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        CPS的精義
        ——內(nèi)涵和沿革

        2016-12-08 06:58:11寧振波中航工業(yè)信息技術(shù)中心首席顧問(wèn)
        衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:賽博嵌入式大腦

        + 寧振波 中航工業(yè)信息技術(shù)中心首席顧問(wèn)

        CPS的精義
        ——內(nèi)涵和沿革

        + 寧振波 中航工業(yè)信息技術(shù)中心首席顧問(wèn)

        CPS的概念辨析

        CPS是一個(gè)既可以非常博大、也可以非常渺小的概念,中國(guó)對(duì)CPS的認(rèn)識(shí)剛剛開始。我個(gè)人認(rèn)為:對(duì)一個(gè)人類社會(huì)來(lái)講,虛擬經(jīng)濟(jì)是賽博,實(shí)體經(jīng)濟(jì)是物理,兩者相得益彰,任何一方過(guò)于強(qiáng)大,都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。就像一個(gè)人,也是一個(gè)完整的賽博物理系統(tǒng),人的思想和大腦是賽博,人的身體和行為是物理,人的大腦和思想控制人的身體和行為。如美國(guó)的天才人物霍金,賽博大腦遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越物理身體,顯然是有缺陷的。如果一個(gè)人有著強(qiáng)壯的身體,而大腦有缺陷,也是不完整的人。因此,保持賽博和物理的均衡,是一切智能系統(tǒng)的重點(diǎn)。

        賽博是在1991年由美國(guó)科學(xué)家提出的,當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)的賽博的含義是控制、計(jì)算和通訊。但25年后的今天,我們不能再用1991年的理念來(lái)描述賽博了。因?yàn)橐J(rèn)識(shí)智能、智能制造系統(tǒng),有必要重新認(rèn)識(shí)CPS,梳理其和智能制造的關(guān)系。

        智能是人的一種深刻的本質(zhì),智能是一切生命系統(tǒng)對(duì)自然規(guī)律的感應(yīng)、認(rèn)知和應(yīng)用。智能最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是制造業(yè),這個(gè)行業(yè)與人們的生活關(guān)系緊密。實(shí)際上,人造智能可以被看作一種魔法,是一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。其中有認(rèn)知能力、感知能力,要會(huì)分析、自決策,還要利用知識(shí)、學(xué)習(xí)積累乃至創(chuàng)造知識(shí)。目前,人類已經(jīng)建立起了具有不同程度智能的系統(tǒng),包括: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。

        航空工業(yè)對(duì)智能制造進(jìn)行了長(zhǎng)期研究,共同提出了16字箴言,叫做“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”。如果綜合起來(lái),智能系統(tǒng)就是始于感知、精于計(jì)算、巧于決策、勤于執(zhí)行、善于學(xué)習(xí),這是智能的本質(zhì)。

        《三體智能革命》一書中提出,智能是人的本質(zhì)力量,而CPS只不過(guò)是它的一種實(shí)現(xiàn)形式。這本書所定義的人造智能,包含了由人開發(fā)建立的 人造系統(tǒng)的智能,例如人工智能、認(rèn)知計(jì)算、黑暗森林、互聯(lián)網(wǎng)大腦。智能是一種普遍的心智能力,還涉及到推理、規(guī)劃、解決問(wèn)題、抽象思維、理解復(fù)雜思想、快速學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力。這就是開放的智能系統(tǒng)必備的五個(gè)特征,可以叫做二十字箴言。

        CPS的歷史

        實(shí)際上,追溯歷史可以發(fā)現(xiàn),1926年尼古拉特斯拉在“遠(yuǎn)程自動(dòng)化”中講到:“當(dāng)無(wú)線被完美應(yīng)用時(shí),我們的地球?qū)?huì)變成一個(gè)大腦。事實(shí)上就是通過(guò)儀器,我們就能實(shí)現(xiàn)一些驚人的事情,就如同現(xiàn)在我們使用電話一樣。比如說(shuō)一個(gè)人可以將任何東西放在他的口袋里?!?/p>

        1948 諾伯特·維納“控制論”中援引了希臘語(yǔ)單詞“Kubernetes”,“Kubernetes”其原意是“萬(wàn)能的神”,因?yàn)橄ED是航海大國(guó),不可預(yù)測(cè)的海上風(fēng)浪經(jīng)常會(huì)引起翻船事故,為保佑船只和人的安全,古希臘人引用“萬(wàn)能的神”這個(gè)詞作為舵手。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了“Cybernetics”這個(gè)詞,意思為控制。

