[科普中国]-赛博物理系统

CPS源自军方推动

由于太空探索经常需要派无人飞行器执行各种危险的任务，因此NASA在1992年率先提出并定义了CPS（Cyber–Physical Systems）的概念。其后这个概念因为一个危机事件而被美国政府高度重视。由于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危险的作战任务，大大降低部队的伤亡，因此很快引起美国国防部（DoD）的重视。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。”在美国国防部的推动下，美国将CPS技术从太空探索引入到军事领域，其无人机作战系统能够在军事基地控制数千公里外的无人机，对目标进行侦察、打击，很大程度上得益于美国无人机系统利用CPS技术随时获取了所需要的地空信息，在军事基地的控制端就可以对无人机侦察、打击所需要的各种要素进行评估，并进行了数字化的展示，这就是CPS在军事领域的具体应用成果。

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的《站在风暴之上》报告问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将赛博物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）列为重要的研究项目。

2006年美国国家自然科学基金会（NSF）将CPS技术列为其重要研究项目开展研究。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位。

等到2013年德国工业4.0开始大热，做为其基础支撑理念的CPS则受到广泛关注，这个词已经彻底成为“制造业明星词”了。

应用的重点领域CPS因为控制而兴起，由于计算而发展壮大，借助互联网而普及应用。飞机，特别是无人机（很多场合甚至直接叫做空中机器人），就是CPS应用的重点领域之一。无人飞机具有非常完整、强大的基于计算机的控制系统；是一个具有高度智能的产品。飞机上安装了大量计算机之后，每台计算机各司其职，随时处理大量的内部和外部信息。对外部信息如：机场塔台指挥、航线、气像、高度、空速、到达目的地时间等；而内部信息则包括飞机质量质心变化、机翼机身温度和积冰、发动机燃油消耗、温度火灾巡检报警等作实时监测。这些都是状态感知，当把数以千计的状态数据采集送到计算机后，可以按照设定好的算法进行实时的综合分析计算，给出最优的飞行数据（这是机器自主决策），通过赛博系统反馈给飞机的各个飞控设备（这是机器精准执行），控制飞机的空中姿态始终处于最好的状态；与此同时，综合后的信息发送给地面的飞行控制人员，在飞行控制人员面前的大屏幕液晶显示器上展现，特殊情况或者紧急情况直接由飞行控制人员直接介入，由人工直接决策。这样，以前无人机飞行全部靠地面飞行控制人员完成的工作，现在已经基本上靠计算机完成了，而且这个过程不断演变，人的工作越来越少，越来越轻松。在飞机上强大的计算机的支持下，飞机达到了高度智能的状态，计算机可以瞬间完成飞行员无法在短时间内完成的计算工作，让飞机更加安全可靠。
从产业角度看，CPS涵盖了小到智能家庭网络，大到智能交通系统、工业控制系统等应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是比如说将现有设备简单地连接，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。回到智能制造系统中来，CPS内容博大精深，它大到包括整个工业体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的基础——不能正确理解CPS，就很难完整地理解智能制造。1

我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用；同时也要认识到，根据目前人工智能的进展，技术尽管很重要，但是“人”仍然是整个智能制造的最为重要的因素。只有把人整体地融入到赛博物理系统中，有机结合在一起，才能提升我国制造业的整体发展水平。

中国企业在这轮的转型升级浪潮中，将一些复杂的高附加值的产品CPS化（如远程监测系统、设备健康维护管理系统、等）是一个可行的方向，而对于制造过程，需要根据行业的装备水平、传感水平、投入产出来确定哪些生产资源可以进行CPS化（改造），然后分步实现生产过程的智能化转型升级。

