德國(guó)人提出的工業(yè)4.0中，CPS居核心地位。它是賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System）的縮寫。CPS是一個(gè)包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使賽博空間以遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)、安全、智能化、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。因此，國(guó)內(nèi)理在把它簡(jiǎn)單地譯成“信息物理系統(tǒng)”是極不準(zhǔn)確。本文將論述它內(nèi)涵的沿革。

需我們注意的是，CPS是智能制造系統(tǒng)的骨干與支撐，即是如此，智能的含義比CPS要豐富得多。智能是人類一種深刻的本質(zhì)，而CPS則不過(guò)人的智能在制造領(lǐng)域中的實(shí)現(xiàn)載體，它的出現(xiàn)，是人類智能的革命與外化。

誠(chéng)如筆者參與撰寫的《三體智能革命》所闡述的那樣：智能本質(zhì)是一切生命系統(tǒng)對(duì)自然規(guī)律的感應(yīng)、認(rèn)知與運(yùn)用。人造系統(tǒng)是具有相互聯(lián)接的元件和運(yùn)作所組成的實(shí)現(xiàn)某種功能的事物的集合。元件由各種人造物理材料或天然材料制成，運(yùn)作由人根據(jù)需求來(lái)設(shè)定。

任何人造系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的某種功能而構(gòu)建的，目的是服務(wù)于人，滿足人的需求和意愿。遂人愿，知人意，是一個(gè)智能系統(tǒng)必須遵循和滿足的另一個(gè)基本原則。

而人造智能是人造系統(tǒng)所具有的一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。如果人造系統(tǒng)能夠像人一樣具有一定的認(rèn)知能力，即有感知、會(huì)分析、自決策、善動(dòng)作，并且在分析與決策過(guò)程中善于運(yùn)用知識(shí)，同時(shí)學(xué)習(xí)、積累乃至創(chuàng)造知識(shí)，就稱其具有某種人造智能。本書定義的人造智能，包含了所有由人開發(fā)和建立的人造系統(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)大腦等。

某國(guó)內(nèi)百科網(wǎng)站介紹：從感覺到記憶到思維這一過(guò)程，稱為“智慧”，智慧的結(jié)果就產(chǎn)生了行為和語(yǔ)言，將行為和語(yǔ)言的表達(dá)過(guò)程稱為“能力”，兩者合稱“智能”。而某國(guó)外百科網(wǎng)站則指出：智能一種非常普遍的心智能力，除其他事項(xiàng)外，涉及到推理、規(guī)劃、解決問題、抽象思維、理解復(fù)雜的思想、快速學(xué)習(xí)和從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的認(rèn)知能力。中外兩個(gè)權(quán)威內(nèi)容網(wǎng)站給出的結(jié)論非常類似。默認(rèn)的事情是，它們所說(shuō)的智能，都是指人的智能，而非人造系統(tǒng)的智能。人類在幾十萬(wàn)年不斷的勞動(dòng)進(jìn)化過(guò)程中，在對(duì)自然界持續(xù)的認(rèn)知過(guò)程中，已經(jīng)發(fā)展出了發(fā)達(dá)的大腦，具有了與生俱來(lái)的智能，處于了地球生物鏈的頂端。我們把人所具有的智能叫作人類智能。

具有不同程度人造智能的系統(tǒng)都可以稱之為智能系統(tǒng)。諸如智能制造、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、智能硬件等“智能XX”，都屬于智能系統(tǒng)中的一個(gè)子集。

《三體智能革命》提出，一個(gè)開放的智能系統(tǒng)必備五個(gè)特征：狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升。這可以看作是作者的二十字箴言。因此，一個(gè)完整的智能系統(tǒng)：始于感知，精于計(jì)算，巧于決策，勤于執(zhí)行，善于學(xué)習(xí)。

在論述CPS前，說(shuō)了這么多“智能”的特征，似乎有些跑題。然而我們必須明白，智能才是人的本質(zhì)力量，而CPS只不過(guò)是它的一種形式。智能才是本源，CPS則是它的最新實(shí)現(xiàn)形式。

