導讀

如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人、人與數(shù)字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)伺c物、物與物，乃至物理世界與數(shù)字世界之間的互動方式。而作為CPS背后一項重要的使能技術：信息物理計算（CPC，Cyber-Physical Computing），卻很少有人提及。在這篇文章中，我將圍繞絕少被人提及的信息物理計算CPC，為你介紹一些物聯(lián)網(wǎng)的前沿研究方向以及最新實踐。

在《看懂CPS，才能真正撬動物聯(lián)網(wǎng)的萬億級市場》一文中我曾經(jīng)提到，如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為新技術，可以開發(fā)一些創(chuàng)新硬件和方案，撬動百億級的市場；如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為方法論，可以用它變革傳統(tǒng)行業(yè)與流程，撬動千億級的市場；如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為思維方式，有可能改變整個物理世界的互聯(lián)方式，撬動的是不止萬億級的市場。

信息物理系統(tǒng)CPS更為本質(zhì)的意義在于，它或?qū)⒊蔀槲锫?lián)網(wǎng)互聯(lián)與改造整個物理世界的一項底層思維基礎。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人、人與數(shù)字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)伺c物、物與物，乃至物理世界與數(shù)字世界之間的互動方式。

而作為CPS背后一項重要的使能技術：信息物理計算（CPC，Cyber-Physical Computing），卻很少有人提及。簡單的說，CPC是一系列計算技術的統(tǒng)稱，它們具有相同的特性，都是基于非確定性的動態(tài)計算。從計算的角度來看，CPC超越了基于馮·諾依曼架構的確定性計算領域，可以實現(xiàn)硬件、軟件和網(wǎng)絡的非確定性自適應控制，緊急情況的動態(tài)響應，以及時間敏感條件下的敏捷計算。

這周剛好看到Fortune的一篇反諷文章《特朗普正在幫助中國的科學研究再創(chuàng)輝煌》，不由引發(fā)了我關于物聯(lián)網(wǎng)科研現(xiàn)狀的一些思考。有哪些關于IoT領域的科學研究還沒有被引起足夠重視？國外有哪些值得借鑒的科研與產(chǎn)業(yè)相結合的應用實踐？科研作為市場發(fā)展的領航者之一，會將物聯(lián)網(wǎng)的下一站引到何處？

因此在這篇文章中，我將圍繞絕少被人提及的信息物理計算CPC，為你介紹一些物聯(lián)網(wǎng)的前沿研究方向以及最新實踐。

從CPS信息物理“系統(tǒng)”到CPC信息物理“計算”

先從一個例子說起，1927年，當林德伯格首次在歷史上成功完成橫跨大西洋的單人不著陸飛行時，他駕駛的飛機是單引擎飛機圣路易斯精神號，那時的飛行控制僅僅通過監(jiān)測幾個傳感器來實現(xiàn)，憑借林德伯格一己之力就能完成。而如今的空客A380飛機，需要監(jiān)測的傳感器數(shù)量有數(shù)千個，遠非人力可及，這就對控制系統(tǒng)的內(nèi)部設計提出了更高的要求：它須在駕駛員面前隱藏大量設備的復雜性，他只需要處理有限數(shù)量的控制指令來駕駛飛機，而大量的感知數(shù)據(jù)和關鍵指標通過系統(tǒng)的自動化程序進行處理。

未來CPS系統(tǒng)的復雜性還會再度提升，目前物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)各場景對于大量復雜計算的實時性、面對非確定性以及環(huán)境變化多端時的自適應性，都對處理系統(tǒng)提出了更高的要求，而這一切需要通過CPS背后的重要使能技術信息物理計算CPC進行滿足。

信息物理系統(tǒng)CPS的各種需求

1、馮·諾依曼系統(tǒng)結構是建立在預先設定的確定性基礎之上，更適用于經(jīng)典控制和循序計算，而對于充滿不確定性以及大量高速計算的未來場景，馮·諾依曼系統(tǒng)結構正在經(jīng)受越來越多的挑戰(zhàn)。

