CPS的精义——内涵和沿革

+ 宁振波 中航工业信息技术中心首席顾问

CPS的精义
——内涵和沿革

+ 宁振波 中航工业信息技术中心首席顾问

CPS的概念辨析

CPS是一个既可以非常博大、也可以非常渺小的概念，中国对CPS的认识刚刚开始。我个人认为：对一个人类社会来讲，虚拟经济是赛博，实体经济是物理，两者相得益彰，任何一方过于强大，都会出现问题。就像一个人，也是一个完整的赛博物理系统，人的思想和大脑是赛博，人的身体和行为是物理，人的大脑和思想控制人的身体和行为。如美国的天才人物霍金，赛博大脑远远超越物理身体，显然是有缺陷的。如果一个人有着强壮的身体，而大脑有缺陷，也是不完整的人。因此，保持赛博和物理的均衡，是一切智能系统的重点。

赛博是在1991年由美国科学家提出的，当时认识的赛博的含义是控制、计算和通讯。但25年后的今天，我们不能再用1991年的理念来描述赛博了。因为要认识智能、智能制造系统，有必要重新认识CPS，梳理其和智能制造的关系。

智能是人的一种深刻的本质，智能是一切生命系统对自然规律的感应、认知和应用。智能最重要的应用领域是制造业，这个行业与人们的生活关系紧密。实际上，人造智能可以被看作一种魔法，是一种模仿、拓展和超越人类智能的能力。其中有认知能力、感知能力，要会分析、自决策，还要利用知识、学习积累乃至创造知识。目前，人类已经建立起了具有不同程度智能的系统，包括：智能制造、智能生产、智能设备、智能产品、智能材料、智能工艺、智能家居、智能硬件。

航空工业对智能制造进行了长期研究，共同提出了16字箴言，叫做“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”。如果综合起来，智能系统就是始于感知、精于计算、巧于决策、勤于执行、善于学习，这是智能的本质。

《三体智能革命》一书中提出，智能是人的本质力量，而CPS只不过是它的一种实现形式。这本书所定义的人造智能，包含了由人开发建立的 人造系统的智能，例如人工智能、认知计算、黑暗森林、互联网大脑。智能是一种普遍的心智能力，还涉及到推理、规划、解决问题、抽象思维、理解复杂思想、快速学习和认知能力。这就是开放的智能系统必备的五个特征，可以叫做二十字箴言。

CPS的历史

实际上，追溯历史可以发现，1926年尼古拉特斯拉在“远程自动化”中讲到:“当无线被完美应用时，我们的地球将会变成一个大脑。事实上就是通过仪器，我们就能实现一些惊人的事情，就如同现在我们使用电话一样。比如说一个人可以将任何东西放在他的口袋里。”

1948 诺伯特·维纳“控制论”中援引了希腊语单词“Kubernetes”，“Kubernetes”其原意是“万能的神”，因为希腊是航海大国，不可预测的海上风浪经常会引起翻船事故，为保佑船只和人的安全，古希腊人引用“万能的神”这个词作为舵手。在此基础上创造了“Cybernetics”这个词，意思为控制。

到1961年，美国人查里斯德雷博研制的阿波罗制导计算机是世界上第一个嵌入式系统，而嵌入式系统就是CPS。1967年，美国国防高级研究计划局在研究大型计算机通讯协议的时候，提出了CYBER，赛博空间的概念，发展到今天就是现在的国际互联网。到1988年，美国人马克威瑟提出无处不在的计算。上个世纪90年代初国际互联网开始快速普及。到1999年，大科学家艾森特凯伦提出了物联网的概念。

到2006年，赛博的含义已经和1991年定义完全不同了。我个人认为：新的赛博应当具有五个含义，控制、通信、协同、创新、虚拟，幕后全部隐含着计算。但为什么不把计算作为第六个含义呢？因为在《孙子兵法》中说过：“色不过五，五色之变，不可胜观也；声不过五，五声之变，不可胜听也；味不过五，五味之变，不可胜尝也；战势不过奇正，奇正之变，不可胜穷也。”这就是说，关键要素绝对不能超过五个，超过五个就会引起混乱。

赛博实际上是一种实现控制的特殊结构，是借用信息来控制物质、能量和信息。信息是被控制的载体，并不是控制结构和控制机制。因此把赛博翻译成信息，显然是偏离了它真正的指向。就像人们谈及足球的时候，并不是仅仅指一个球，而是足球运动，包括规则、场地、裁判、球员，当然还有足球。

国外对CPS的理解

NASA在1992年率先提出赛博-物理系统（CPS）的概念，美国国防部推动CPS从太空探索引入到军事领域，无人机作战系统就是非常典型的CPS系统。这个概念因为一次危机而得到美国政府的高度重视。1993年，数百名美国特战队在索马里首都被围攻，造成19名美军死亡、72人受伤，事后索马里民兵把美军士兵的尸体拖着游街，极大地刺激了美国民众和政府。CPS技术可以让士兵在安全的军事基地中远程控制各种武器装备执行作战任务，从而大大降低部队的伤亡，因此很快引起了美国国防部的重视。

CPS嵌入式系统的综合应用与集成形成了系统之系统，这就是SOS。美国、欧洲十年来在CPS计算上进行了高强度投资。2005年研究报告《站在风暴之上》问世，2006年美国政府发布了《美国竞争力计划》，把CPS列为重要的研究项目； 2006年美国国家自然科学基金会（NSF-The US National Science Foundation）的海伦、吉尔把CPS（赛博物理系统）定义为：“赛博物理系统是在物理、生物和工程系统中，其操作是相互协调的、互相监控的和由计算核心控制着每一个联网的组件，计算被深深嵌入每一个物理成分，甚至可能进入材料，这个计算的核心是一个嵌入式系统，通常需要实时响应，并且一般是分布的。” 2007年美国国家基金会（NSF）将CPS列为重点研究项目；同年，美国发布《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术》报告。实际上，这份报告中的信息技术研发有九项，CPS是第一项。欧洲也投入了54亿欧元，把CPS作为优先发展的领域之一。

由上可知：CPS是由于控制而兴起，由于计算而壮大，由于互联网而普及应用。

结束语

CPS博大精深，它大到包含整个宇宙体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的核心。理解CPS，才能理解智能制造。因此在我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用。

根据目前人工智能的进展，技术非常重要，但是人的作用是整个智能制造的最为重要的因素。只有把人整体融入到CPS中，和CPS有机结合在一起，才能提升我国制造业的整体发展水平。