CPS与各系统的关系CPS是多学科的融合，涉及跨学科的理论，将控制论的基本原理，机电一体化设计，设计与流程科学融合在一起。控制系统：如今基于嵌入式系统的工业控制系统遍地开花，但是这些控制系统基本是封闭的系统，网络内部各个独立的子系统或者说设备很难通过开放总线或者互联网进行互联，而且通信的功能比较弱。CPS则强调与外界的互联，包括通过互联网进行信息的采集和传递。由于CPS包含控制的思想，其算法有别于传统的控制算法，更高级的人工智能算法应用也在其中。
一、嵌入式系统：在嵌入式系统中，重点往往是更多的计算单元，在计算单元和物理单元之间的强交互更少。CPS也类似于物联网（IoT），有相同的基本架构，然而，CPS对物理和计算单元之间的交互提出较高的结合和协同。不同于传统的嵌入式系统，一个完整的CPS通常设计为一个相互作用的元素的物理输入和输出，而不是作为独立的网络设备。并且随着科学和工程的不断推进，采用智能机制将明显提高计算单元和物理单元的联系，大大提高了CPS的适应性、自主性、效率、可靠性、安全性、功能性和可用性。
二、物联网：流行的观点CPS包含物联网。实际上，从二者是从不同的角度来描述物理世界和虚拟世界的融合系统（Digital Twin），物联网是其外在表现形式，CPS是其技术内涵。CPS强调循环反馈，要求系统能够在感知物理世界之后通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用。二者为一体两面。而从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物联网则可视为瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用1。
三、工业互联网：从本质内容来看，CPS等同于工业互联网。CPS与工业互联网的本质都是基于传感器、处理器、执行器、信息网络、云计算、大数据将现实的物理世界映射为虚拟的数字模型，通过基于高级算法的大数据分析，将最优的决策数据反馈给物理世界，优化物理世界运转效率，提升安全水平。从应用领域来看，CPS涵盖工业互联网。工业互联网强调的是对工业生产系统的感知、互联和计算，实现对生产过程和产品服务的优化。CPS在包含工业生产系统之外，还包含对交通、医疗、农业、能源等其它生产生活领域的应用。从技术侧重来看，CPS与工业互联网略有差异。虽然CPS与工业互联网在本质内容和组织要素上是一致的，但从NIST的《愿景申明》中可以看到，CPS特别强调对嵌入式计算、分布式控制系统的应用，工业互联网强调对互联网、云计算平台和大数据技术的应用。因此，在技术侧重方面，CPS与工业互联网略有差异。

CPS在工厂中的应用CPS更像是一种类似于六西格玛DMACI的管理思想，而这个思想是依赖嵌入式系统、物联网技术、互联网技术、人工智能、控制理论（闭环控制思想）予以实例化。
再来谈谈CPS的作用对象（定义中为一个物理实体），就是我们要把什么CPS化（enable），从工业4.0的角度看，德国把生产设备作为CPS化的重要对象，如设备可以感知产品的类别，并据此进行工艺参数和控制参数的自动调整。而GE提出的工业互联网，则把产品作为CPS化的最典型应用，如飞机发动机可以采集运行数据发送到云端，云端对其进行运行分析，并予以优化运行建议和回馈。
笔者认为智能工厂需要CPS化的物理实体不仅仅是设备，而是应该对涉及产品生产的5M1E（人、机、料、法、环、测）予以全面CPS化。比如通过对携带RFID的人的移动轨迹的采集分析，提出更精益的操作规程，并通过穿戴设备提供给员工，最典型的如现场的物料配送人员；还有通过现场工艺参数（如热处理温度）的实时采集，并通过大数据分析，给出工艺参数优化的指导。

如何进行CPS设计CPS的发展面临的挑战是在设计实践中涉及到的各种工程学科，如软件和机械工程之间的巨大差异。另外控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。迄今为止，还没有产生设计CPS的“语言”。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。因此，各学科的工程师需要能够研究系统协同设计，分配物理单元和计算单元的职责1。

CPS可基于5C架构进行设计（连接、转换、网络、认知、配置）。“连接层”：设备可以自我连接和自我的行为感知。“转换层”：从连接的设备和传感器的数据，采用自我感知和预测功能来感知设备的关键问题和状态。“网络层”：每台设备创建自己的“双胞胎”，即数字模型，并进行自我比较和评价。在“认知层”：自我评价和自我评价的结果将提交给人或人工智能，进行决策分析。在“配置层”：机器或生产系统可以自我配置、自我调整和自我优化，实现柔性配置2。