限于篇幅，本文未能對(duì)CPS展開深入全面的論述。如果想真正了解CPS的精義，閱讀《三體智能革命》是一件繞不過(guò)去的事情。

CPS的沿革

在全球范圍內(nèi)，無(wú)論是德國(guó)工業(yè)4.0，還是美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以及“中國(guó)制造2025”等等提法很多；盡管各不相同，但是相同的提法是智能制造和CPS，我們就來(lái)分析解剖這兩個(gè)名詞。而談到智能制造體系，CPS是一個(gè)始終無(wú)法回避的概念。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)把CPS譯成“信息管理系統(tǒng)”，這種譯法雖然簡(jiǎn)易，但并不確切，因其沒有對(duì)Cyber進(jìn)行認(rèn)真的分析和正確的理解。

1926 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)儀器我們能實(shí)現(xiàn)一些驚人的事情就如同像現(xiàn)在我們使用電話一樣，比如一個(gè)人可以將任何東西放在他的口袋里。”

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”詞，意思為控制。

1961年，美國(guó)人查爾斯?德雷珀研制的“阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)”是世界是第一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。1967年，美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）在連接幾臺(tái)不同的大型計(jì)算機(jī)，開發(fā)通訊協(xié)議時(shí)提出了“賽博空間”的概念（Cyperspace），它是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的前身。1988美國(guó)人馬克?威瑟提出“無(wú)處不在的計(jì)算”。上世紀(jì)90年代初國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的快速普及；到1999 年艾什頓?凱文提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念 。

因此，上世紀(jì)九十年代后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，Cyper又被稱作3C（控制、通信、計(jì)算）。現(xiàn)在Cybe常作為前綴，代表與Internet或電腦相關(guān)的事物，即采用電子或計(jì)算機(jī)進(jìn)行的控制。

溯本求源，Cyber實(shí)質(zhì)是一種實(shí)現(xiàn)控制的特殊結(jié)構(gòu)，是藉由信息，來(lái)控制物質(zhì)、能量和信息 。而“信息”只是被控制載體，并不是控制結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制。因此，把Cybery譯成“信息”，顯然是已經(jīng)偏離它真正的指向。就像我們提起足球運(yùn)動(dòng)，不能把它簡(jiǎn)單地理解為那個(gè)黑白相間的球體（ball），而必須把它理解為基于一種特定規(guī)則基礎(chǔ)上的球類運(yùn)動(dòng)。

因此，筆者認(rèn)為現(xiàn)代的Cyber應(yīng)該有五個(gè)含義：控制、通訊、協(xié)同、眾創(chuàng)、虛擬；而這五個(gè)含義中都包含了計(jì)算。全面而準(zhǔn)確也理解這五個(gè)含義，對(duì)CPS才可以形成全面而深刻的認(rèn)知，并在理解它的基礎(chǔ)上實(shí)施智能制造，才不會(huì)出現(xiàn)偏差。

國(guó)外對(duì)CPS的理解

由于太空探索經(jīng)常需要派無(wú)人飛行器執(zhí)行各種危險(xiǎn)的太空任務(wù)，因此NASA在1992年率先提出并定義了CPS（Cyber–Physical Systems）的概念。其后這個(gè)概念因?yàn)橐粋€(gè)危機(jī)事件而被美國(guó)政府高度重視。

1993年，數(shù)百名美國(guó)特種部隊(duì)在索馬里首都摩加迪沙的軍事行動(dòng)中被數(shù)千名索馬里民兵圍攻，結(jié)果造成19名美軍死亡，73人受傷，事后索馬里民兵將美軍士兵尸體吊在橋上向全世界展示。該事件極大地刺激了美國(guó)民眾和美國(guó)政府。

由于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)行危險(xiǎn)的作戰(zhàn)任務(wù)，從而大大降低部隊(duì)的傷亡，因此很快引起美國(guó)國(guó)防部（DoD）的重視。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。”

