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对德国工业4.0、美国先进制造伙伴计划、中国制造2025的研究清华大学深圳研究生院物流与交通学部组员：严雪君李如月赵治杰指导教师：戚铭尧123第一章工业革命第二章信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem)第三章德国工业4.057第五章中国制造2025第六章德、美、中联系与区别第七章竞争与合作6目录4第四章美国先进制造伙伴计划4第八章总结ContentCHAPTERONE工业革命打开手机APP输入定制化信息厂家根据定制化数据生产生产线按照你的意志运行世界上仅此一款大多数人能负担得起的私人专属想象一下……Imagingthat···工业革命的发展历史制造工具社会分工2000年以前机械应用工厂出现工人阶级200年电气应用流水线出现专业管理层150年信息技术75年基于信息物理融合系统技术革新组织革新技术革新组织革新技术革新组织革新45年1.03.02.04.0德森德勒.《工业4.0》工业4.0研究院《大数据在工业4.0演进中的价值》.时间复杂程度2.0•电气化•自动化3.0•信息化•产品标准4.0•网络化•定制1.0•机械化•大规模工业革命联系工业革命的发展历史4.0跨越工厂的边界3.03.0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4.0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德森德勒.《工业4.0》工业4.0研究院《大数据在工业4.0演进中的价值》.CHAPTERTWO信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)物理信息系统CPS的定义战略发展CPS与物联网的关系特点和应用物理信息系统面临的挑战Cyber-PhysicalSystem体系结构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：HelenGillEdwardALEEICCPS官网ShankarSastryCPS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】。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】。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】。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】。CPS定义【1】BahetiR，GillH．Cyber-physicalsystems[J]．TheImpactofControlTechnology，2011：161—166．【2】IEEEReal—TimeSystemsSymposium[online][EB/OL]．http：//2014．rtss．org/，2014．【3】LeeE．ComputingFoundationsandPracticeforCyber-PhysicalSystems：aPreliminaryReport[R]．TechnicalReportUCB/EECS-2007—72，【4】SastryS．Networkedembeddedsystems：fromsensorwebstocyber-physicalsystems[M]．HybridSystems：ComputationandControl．SpringerBerlinHeidelberg，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2013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CPS2014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CPSCPS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2015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、执行器和分布式控制器【1】S1S2S3S4PhysicalSystema1a2a3Actuator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)C1C2C3DistributedControllerDistributedControllerDistributedControllerSensor物理传感层网络传输层分布控制层【1】LiRenfa，XieYong,LiRui,LiLang.SurveyofCyber-PhysicalSystems[J].JournalofComputerResearchandDevelopment.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432615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.2014.8CPS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。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。challenge基础分歧协同性安全性网络阻碍实时性计算机科学的离散性与物理世界的连续性协同分析与协同设计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的实时性与稳定性因为CPS的开放性，现有技术很难保证它的安全性系统设计与验证缺少时间语义异构性与复杂性导致开发时间增长，验证成本极大增加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】LiZuopeng,ZhangTianchi,ZhangJing.SurveyontheResearchofCyber-PhysicalSystems(CPS).ComputerScience.2011,38(9):27-29.CHAPTERTHREE德国工业4.0德国工业4.0的发展历程Industry4.0.《德国高技术战略》2006年《德国高技术创新战略2020》2010年德国举办的汉诺威工业博览会工业4.0概念问世2011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2013年2134德森德勒.《工业4.0》德国工业4.0的内容一个核心3大集成/关键技术/主题2重战略5个特征德国工业4.08项措施Industry4.0.一个核心“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》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”: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》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(InternetofThings,IoT)机器对机器（MachinetoMachine,M2M)各类应用软件(Applications)3大集成、关键技术、主题丁纯,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》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的网络基础设施和特定的网络服务质