+ 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。
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。
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。
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。