德國人提出的工業(yè)4.0中，CPS居核心地位。它是賽博物理系統(tǒng)的縮寫。CPS是一個包含計算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使賽博空間以遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時、安全、智能化、協(xié)作的方式操控一個物理實(shí)體。因此，國內(nèi)理在把它簡單地譯成“信息物理系統(tǒng)”是極不準(zhǔn)確。本文將論述它內(nèi)涵的沿革。
深度解讀工業(yè)4.0核心信息物理融合系統(tǒng)CPS
需我們注意的是，CPS是智能制造系統(tǒng)的骨干與支撐，即是如此，智能的含義比CPS要豐富得多。智能是人類一種深刻的本質(zhì)，而CPS則不過人的智能在制造領(lǐng)域中的實(shí)現(xiàn)載體，它的出現(xiàn)，是人類智能的革命與外化。
誠如筆者參與撰寫的《三體智能革命》所闡述的那樣：智能本質(zhì)是一切生命系統(tǒng)對自然規(guī)律的感應(yīng)、認(rèn)知與運(yùn)用。人造系統(tǒng)是具有相互聯(lián)接的元件和運(yùn)作所組成的實(shí)現(xiàn)某種功能的事物的集合。元件由各種人造物理材料或天然材料制成，運(yùn)作由人根據(jù)需求來設(shè)定。
任何人造系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的某種功能而構(gòu)建的，目的是服務(wù)于人，滿足人的需求和意愿。遂人愿，知人意，是一個智能系統(tǒng)必須遵循和滿足的另一個基本原則。
而人造智能是人造系統(tǒng)所具有的一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。如果人造系統(tǒng)能夠像人一樣具有一定的認(rèn)知能力，即有感知、會分析、自決策、善動作，并且在分析與決策過程中善于運(yùn)用知識，同時學(xué)習(xí)、積累乃至創(chuàng)造知識，就稱其具有某種人造智能。本書定義的人造智能，包含了所有由人開發(fā)和建立的人造系統(tǒng)的智能，例如人工智能、認(rèn)知計算、黑暗森林、互聯(lián)網(wǎng)大腦等。
某國內(nèi)百科網(wǎng)站介紹：從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結(jié)果就產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達(dá)過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”。而某國外百科網(wǎng)站則指出：智能一種非常普遍的心智能力，除其他事項(xiàng)外，涉及到推理、規(guī)劃、解決問題、抽象思維、理解復(fù)雜的思想、快速學(xué)習(xí)和從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的認(rèn)知能力。中外兩個權(quán)威內(nèi)容網(wǎng)站給出的結(jié)論非常類似。默認(rèn)的事情是，它們所說的智能，都是指人的智能，而非人造系統(tǒng)的智能。人類在幾十萬年不斷的勞動進(jìn)化過程中，在對自然界持續(xù)的認(rèn)知過程中，已經(jīng)發(fā)展出了發(fā)達(dá)的大腦，具有了與生俱來的智能，處于了地球生物鏈的頂端。我們把人所具有的智能叫作人類智能。
具有不同程度人造智能的系統(tǒng)都可以稱之為智能系統(tǒng)。諸如智能制造、智能生產(chǎn)、智能設(shè)備、智能產(chǎn)品、智能材料、智能工藝、智能家居、智能硬件等“智能XX”，都屬于智能系統(tǒng)中的一個子集。
《三體智能革命》提出，一個開放的智能系統(tǒng)必備五個特征：狀態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升。這可以看作是作者的二十字箴言。因此，一個完整的智能系統(tǒng)：始于感知，精于計算，巧于決策，勤于執(zhí)行，善于學(xué)習(xí)。
在論述CPS前，說了這么多“智能”的特征，似乎有些跑題。然而我們必須明白，智能才是人的本質(zhì)力量，而CPS只不過是它的一種形式。智能才是本源，CPS則是它的最新實(shí)現(xiàn)形式。
限于篇幅，本文未能對CPS展開深入全面的論述。如果想真正了解CPS的精義，閱讀《三體智能革命》是一件繞不過去的事情。
CPS的沿革