在美國(guó)國(guó)防部的推動(dòng)下，美國(guó)將CPS技術(shù)從太空探索引入到軍事領(lǐng)域，其無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在軍事基地控制數(shù)千公里外的無(wú)人機(jī)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察、打擊，很大程度上得益于美國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)利用CPS技術(shù)隨時(shí)獲取了所需要的地空信息，在軍事基地的控制端就可以對(duì)無(wú)人機(jī)偵察、打擊所需要的各種要素進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行了數(shù)字化的展示，這就是CPS在軍事領(lǐng)域的具體應(yīng)用成果。

2005年5月，美國(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)科學(xué)院評(píng)估美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，并提出維持和提高這種競(jìng)爭(zhēng)力的建議。5個(gè)月后，基于此項(xiàng)研究的報(bào)告《站在風(fēng)暴之上》問世。

在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》則將賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，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）將CPS技術(shù)列為其重要研究項(xiàng)目開展研究。

到了2007年7月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)流、高端計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、NIT與社會(huì)科學(xué)。歐盟計(jì)劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進(jìn)研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入54億歐元（逾70億美元），以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。

應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域

從上面的CPS歷史回顧我們可以看出，CPS是因?yàn)榭刂贫d起，由于計(jì)算而發(fā)展壯大，借助互聯(lián)網(wǎng)而普及應(yīng)用。飛機(jī)，特別是無(wú)人機(jī)（很多場(chǎng)合叫做空中機(jī)器人），就是CPS應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

無(wú)人飛機(jī)具有非常完整、強(qiáng)大的基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)；是一個(gè)具有高度智能的產(chǎn)品。飛機(jī)上安裝了大量計(jì)算機(jī)之后，每臺(tái)計(jì)算機(jī)各司其職，隨時(shí)處理大量的內(nèi)部和外部信息，對(duì)外部信息如：機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)指揮、地面風(fēng)速、航線、導(dǎo)航、氣像、高度、空速、到達(dá)目的地的時(shí)間，內(nèi)部信息如：飛機(jī)質(zhì)量質(zhì)心變化、飛機(jī)的機(jī)翼機(jī)身溫度和積冰、各個(gè)系統(tǒng)工作情況、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗、溫度火災(zāi)巡檢報(bào)警等作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；這些都是狀態(tài)感知，當(dāng)把數(shù)以千計(jì)的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集送到計(jì)算機(jī)后，可以按照設(shè)定好的算法進(jìn)行實(shí)時(shí)的綜合分析計(jì)算，給出最優(yōu)的飛行數(shù)據(jù)（這是機(jī)器自主決策），通過(guò)賽博系統(tǒng)反饋給飛機(jī)的各個(gè)飛控設(shè)備（這是機(jī)器精準(zhǔn)執(zhí)行），控制飛機(jī)的空中姿態(tài)始終處于最好的狀態(tài)；與此同時(shí)，綜合后的信息發(fā)送給地面的飛行控制人員，在飛行控制人員面前的大屏幕液晶顯示器上展現(xiàn)，特殊情況或者緊急情況直接由飛行控制人員直接介入，由人工直接決策。

這樣，以前無(wú)人機(jī)飛行全部靠地面飛行控制人員完成的工作，現(xiàn)在已經(jīng)基本上靠計(jì)算機(jī)完成了，而且這個(gè)過(guò)程不斷演變，人的工作越來(lái)越少，越來(lái)越輕松。在飛機(jī)上強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的支持下，飛機(jī)達(dá)到了高度智能的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)可以瞬間完成飛行員無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成的計(jì)算工作，讓飛機(jī)更加安全可靠。

回到我們智能制造系統(tǒng)中來(lái)，CPS內(nèi)容博大精深，它大到包括整個(gè)工業(yè)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；不能正確理解它，，就難于理解智能制造。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。同時(shí)也要時(shí)刻認(rèn)識(shí)到，根據(jù)目前人工智能的進(jìn)展，技術(shù)非常重要，但是人得作用是整個(gè)智能制造的最為重要的因素，只有把人整體融入到賽博物理系統(tǒng)中并和賽博物理系統(tǒng)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。