零部件（元器件）、先进基础工艺、产业技术基础为发展重点,绿色制造工
23、程,组织实施传统制造业能效提升、清洁生产、节水治污等专项技术改造；制定绿色产品，绿色工厂，绿色企业标准体系,高端装备创新工程,组织实施大型飞机、航空发动机、智能电网、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程.,中国制造2025五大工程,从”制造大国向制造强国迈进”,中国制造2025九项战略任务,从”制造大国向制造强国迈进”,中国制造2025十大重点领域,从”制造大国向制造强国迈进”,工业2.0,工业3.0,工业4.0,80%,50%,25%,从“中国制造2025”的内容可以看出，我国现阶段要做到的事情就是工业“2.0补课”，“3.0普及”，“4.0示范”，着力进行产业转型，结构升级，解决创
24、新能力、产品质量和品牌、工业基础等问题，同时要紧跟工业4.0智能化和网络化的发展趋势。,中国制造2025,从”制造大国向制造强国迈进”,CHAPTERSIX,德、美、中的联系与区别,工业4.0,中国制造2025,先进制造伙伴计划,Industry 4.0,Made in China 2025,Advanced Manufacturing Partnership,德、美、中联系与区别,The Connection and Differences,在国际、国内产业形势研判后作出的决策，均指向先进制造业,都注重CPS技术在未来工业发展中的核心地位，在信息化、智能化、网络化、全局化等方面投入大量人力物
25、力进行创新研究,德、美、中的相同点,The Connection,目标,技术,李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示J.中国地质大学学报:社会科学版,2015,15（5）:71-79.,推动解决全球所面临的资源短缺、能源利用效率及人口变化等问题（更微观、具体、更多关注制造的产品、过程、模式）,注重利用大数据与信息技术进行工业格局的重塑，实现先进制造业的创新，开拓新产业，引领全球制造业走向。,德、美、中的不同点,The Difference,愿景对比,中国制造业创新能力和信息化水平大幅度提升、制造业结构优化、产品质量显著提高，著名品牌显著增多（更宏观、抽象，关注制造技术、制
26、造业结构、制造水平）,李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示J.中国地质大学学报:71-79.,保证制造业的领先地位,实现在未来新的制造业中的领导地位,德、美、中的不同点,The Difference,目标对比,跻身世界制造强国行列,技术领域与行动路径对比,德、美、中的不同点,The Difference,李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示J.中国地质大学学报:71-79.,中美德战略差异的原因分析,美国：信息产业与先进制造独占鳌头，传统制造业被忽视，希望通过信息技术重塑工业格局,德国：机械和装备制造业的自动化水平全球领先，占据全球信息技术额显著
27、地位-要保住领先地位，引领全球制造业的发展,中国：自主创新能力不强，关键技术或核心技术缺乏，产业结构不合理，生产性服务业发展滞后，希望通过战略规划跻身制造强国行列,美国：创新、实用、自由,德国：认真、守纪、严谨,中国：中华民族的伟大复兴,制造业发展程度,民族精神,CHAPTERSEVEN,工业4.0下德、中、美竞争与合作,工业4.0下德、中、美竞争与合作,未来的世界格局,不会轻易动武,需要一边合作一边竞争,所有的成果都将服务于人类,水木然工业4.0大革命,工业4.0下德、中、美竞争与合作,借鉴德国产业发展政策的制定构建两国间产业技术联盟，加强技术合作加强中德企业合作加大人才的培养交流和引进夯实
28、完善两国高层互访机制,技术壁垒成本优势,需要跨国合作的产业在互补性领域,制造业新兴产业的竞争，冷战思维贸易摩擦和贸易壁垒,杨长湧美国重振制造业战略对我国可能的影响及我国的对策研究裴长洪,于燕.德国“工业4.0”与中德制造业合作新发展蒋钦云我国战略性新兴产业规划与美国重振制造业框架比较研究,CHAPTEREIGHT,总结,总结,1 机械工业信息研究院战略与规化研究所.德国工业4.0战略计划实施建议（摘编）J.世界制造技术与装备市场,2014（3）:42-48.2 德森德勒.工业4.0M.机械工业出版社,2014.3 丁纯,李君扬.德国“工业4.0”:内容、动因与前景及其启示J.德国研究,2014
29、,v.29;No.112（04）:49-66.4 工业4.0（第四次工业革命）_百度百科EB/OL.http:/确保德国制造业的未来对实施“工业4.0”战略计划的建议（德国国家科学与工程院（acatech）6 李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示J.中国地质大学学报:71-79.7中国、美国、德国在工业领域打起来后，中国优势的全面解析EB/OL.http:/www.gdiot.org/font/font!getNewsById.action?id=1248.8 工业4.0（第四次工业革命）_百度百科EB/OL.http:/,参考文献,10 Baheti R，Gill HCyber-physical systemsJThe Impact of Control Technology，2011：16116611 IEEE RealTime Systems SymposiumonlineEB/OLhttp：/2014rtssorg/，201412 Lee EComputing Foundatio