        到1961年,美國(guó)人查里斯德雷博研制的阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)是世界上第一個(gè)嵌入式系統(tǒng),而嵌入式系統(tǒng)就是CPS。1967年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局在研究大型計(jì)算機(jī)通訊協(xié)議的時(shí)候,提出了CYBER,賽博空間的概念,發(fā)展到今天就是現(xiàn)在的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)。到1988年,美國(guó)人馬克威瑟提出無(wú)處不在的計(jì)算。上個(gè)世紀(jì)90年代初國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)開始快速普及。到1999年,大科學(xué)家艾森特凱倫提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。

        到2006年,賽博的含義已經(jīng)和1991年定義完全不同了。我個(gè)人認(rèn)為:新的賽博應(yīng)當(dāng)具有五個(gè)含義,控制、通信、協(xié)同、創(chuàng)新、虛擬,幕后全部隱含著計(jì)算。但為什么不把計(jì)算作為第六個(gè)含義呢?因?yàn)樵凇秾O子兵法》中說(shuō)過(guò):“色不過(guò)五,五色之變,不可勝觀也;聲不過(guò)五,五聲之變,不可勝聽也;味不過(guò)五,五味之變,不可勝嘗也;戰(zhàn)勢(shì)不過(guò)奇正,奇正之變,不可勝窮也?!边@就是說(shuō),關(guān)鍵要素絕對(duì)不能超過(guò)五個(gè),超過(guò)五個(gè)就會(huì)引起混亂。

        賽博實(shí)際上是一種實(shí)現(xiàn)控制的特殊結(jié)構(gòu),是借用信息來(lái)控制物質(zhì)、能量和信息。信息是被控制的載體,并不是控制結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制。因此把賽博翻譯成信息,顯然是偏離了它真正的指向。就像人們談及足球的時(shí)候,并不是僅僅指一個(gè)球,而是足球運(yùn)動(dòng),包括規(guī)則、場(chǎng)地、裁判、球員,當(dāng)然還有足球。

        國(guó)外對(duì)CPS的理解

        NASA在1992年率先提出賽博-物理系統(tǒng)(CPS)的概念,美國(guó)國(guó)防部推動(dòng)CPS從太空探索引入到軍事領(lǐng)域,無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)就是非常典型的CPS系統(tǒng)。這個(gè)概念因?yàn)橐淮挝C(jī)而得到美國(guó)政府的高度重視。1993年,數(shù)百名美國(guó)特戰(zhàn)隊(duì)在索馬里首都被圍攻,造成19名美軍死亡、72人受傷,事后索馬里民兵把美軍士兵的尸體拖著游街,極大地刺激了美國(guó)民眾和政府。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)行作戰(zhàn)任務(wù),從而大大降低部隊(duì)的傷亡,因此很快引起了美國(guó)國(guó)防部的重視。

        CPS嵌入式系統(tǒng)的綜合應(yīng)用與集成形成了系統(tǒng)之系統(tǒng),這就是SOS。美國(guó)、歐洲十年來(lái)在CPS計(jì)算上進(jìn)行了高強(qiáng)度投資。2005年研究報(bào)告《站在風(fēng)暴之上》問(wèn)世,2006年美國(guó)政府發(fā)布了《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》,把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-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。” 2007年美國(guó)國(guó)家基金會(huì)(NSF)將CPS列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目;同年,美國(guó)發(fā)布《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)》報(bào)告。實(shí)際上,這份報(bào)告中的信息技術(shù)研發(fā)有九項(xiàng),CPS是第一項(xiàng)。歐洲也投入了54億歐元,把CPS作為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一。

        由上可知:CPS是由于控制而興起,由于計(jì)算而壯大,由于互聯(lián)網(wǎng)而普及應(yīng)用。

        結(jié)束語(yǔ)

        CPS博大精深,它大到包含整個(gè)宇宙體系,小到一個(gè)簡(jiǎn)單的PLC控制器,這些是一切智能系統(tǒng)的核心。理解CPS,才能理解智能制造。因此在我國(guó)推進(jìn)智能制造的進(jìn)程中,一定要重視CPS的核心作用。

        根據(jù)目前人工智能的進(jìn)展,技術(shù)非常重要,但是人的作用是整個(gè)智能制造的最為重要的因素。只有把人整體融入到CPS中,和CPS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。

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