英文：Cyber-Physical Systems 中文：賽博物理系統(tǒng)（不建議叫做：信息物理系統(tǒng)）

德國(guó)人提出的工業(yè)4.0中，CPS（Cyber-PhysicalSystems）居核心地位。對(duì)于這個(gè)概念，充滿了各種解讀。而最重要的一個(gè)誤區(qū)之一，就是它被翻譯成“信息物理系統(tǒng)”——這種說(shuō)法，有些背離了它原本的含義。

CPS的由來(lái)在全球范圍內(nèi)，無(wú)論是德國(guó)工業(yè)4.0，還是美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以及“中國(guó)制造2025”等等提法很多；盡管各不相同，CPS是一個(gè)始終無(wú)法回避的概念?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)把CPS譯成“信息物理系統(tǒng)”。這種譯法雖然簡(jiǎn)易，但并不確切，因其沒有對(duì)Cyber進(jìn)行正確的理解。

1948年“控制論”的開創(chuàng)者維納，如神來(lái)之筆，援引希臘語(yǔ)單詞并創(chuàng)造了“Cybernetics”一詞，意思為控制。隨后這個(gè)詞真的“控制”了許多領(lǐng)域，并主宰多年。在上世紀(jì)九十年代后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，Cyper又被稱作3C（控制、通信、計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行的控制。

從Cyber的本意來(lái)看，它實(shí)質(zhì)是一種實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)制（或機(jī)構(gòu)），是藉由信息，來(lái)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Cyber譯成“信息”，偏離了它真正的指向。就像我們提起足球運(yùn)動(dòng)，不能把它簡(jiǎn)單地理解為那個(gè)黑白相間的球體（ball），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(dòng)。從“編程”的角度看來(lái)，Cyber是“控制機(jī)構(gòu)”類。

工四術(shù)語(yǔ)100 解讀CPS賽博物理系統(tǒng)：一個(gè)包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過(guò)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(shí)、安全、協(xié)作和智能化的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。

在這個(gè)語(yǔ)境下，Cyber應(yīng)該有幾個(gè)含義：控制、通訊、協(xié)同、虛擬；而這些含義中都包含了計(jì)算。

要全面而準(zhǔn)確也理解這些含義，對(duì)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(huì)出現(xiàn)偏差。

 ▋CPS的認(rèn)識(shí)

CPS源自軍方推動(dòng)由于太空探索經(jīng)常需要派無(wú)人飛行器執(zhí)行各種危險(xiǎn)的任務(wù)，因此NASA在1992年率先提出并定義了CPS（Cyber–PhysicalSystems）的概念。

其后這個(gè)概念因?yàn)橐粋€(gè)危機(jī)事件而被美國(guó)政府高度重視。1993年，數(shù)百名美國(guó)特種部隊(duì)在索馬里首都摩加迪沙的軍事行動(dòng)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(guó)民眾和美國(guó)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(xiǎn)的作戰(zhàn)任務(wù)，大大降低部隊(duì)的傷亡，因此很快引起美國(guó)國(guó)防部（DoD）的重視。2006年美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)（NSF-The US National Science Foundation）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(jì)算核心控制著每一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的組件，計(jì)算被深深嵌入每一個(gè)物理成分，甚至可能進(jìn)入材料，這個(gè)計(jì)算的核心是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，通常需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，并且一般是分布的?！?/p>

在美國(guó)國(guó)防部的推動(dòng)下，美國(guó)將CPS技術(shù)從太空探索引入到軍事領(lǐng)域，其無(wú)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(wú)人機(jī)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察、打擊，很大程度上得益于美國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)利用CPS技術(shù)隨時(shí)獲取了所需要的地空信息，在軍事基地的控制端就可以對(duì)無(wú)人機(jī)偵察、打擊所需要的各種要素進(jìn)行評(píng)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(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)科學(xué)院評(píng)估美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，并提出維持和提高這種競(jìng)爭(zhēng)力的建議。5個(gè)月后，基于此項(xiàng)研究的《站在風(fēng)暴之上》報(bào)告問(wèn)世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》則將賽博物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）列為重要的研究項(xiàng)目。

2006年美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)（NSF）將CPS技術(shù)列為其重要研究項(xiàng)目開展研究。2007年7月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位。

等到2013年德國(guó)工業(yè)4.0開始大熱，做為其基礎(chǔ)支撐理念的CPS則受到廣泛關(guān)注，這個(gè)詞已經(jīng)徹底成為“制造業(yè)明星詞”了。

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(jì)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(wú)人機(jī)（很多場(chǎng)合甚至直接叫做空中機(jī)器人），就是CPS應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

