+ 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。