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)）

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

CPS的由來在全球范圍內(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，CPS是一個始終無法回避的概念?，F(xiàn)在國內(nèi)把CPS譯成“信息物理系統(tǒng)”。這種譯法雖然簡易，但并不確切，因其沒有對Cyber進行正確的理解。

1948年“控制論”的開創(chuàng)者維納，如神來之筆，援引希臘語單詞并創(chuàng)造了“Cybernetics”一詞，意思為控制。隨后這個詞真的“控制”了許多領(lǐng)域，并主宰多年。在上世紀九十年代后的很長一段時間，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進行的控制。

從Cyber的本意來看，它實質(zhì)是一種實現(xiàn)控制的機制（或機構(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動，不能把它簡單地理解為那個黑白相間的球體（ball），而必須把它理解為基于一種特定規(guī)則基礎(chǔ)上的球類運動。從“編程”的角度看來，Cyber是“控制機構(gòu)”類。

工四術(shù)語100 解讀CPS賽博物理系統(tǒng)：一個包含計算、網(wǎng)絡(luò)和物理實體的復雜系統(tǒng)，通過3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使賽博空間以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化的方式操控一個物理實體。

在這個語境下，Cyber應(yīng)該有幾個含義：控制、通訊、協(xié)同、虛擬；而這些含義中都包含了計算。

要全面而準確也理解這些含義，對CPS才可以形成全面而深刻的認知，并在理解它的基礎(chǔ)上實施智能制造，才不會出現(xiàn)偏差。

 ▋CPS的認識

CPS源自軍方推動由于太空探索經(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。

其后這個概念因為一個危機事件而被美國政府高度重視。1993年，數(shù)百名美國特種部隊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程控制各種武器裝備執(zhí)行危險的作戰(zhàn)任務(wù)，大大降低部隊的傷亡，因此很快引起美國國防部（DoD）的重視。2006年美國國家自然科學基金會（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，甚至可能進入材料，這個計算的核心是一個嵌入式系統(tǒng)，通常需要實時響應(yīng)，并且一般是分布的?！?/p>

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，對目標進行偵察、打擊，很大程度上得益于美國無人機系統(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偵察、打擊所需要的各種要素進行評估，并進行了數(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，基于此項研究的《站在風暴之上》報告問世。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)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）列為重要的研究項目。

2006年美國國家自然科學基金會（NSF）將CPS技術(shù)列為其重要研究項目開展研究。2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術(shù)顧問委員會（PCAST）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。

等到2013年德國工業(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，這個詞已經(jīng)徹底成為“制造業(yè)明星詞”了。

應(yīng)用的重點領(lǐng)域從上面的CPS歷史回顧我們可以看出，CPS是因為控制而興起，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，特別是無人機（很多場合甚至直接叫做空中機器人），就是CPS應(yīng)用的重點領(lǐng)域之一。

無人飛機具有非常完整、強大的基于計算機的控制系統(tǒng)；是一個具有高度智能的產(chǎn)品。飛機上安裝了大量計算機之后，每臺計算機各司其職，隨時處理大量的內(nèi)部和外部信息。對外部信息如：機場塔臺指揮、航線、氣像、高度、空速、到達目的地時間等；而內(nèi)部信息則包括飛機質(zhì)量質(zhì)心變化、機翼機身溫度和積冰、發(fā)動機燃油消耗、溫度火災(zāi)巡檢報警等作實時監(jiān)測。

這些都是狀態(tài)感知，當把數(shù)以千計的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集送到計算機后，可以按照設(shè)定好的算法進行實時的綜合分析計算，給出最優(yōu)的飛行數(shù)據(jù)（這是機器自主決策），通過賽博系統(tǒng)反饋給飛機的各個飛控設(shè)備（這是機器精準執(zhí)行），控制飛機的空中姿態(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。在飛機上強大的計算機的支持下，飛機達到了高度智能的狀態(tài)，計算機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將現(xiàn)有設(shè)備簡單地連接，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備?；氐街悄苤圃煜到y(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)的基礎(chǔ)——不能正確理解CPS，就很難完整地理解智能制造。