在全球范圍內(nèi)，無論是德國工業(yè)4.0，還是美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以及“中國制造2025”等等提法很多；盡管各不相同，但是相同的提法是智能制造和CPS，我們就來分析解剖這兩個名詞。而談到智能制造體系，CPS是一個始終無法回避的概念。現(xiàn)在國內(nèi)把CPS譯成“信息管理系統(tǒng)”，這種譯法雖然簡易，但并不確切，因其沒有對Cyber進(jìn)行認(rèn)真的分析和正確的理解。
1926尼古拉·特斯拉在“遠(yuǎn)程自動化”中講到：“當(dāng)無線被完美應(yīng)用時，我們的地球?qū)兂梢粋�大腦，事實(shí)上就是通過儀器我們能實(shí)現(xiàn)一些驚人的事情就如同像現(xiàn)在我們使用電話一樣，比如一個人可以將任何東西放在他的口袋里。”
1948諾伯特·維納“控制論”中援引了希臘語單詞“Kubernetes”，“Kubernetes”其原意是“萬能的神”，因?yàn)橄ＥD是航海大國，不可預(yù)測的海上風(fēng)浪經(jīng)常會引起翻船事故，為保佑船只和人的安全，古希臘人引用“萬能的神”這個詞作為舵手）。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了“Cybernetics”詞，意思為控制。
1961年，美國人查爾斯·德雷珀研制的“阿波羅制導(dǎo)計算機(jī)”是世界是第一個嵌入式系統(tǒng)。1967年，美國國防部預(yù)研局在連接幾臺不同的大型計算機(jī)，開發(fā)通訊協(xié)議時提出了“賽博空間”的概念，它是國際互聯(lián)網(wǎng)的前身。1988美國人馬克·威瑟提出“無處不在的計算”。上世紀(jì)90年代初國際互聯(lián)網(wǎng)的快速普及；到1999年艾什頓·凱文提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念。
因此，上世紀(jì)九十年代后的很長一段時間內(nèi)，Cyper又被稱作3C（控制、通信、計算）�，F(xiàn)在Cybe常作為前綴，代表與Internet或電腦相關(guān)的事物，即采用電子或計算機(jī)進(jìn)行的控制。
溯本求源，Cyber實(shí)質(zhì)是一種實(shí)現(xiàn)控制的特殊結(jié)構(gòu)，是藉由信息，來控制物質(zhì)、能量和信息。而“信息”只是被控制載體，并不是控制結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制。因此，把Cybery譯成“信息”，顯然是已經(jīng)偏離它真正的指向。就像我們提起足球運(yùn)動，不能把它簡單地理解為那個黑白相間的球體，而必須把它理解為基于一種特定規(guī)則基礎(chǔ)上的球類運(yùn)動。
因此，筆者認(rèn)為現(xiàn)代的Cyber應(yīng)該有五個含義：控制、通訊、協(xié)同、眾創(chuàng)、虛擬；而這五個含義中都包含了計算。全面而準(zhǔn)確也理解這五個含義，對CPS才可以形成全面而深刻的認(rèn)知，并在理解它的基礎(chǔ)上實(shí)施智能制造，才不會出現(xiàn)偏差。
國外對CPS的理解
由于太空探索經(jīng)常需要派無人飛行器執(zhí)行各種危險的太空任務(wù)，因此NASA在1992年率先提出并定義了CPS的概念。其后這個概念因?yàn)橐粋�危機(jī)事件而被美國政府高度重視。
1993年，數(shù)百名美國特種部隊(duì)在索馬里首都摩加迪沙的軍事行動中被數(shù)千名索馬里民兵圍攻，結(jié)果造成19名美軍死亡，73人受傷，事后索馬里民兵將美軍士兵尸體吊在橋上向全世界展示。該事件極大地刺激了美國民眾和美國政府。
由于CPS技術(shù)可以讓士兵在安全的軍事基地中遠(yuǎn)程控制各種武器裝備執(zhí)行危險的作戰(zhàn)任務(wù)，從而大大降低部隊(duì)的傷亡，因此很快引起美國國防部的重視。2006年美國國家自然科學(xué)基金會的海倫、吉爾把CPS（賽博物理系統(tǒng)）定義為：“賽博物理系統(tǒng)是在物理、生物和工程系統(tǒng)中，其操作是相互協(xié)調(diào)的、互相監(jiān)控的和由計算核心控制著每一個聯(lián)網(wǎng)的組件，計算被深深嵌入每一個物理成分，甚至可能進(jìn)入材料，這個計算的核心是一個嵌入式系統(tǒng)，通常需要實(shí)時響應(yīng)，并且一般是分布的。”
在美國國防部的推動下，美國將CPS技術(shù)從太空探索引入到軍事領(lǐng)域，其無人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在軍事基地控制數(shù)千公里外的無人機(jī)，對目標(biāo)進(jìn)行偵察、打擊，很大程度上得益于美國無人機(jī)系統(tǒng)利用CPS技術(shù)隨時獲取了所需要的地空信息，在軍事基地的控制端就可以對無人機(jī)偵察、打擊所需要的各種要素進(jìn)行評估，并進(jìn)行了數(shù)字化的展示，這就是CPS在軍事領(lǐng)域的具體應(yīng)用成果。
