对德国工业4.0、美国互联网工业、中国制造2025的研究

德、美、中联系与区别
德国工业4.0
第七章
竞争与合作
第四章
美国先进制造伙伴计划
第八章
总结
工业革命
CHAPTER ONE
想象一下……
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德森德勒.《工业4.0》
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
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】 。
用。
【1】“物联网”，百度百科
CPS的应用
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 这一发展目标的助推器。 智能化、精确化 智能手术室、智能检测人 体数据、智能调节人体健 康活动
健康 环境
社会
智能化、网络化、虚拟化
智能家居、智能工厂、VR
智能化、可视化
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
德国工业4.0的内容
Industry 4.0.
一个核心
2重战略
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3大集成/关键技术/主题
德国工业4.0
5个特征
8项措施
一个核心
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》
CPS的特点
由于CPS体系结构的复杂性，它具备以下几点特点
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
1
2
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
网络化
3C（computation、 communication、control）通过 网络连接起来
德国工业4.0
CHAPTER THREE
德森德勒.《工业4.0》
德国工业4.0的发展历程
Industry 4.0.
2006年
2011年
1
《德国高技术战略》
3
德国举办的汉诺威工业博览会 工业4.0概念问世
2
2010年
《德国高技术创新战略2020》
4 2013年 《保障德国制造业的未来：关于实施 “工业４．０”战略的建议》 “工业４．０”标准化路线图
工业革命的发展历史
复杂程度 3.0
工业4.0研究院《大数据在工业4.0演进中的价值》.
4.0
2.0
1.0
信息技术 社会分工 制造工具 电气应用 流水线出现 专业管理层
基于信息物理 融合系统
机械应用 工厂出现 工人阶级
2000年以前 200年 组织革新
时间 150年 组织革新 75年 技术革新 45年 组织革新
3
4
实时性
1.数据收集延时小 2.响应时间短
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
5
6
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。
【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
2.0 •电气化 •自动化
4.0
3.0 •信息化 •产品标准
全部设备通过中央控制系统来进行控制， 所有的信息能够被汇总分析，实现每个环 节与环节的互动，每一个设备的每一个动 作都是精确可知的
信息物理系统
（Cyber-Physical System)
CHAPTER TWO
物理信息系统
Cyber-Physical System
安全性
因为CPS的开放性，现有 技术很难保证它的安全性
【1】 Li Zuopeng,Zhang Tianchi,Zhang Jing. Survey on the Research of Cyber-Physical Systems(CPS).Computer Science.2011,38(9):27-29.
从计算科学与信息存储处理的层面出发，认为CPS集成了计算、通 信和存储能力，能实时、可靠、安全、稳定和高效地运行，是能监 控物理世界中各实体的网络化计算机系统【4】。
【1】Baheti R，Gill H．Cyber-physical systems[J]．The Impact of Control Technology，2011：161—166． 【2】IEEE Real—Time Systems Symposium[online][EB/OL]．http：//2014．rtss．org/，2014． 【3】Lee E．Computing Foundations and Practice for Cyber-Physical Systems：a Preliminary Report[R]．Technical Report UCB/EECS-2007—72， 【4】Sastry S．Networked embedded systems：from sensor webs to cyber-physical systems[M]．Hybrid Systems：Computation and Control．Springer Berlin Heidelberg，2007
物联网 (Internet of Things, IoT) 关注不同的生产阶段 实现信息共享
工程数字化 集成
技术革新
技术革新
德森德勒.《工业4.0》
工业革命的发展历史
工业4.0研究院《大数据在工业4.0演进中的价值》
3.0
1.0 •机械化 •大规模
3.0 相当于肯德基麦当劳门店全部机械化， 全程过程控制，任何一批不合格的产品， 都可以追溯到上游任何一个环节
工业革命 联系
4.0 •网络化 •定制
4.0跨越工厂的边界
【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
2015 2014 2013 2006
《美国竞争力计划》将 CPS列为重要的研究项 目，CPS概念正式提出 美国发布“AMP2.0”， 指出优先发展制造业中 的先进传感技术、控制 技术，虚拟化、信息化 和数字制造以及先进材 料制造，其技术核心依 然是CPS 中国政府正式发布“中 国制造2025”战略，力 争跻身制造强国行列， 其中CPS技术占据着举 足轻重的位置
C2
Distributed Controller
C3
Distributed Controller
【1】 Li Renfa，Xie Yong,Li Rui,Li Lang. Survey of Cyber-Physical Systems[J]. Journal of Computer Research and Development.2012,49(6):1149-1161
CPS与物联网
物联网
利用局部网络或互联网等通信技
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
CPS
海量运算是CPS接入设备的普遍 特征，因此，接入设备通常具有强大 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
CPS的应用——智能电网
火电
传统电网
输电
变电 配电
工业用电
水电 调度 双向信息流 火电
居民用电
智能电网
输电 可再生能源 智能调度 实时调度 变电 配电
工业用电 居民用电 风光储
水电
新能源
电动汽车 能量流 信息流
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。
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》
机器对机器 （Machine to Machine,M2M) 关注生产过程 在智能工厂内联网 生产的纵向 集成
对德国工业4.0、美国先进制造伙 伴计划、中国制造2025的研究
组员：严雪君 李如月 赵治杰 指导教师：戚铭尧
清华大学深圳研究生院
物流与交通学部
目录
Content
1
第一章
工业革命
5 6 7 4
第五章
中国制造2025
2
3 4
第二章 第三章
第六章
信息物理系统(Cyber-Physical System)
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 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】。
CPS的定义 CPS与物联网的关系
战略发展
物理信息系统
特点和应用
体系结构
面临的挑战
CPS定义
由于CPS涉及领域的广泛性，技术模型的复杂性，以及发展的迅速性，至今还没有比较完善的公认的定义，下面几个比较有代表性：
Helen Gill
CPS是融合计算与物理能力，能通过多种方式与人类进行互动的新一 代系统。与物理世界交互或者增大物理世界的能力是通过计算和通信 的方式，控制技术是实现新一代系统的核心【1】。
基础分歧
计算机科学的离散性与物 理世界的连续性
协同性
协同分析与协同设计
系统设计与验证
异构性与复杂性导致开发时间增长，验证 成本极大增加
缺少时间语义
challenge
要实现计算机与物理世界交互，不能 将时间抽象分离，而现有技术都隐藏 了时间属性，很难保证时间性能
网络阻碍实时性
现有网络存在各种复杂因 素，如：数据堵塞、延时、 丢包等，很难保证CPS的 实时性与稳定性
领先的供应商战略
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。
领先的市场战略
强调整个德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。
3大集成、关键技术、主题
2012
美国发布“先进制造业 国家战略计划”，将 CPS放在了未来工业发 展的战略层面
德国政府在汉诺威工业 博览会上正式推出“工 业4.0”战略，其技术核 心是CPS
CPS体系结构
CPS主要的组件有：传感器、执行器和分布式控制器【1】
Sensor
感知物理世界中的物理信息 转化为计算机可识别信息
Actuator
“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
2重战略
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》
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
S1 S2
a1
物理传感层
a2
a3
Physical System
S3
S4
网络传输层 分布控制层
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
Network(wired/wireless)
C1
Distributed Controller
ICCPS官网
计算及通信能力被嵌入到物理环境各种物体中，把这种联 接信息世界与物理世界的系统称之为信息物理系统【2】。
Edward A LEE
CPS定义
CPS是一系列计算进程和物理进程组件的紧密集成，通过计 算核心监控物理实体的运行，而物理实体又借助于网络和计 算组件实现对环境的感知和控制【3】。
Shankar Sastry