+ 寧振波 中航工業(yè)信息技術(shù)中心首席顧問

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

CPS的概念辨析

CPS是一個既可以非常博大、也可以非常渺小的概念，中國對CPS的認識剛剛開始。我個人認為：對一個人類社會來講，虛擬經(jīng)濟是賽博，實體經(jīng)濟是物理，兩者相得益彰，任何一方過于強大，都會出現(xiàn)問題。就像一個人，也是一個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。如美國的天才人物霍金，賽博大腦遠遠超越物理身體，顯然是有缺陷的。如果一個人有著強壯的身體，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。

賽博是在1991年由美國科學(xué)家提出的，當(dāng)時認識的賽博的含義是控制、計算和通訊。但25年后的今天，我們不能再用1991年的理念來描述賽博了。因為要認識智能、智能制造系統(tǒng)，有必要重新認識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)對自然規(guī)律的感應(yīng)、認知和應(yīng)用。智能最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是制造業(yè)，這個行業(yè)與人們的生活關(guān)系緊密。實際上，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。其中有認知能力、感知能力，要會分析、自決策，還要利用知識、學(xué)習(xí)積累乃至創(chuàng)造知識。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)對智能制造進行了長期研究，共同提出了16字箴言，叫做“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行”。如果綜合起來，智能系統(tǒng)就是始于感知、精于計算、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只不過是它的一種實現(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、認知計算、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、解決問題、抽象思維、理解復(fù)雜思想、快速學(xué)習(xí)和認知能力。這就是開放的智能系統(tǒng)必備的五個特征，可以叫做二十字箴言。

CPS的歷史

實際上，追溯歷史可以發(fā)現(xiàn)，1926年尼古拉特斯拉在“遠程自動化”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。事實上就是通過儀器，我們就能實現(xiàn)一些驚人的事情，就如同現(xiàn)在我們使用電話一樣。比如說一個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”中援引了希臘語單詞“Kubernetes”，“Kubernetes”其原意是“萬能的神”，因為希臘是航海大國，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”這個詞，意思為控制。

到1961年，美國人查里斯德雷博研制的阿波羅制導(dǎo)計算機是世界上第一個嵌入式系統(tǒng)，而嵌入式系統(tǒng)就是CPS。1967年，美國國防高級研究計劃局在研究大型計算機通訊協(xié)議的時候，提出了CYBER，賽博空間的概念，發(fā)展到今天就是現(xiàn)在的國際互聯(lián)網(wǎng)。到1988年，美國人馬克威瑟提出無處不在的計算。上個世紀90年代初國際互聯(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。我個人認為：新的賽博應(yīng)當(dāng)具有五個含義，控制、通信、協(xié)同、創(chuàng)新、虛擬，幕后全部隱含著計算。但為什么不把計算作為第六個含義呢？因為在《孫子兵法》中說過：“色不過五，五色之變，不可勝觀也；聲不過五，五聲之變，不可勝聽也；味不過五，五味之變，不可勝嘗也；戰(zhàn)勢不過奇正，奇正之變，不可勝窮也。”這就是說，關(guān)鍵要素絕對不能超過五個，超過五個就會引起混亂。

賽博實際上是一種實現(xiàn)控制的特殊結(jié)構(gòu)，是借用信息來控制物質(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候，并不是僅僅指一個球，而是足球運動，包括規(guī)則、場地、裁判、球員，當(dāng)然還有足球。

國外對CPS的理解

NASA在1992年率先提出賽博-物理系統(tǒng)（CPS）的概念，美國國防部推動CPS從太空探索引入到軍事領(lǐng)域，無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)就是非常典型的CPS系統(tǒng)。這個概念因為一次危機而得到美國政府的高度重視。1993年，數(shù)百名美國特戰(zhàn)隊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，極大地刺激了美國民眾和政府。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)行作戰(zhàn)任務(wù)，從而大大降低部隊的傷亡，因此很快引起了美國國防部的重視。

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、歐洲十年來在CPS計算上進行了高強度投資。2005年研究報告《站在風(fēng)暴之上》問世，2006年美國政府發(fā)布了《美國競爭力計劃》，把CPS列為重要的研究項目； 2006年美國國家自然科學(xué)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?！?2007年美國國家基金會（NSF）將CPS列為重點研究項目；同年，美國發(fā)布《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)》報告。實際上，這份報告中的信息技術(shù)研發(fā)有九項，CPS是第一項。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，由于計算而壯大，由于互聯(lián)網(wǎng)而普及應(yīng)用。

結(jié)束語

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

根據(jù)目前人工智能的進展，技術(shù)非常重要，但是人的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CPS中，和CPS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。