2005年5月，美國國會要求美國科學(xué)院評估美國的技術(shù)競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項(xiàng)研究的報告《站在風(fēng)暴之上》問世。
在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計劃》則將賽博物理系統(tǒng)列為重要的研究項(xiàng)目。2006年美國國家自然科學(xué)基金會將CPS技術(shù)列為其重要研究項(xiàng)目開展研究。
到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、高端計算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、NIT與社會科學(xué)。歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進(jìn)研究與技術(shù)上投入54億歐元（逾70億美元），以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。
應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域
從上面的CPS歷史回顧我們可以看出，CPS是因?yàn)榭刂贫d起，由于計算而發(fā)展壯大，借助互聯(lián)網(wǎng)而普及應(yīng)用。飛機(jī)，特別是無人機(jī)（很多場合叫做空中機(jī)器人），就是CPS應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。
無人飛機(jī)具有非常完整、強(qiáng)大的基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)；是一個具有高度智能的產(chǎn)品。飛機(jī)上安裝了大量計算機(jī)之后，每臺計算機(jī)各司其職，隨時處理大量的內(nèi)部和外部信息，對外部信息如：機(jī)場塔臺指揮、地面風(fēng)速、航線、導(dǎo)航、氣像、高度、空速、到達(dá)目的地的時間，內(nèi)部信息如：飛機(jī)質(zhì)量質(zhì)心變化、飛機(jī)的機(jī)翼機(jī)身溫度和積冰、各個系統(tǒng)工作情況、發(fā)動機(jī)燃油消耗、溫度火災(zāi)巡檢報警等作實(shí)時監(jiān)測；這些都是狀態(tài)感知，當(dāng)把數(shù)以千計的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集送到計算機(jī)后，可以按照設(shè)定好的算法進(jìn)行實(shí)時的綜合分析計算，給出最優(yōu)的飛行數(shù)據(jù)（這是機(jī)器自主決策），通過賽博系統(tǒng)反饋給飛機(jī)的各個飛控設(shè)備（這是機(jī)器精準(zhǔn)執(zhí)行），控制飛機(jī)的空中姿態(tài)始終處于最好的狀態(tài)；與此同時，綜合后的信息發(fā)送給地面的飛行控制人員，在飛行控制人員面前的大屏幕液晶顯示器上展現(xiàn)，特殊情況或者緊急情況直接由飛行控制人員直接介入，由人工直接決策。
這樣，以前無人機(jī)飛行全部靠地面飛行控制人員完成的工作，現(xiàn)在已經(jīng)基本上靠計算機(jī)完成了，而且這個過程不斷演變，人的工作越來越少，越來越輕松。在飛機(jī)上強(qiáng)大的計算機(jī)的支持下，飛機(jī)達(dá)到了高度智能的狀態(tài)，計算機(jī)可以瞬間完成飛行員無法在短時間內(nèi)完成的計算工作，讓飛機(jī)更加安全可靠。
回到我們智能制造系統(tǒng)中來，CPS內(nèi)容博大精深，它大到包括整個工業(yè)體系，小到一個簡單的PLC控制器，這些是一切智能系統(tǒng)的核心；不能正確理解它，，就難于理解智能制造。因此，在我國推進(jìn)智能制造的進(jìn)程中，一定要重視CPS的核心作用。同時也要時刻認(rèn)識到，根據(jù)目前人工智能的進(jìn)展，技術(shù)非常重要，但是人得作用是整個智能制造的最為重要的因素，只有把人整體融入到賽博物理系統(tǒng)中并和賽博物理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，才能提升我國制造業(yè)的整體發(fā)展水平。
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