無(wú)人飛機(jī)具有非常完整、強(qiáng)大的基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)；是一個(gè)具有高度智能的產(chǎn)品。飛機(jī)上安裝了大量計(jì)算機(jī)之后，每臺(tái)計(jì)算機(jī)各司其職，隨時(shí)處理大量的內(nèi)部和外部信息。對(duì)外部信息如：機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)指揮、航線、氣像、高度、空速、到達(dá)目的地時(shí)間等；而內(nèi)部信息則包括飛機(jī)質(zhì)量質(zhì)心變化、機(jī)翼機(jī)身溫度和積冰、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗、溫度火災(zāi)巡檢報(bào)警等作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

這些都是狀態(tài)感知，當(dāng)把數(shù)以千計(jì)的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集送到計(jì)算機(jī)后，可以按照設(shè)定好的算法進(jìn)行實(shí)時(shí)的綜合分析計(jì)算，給出最優(yōu)的飛行數(shù)據(jù)（這是機(jī)器自主決策），通過(guò)賽博系統(tǒng)反饋給飛機(jī)的各個(gè)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(shí)，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(wú)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(jì)算機(jī)完成了，而且這個(gè)過(guò)程不斷演變，人的工作越來(lái)越少，越來(lái)越輕松。在飛機(jī)上強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的支持下，飛機(jī)達(dá)到了高度智能的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)可以瞬間完成飛行員無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成的計(jì)算工作，讓飛機(jī)更加安全可靠。

從產(chǎn)業(yè)角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)，大到智能交通系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是比如說(shuō)將現(xiàn)有設(shè)備簡(jiǎn)單地連接，而是要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。回到智能制造系統(tǒng)中來(lái)，CPS內(nèi)容博大精深，它大到包括整個(gè)工業(yè)體系，小到一個(gè)簡(jiǎn)單的PLC控制器，這些是一切智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)——不能正確理解CPS，就很難完整地理解智能制造。

我國(guó)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(shí)也要認(rèn)識(shí)到，根據(jù)目前人工智能的進(jìn)展，技術(shù)盡管很重要，但是“人”仍然是整個(gè)智能制造的最為重要的因素。只有把人整體地融入到賽博物理系統(tǒng)中，有機(jī)結(jié)合在一起，才能提升我國(guó)制造業(yè)的整體發(fā)展水平。

中國(guó)企業(yè)在這輪的轉(zhuǎn)型升級(jí)浪潮中，將一些復(fù)雜的高附加值的產(chǎn)品CPS化（如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備健康維護(hù)管理系統(tǒng)、等）是一個(gè)可行的方向，而對(duì)于制造過(guò)程，需要根據(jù)行業(yè)的裝備水平、傳感水平、投入產(chǎn)出來(lái)確定哪些生產(chǎn)資源可以進(jìn)行CPS化（改造），然后分步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

 ▋CPS與各系統(tǒng)的關(guān)系

CPS是多學(xué)科的融合，涉及跨學(xué)科的理論，將控制論的基本原理，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與流程科學(xué)融合在一起。

控制系統(tǒng)：如今基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，但是這些控制系統(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)或者說(shuō)設(shè)備很難通過(guò)開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，而且通信的功能比較弱。CPS則強(qiáng)調(diào)與外界的互聯(lián)，包括通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的采集和傳遞。由于CPS包含控制的思想，其算法有別于傳統(tǒng)的控制算法，更高級(jí)的人工智能算法應(yīng)用也在其中。

嵌入式系統(tǒng)：在嵌入式系統(tǒng)中，重點(diǎn)往往是更多的計(jì)算單元，在計(jì)算單元和物理單元之間的強(qiáng)交互更少。CPS也類似于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），有相同的基本架構(gòu)，然而，CPS對(duì)物理和計(jì)算單元之間的交互提出較高的結(jié)合和協(xié)同。不同于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，一個(gè)完整的CPS通常設(shè)計(jì)為一個(gè)相互作用的元素的物理輸入和輸出，而不是作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。并且隨著科學(xué)和工程的不斷推進(jìn)，采用智能機(jī)制將明顯提高計(jì)算單元和物理單元的聯(lián)系，大大提高了CPS的適應(yīng)性、自主性、效率、可靠性、安全性、功能性和可用性。