我國推進智能制造的進程中，一定要重視CPS的核心作用；同時也要認識到，根據(jù)目前人工智能的進展，技術(shù)盡管很重要，但是“人”仍然是整個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，有機結(jié)合在一起，才能提升我國制造業(yè)的整體發(fā)展水平。

中國企業(yè)在這輪的轉(zhuǎn)型升級浪潮中，將一些復雜的高附加值的產(chǎn)品CPS化（如遠程監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備健康維護管理系統(tǒng)、等）是一個可行的方向，而對于制造過程，需要根據(jù)行業(yè)的裝備水平、傳感水平、投入產(chǎn)出來確定哪些生產(chǎn)資源可以進行CPS化（改造），然后分步實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化轉(zhuǎn)型升級。

 ▋CPS與各系統(tǒng)的關(guān)系

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

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)部各個獨立的子系統(tǒng)或者說設(shè)備很難通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，而且通信的功能比較弱。CPS則強調(diào)與外界的互聯(lián)，包括通過互聯(lián)網(wǎng)進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，重點往往是更多的計算單元，在計算單元和物理單元之間的強交互更少。CPS也類似于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），有相同的基本架構(gòu)，然而，CPS對物理和計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)，一個完整的CPS通常設(shè)計為一個相互作用的元素的物理輸入和輸出，而不是作為獨立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。并且隨著科學和工程的不斷推進，采用智能機制將明顯提高計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CPS包含物聯(lián)網(wǎng)。實際上，從二者是從不同的角度來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通信與計算再對物理世界起到反饋控制作用。二者為一體兩面。而從計算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應(yīng)用比作胖客戶機/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為瘦客戶機服務(wù)器，因為物聯(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，因此物品之間無法進行協(xié)同。從這個角度來說物聯(lián)網(wǎng)可以看作CPS的一種簡約應(yīng)用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：從本質(zhì)內(nèi)容來看，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)、云計算、大數(shù)據(jù)將現(xiàn)實的物理世界映射為虛擬的數(shù)字模型，通過基于高級算法的大數(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)化物理世界運轉(zhuǎn)效率，提升安全水平。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，CPS涵蓋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)的是對工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的感知、互聯(lián)和計算，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程和產(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特別強調(diào)對嵌入式計算、分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)對互聯(lián)網(wǎng)、云計算平臺和大數(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）予以實例化。

再來談?wù)凜PS的作用對象（定義中為一個物理實體），就是我們要把什么CPS化（enable），從工業(yè)4.0的角度看，德國把生產(chǎn)設(shè)備作為CPS化的重要對象，如設(shè)備可以感知產(chǎn)品的類別，并據(jù)此進行工藝參數(shù)和控制參數(shù)的自動調(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，如飛機發(fā)動機可以采集運行數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，云端對其進行運行分析，并予以優(yōu)化運行建議和回饋。

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

 ▋如何進行CPS設(shè)計

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

CPS可基于5C架構(gòu)進行設(shè)計（連接、轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)、認知、配置）?！斑B接層”：設(shè)備可以自我連接和自我的行為感知?！稗D(zhuǎn)換層”：從連接的設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)，采用自我感知和預測功能來感知設(shè)備的關(guān)鍵問題和狀態(tài)?！熬W(wǎng)絡(luò)層”：每臺設(shè)備創(chuàng)建自己的“雙胞胎”，即數(shù)字模型，并進行自我比較和評價。在“認知層”：自我評價和自我評價的結(jié)果將提交給人或人工智能，進行決策分析。在“配置層”：機器或生產(chǎn)系統(tǒng)可以自我配置、自我調(diào)整和自我優(yōu)化，實現(xiàn)柔性配置。