物聯(lián)網(wǎng)：流行的觀點(diǎn)CPS包含物聯(lián)網(wǎng)。實(shí)際上，從二者是從不同的角度來(lái)描述物理世界和虛擬世界的融合系統(tǒng)（DigitalTwin），物聯(lián)網(wǎng)是其外在表現(xiàn)形式，CPS是其技術(shù)內(nèi)涵。CPS強(qiáng)調(diào)循環(huán)反饋，要求系統(tǒng)能夠在感知物理世界之后通過(guò)通信與計(jì)算再對(duì)物理世界起到反饋控制作用。二者為一體兩面。而從計(jì)算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應(yīng)用比作胖客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為瘦客戶機(jī)服務(wù)器，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無(wú)法進(jìn)行協(xié)同。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)可以看作CPS的一種簡(jiǎn)約應(yīng)用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：從本質(zhì)內(nèi)容來(lái)看，CPS等同于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。CPS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)都是基于傳感器、處理器、執(zhí)行器、信息網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)將現(xiàn)實(shí)的物理世界映射為虛擬的數(shù)字模型，通過(guò)基于高級(jí)算法的大數(shù)據(jù)分析，將最優(yōu)的決策數(shù)據(jù)反饋給物理世界，優(yōu)化物理世界運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提升安全水平。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，CPS涵蓋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)的是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的感知、互聯(lián)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品服務(wù)的優(yōu)化。CPS在包含工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)之外，還包含對(duì)交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、能源等其它生產(chǎn)生活領(lǐng)域的應(yīng)用。從技術(shù)側(cè)重來(lái)看，CPS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)略有差異。雖然CPS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在本質(zhì)內(nèi)容和組織要素上是一致的，但從NIST的《愿景申明》中可以看到，CPS特別強(qiáng)調(diào)對(duì)嵌入式計(jì)算、分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算平臺(tái)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用。因此，在技術(shù)側(cè)重方面，CPS與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)略有差異。

CPS在工廠中的應(yīng)用CPS更像是一種類似于六西格瑪DMACI的管理思想，而這個(gè)思想是依賴嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、控制理論（閉環(huán)控制思想）予以實(shí)例化。

再來(lái)談?wù)凜PS的作用對(duì)象（定義中為一個(gè)物理實(shí)體），就是我們要把什么CPS化（enable），從工業(yè)4.0的角度看，德國(guó)把生產(chǎn)設(shè)備作為CPS化的重要對(duì)象，如設(shè)備可以感知產(chǎn)品的類別，并據(jù)此進(jìn)行工藝參數(shù)和控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。而GE提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，則把產(chǎn)品作為CPS化的最典型應(yīng)用，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采集運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，云端對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行分析，并予以優(yōu)化運(yùn)行建議和回饋。

筆者認(rèn)為智能工廠需要CPS化的物理實(shí)體不僅僅是設(shè)備，而是應(yīng)該對(duì)涉及產(chǎn)品生產(chǎn)的5M1E（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)）予以全面CPS化。比如通過(guò)對(duì)攜帶RFID的人的移動(dòng)軌跡的采集分析，提出更精益的操作規(guī)程，并通過(guò)穿戴設(shè)備提供給員工，最典型的如現(xiàn)場(chǎng)的物料配送人員；還有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)（如熱處理溫度）的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，給出工藝參數(shù)優(yōu)化的指導(dǎo)。

 ▋如何進(jìn)行CPS設(shè)計(jì)

CPS的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)是在設(shè)計(jì)實(shí)踐中涉及到的各種工程學(xué)科，如軟件和機(jī)械工程之間的巨大差異。另外控制領(lǐng)域是通過(guò)微分方程和連續(xù)的邊界條件來(lái)處理問(wèn)題，而計(jì)算則建立在離散數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上;控制對(duì)時(shí)間和空間都十分敏感，而計(jì)算則只關(guān)心功能的實(shí)現(xiàn)。迄今為止，還沒有產(chǎn)生設(shè)計(jì)CPS的“語(yǔ)言”。通俗地說(shuō)，搞控制的人和搞計(jì)算機(jī)的人沒有“共同語(yǔ)言”。這種差異將給計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用帶來(lái)基礎(chǔ)性的變革。因此，各學(xué)科的工程師需要能夠研究系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)，分配物理單元和計(jì)算單元的職責(zé)。

CPS可基于5C架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)（連接、轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知、配置）?！斑B接層”：設(shè)備可以自我連接和自我的行為感知。“轉(zhuǎn)換層”：從連接的設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)，采用自我感知和預(yù)測(cè)功能來(lái)感知設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題和狀態(tài)?！熬W(wǎng)絡(luò)層”：每臺(tái)設(shè)備創(chuàng)建自己的“雙胞胎”，即數(shù)字模型，并進(jìn)行自我比較和評(píng)價(jià)。在“認(rèn)知層”：自我評(píng)價(jià)和自我評(píng)價(jià)的結(jié)果將提交給人或人工智能，進(jìn)行決策分析。在“配置層”：機(jī)器或生產(chǎn)系統(tǒng)可以自我配置、自我調(diào)整和自我優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)柔性配置。