按照馮·諾伊曼的設計思想，將計算機清晰地分為計算器、控制器、存儲器（和輸入輸出設備）幾個部分，計算模塊和存儲單元是分離的，CPU在執(zhí)行命令時必須先從存儲單元中讀取數(shù)據(jù)。

舉個例子，每一項任務，如果有10個步驟，那么CPU會依次進行10次讀取、執(zhí)行、再讀取、再執(zhí)行…這就造成了延時，以及大量功耗（80%）花費在了數(shù)據(jù)讀取上。當然，多核、多CPU或一些常用數(shù)據(jù)的就地存儲會一定程度上緩解這些問題，但這種中心處理的架構必然是處理能力提升的一大瓶頸。

因此目前許多人工智能芯片正在嘗試突破馮·諾依曼系統(tǒng)結構，設計善于靈活滿足神經(jīng)網(wǎng)絡結構的特定處理器。

2、信息物理融合系統(tǒng)是一個反應式自適應系統(tǒng)，可以動態(tài)修改自身行為和結構，以響應變化與環(huán)境，持續(xù)不斷的進行從輸入到輸出的交互，應對物理世界的動態(tài)性和不確定性因素的持續(xù)增長。

例如，汽車的巡航控制程序就是一個經(jīng)典的反應式計算實例，其中的物理設備要求對物理量進行動態(tài)建模，并要求系統(tǒng)能夠持續(xù)的自適應演化以應對環(huán)境中的不確定性。傳統(tǒng)的控制理論只關注連續(xù)時間系統(tǒng)，而在CPS信息物理系統(tǒng)中組成控制系統(tǒng)的軟件是看似零散的，由可并發(fā)的執(zhí)行機構組成，它們可能有多種運行時模型，并且能夠與連續(xù)演化的實際物理設備進行交互。

在現(xiàn)有的研究工作中，基于多智能體和基于模型的自適應是廣泛使用的方法。

多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）是由環(huán)境中交互的多個智能體組成的計算系統(tǒng)，它是分布式人工智能的一個重要分支，目標是將大而復雜的系統(tǒng)建設成小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的，易于管理的系統(tǒng)。

基于運行時模型（models@run.time）的自適應方法將模型驅(qū)動工程MDE技術的應用從設計時擴展到運行時，利用軟件模型對運行時豐富和不確定的信息進行管理，以支持自適應能力的實現(xiàn)。

上面這些術語是不是有些燒腦，我盡量通過鮮活的例子依次進行說明。

基于多智能體的自適應系統(tǒng)

還記得我曾經(jīng)提到過的那個“不務正業(yè)”的公司Festo嗎？最近幾年，F(xiàn)esto總是在德國漢諾威展會上“搞事情”，接連推出一系列仿生學產(chǎn)品，例如：機器鳥、機器章魚、機器昆蟲、機器大水母之類。而且這些動物機器人“家族”的成員不斷壯大，大有成群結隊的趨勢，比如一群可以協(xié)同工作的機器螞蟻，以及一批具有昆蟲輕盈性的蝴蝶機器人。

Festo在一份說明中寫道：“這些仿生機器人在明確的規(guī)則下一起工作，它們彼此溝通，協(xié)調(diào)行為和動作，每個機器螞蟻雖然自主決策，但總是服從于共同目標，就像自然界的螞蟻一樣。”

這些“動物”的控制與執(zhí)行單元，都搭載了最新一代的數(shù)字式氣動運控終端。每個機器動物都包含n個關節(jié)，分別對應n個自由度，每個關節(jié)都包括氣動旋轉葉輪模組、絕對值編碼器、壓力傳感器、可調(diào)節(jié)軸承等元件。面對如此復雜的系統(tǒng)，實現(xiàn)如此復雜的動作，其動力控制機構僅是一套數(shù)字式氣動運控終端。

內(nèi)行一眼就可以看出，這款產(chǎn)品堪稱革命性的氣動運控代表，它通過數(shù)字化將連接到各類氣動執(zhí)行機構的動力控制硬件減少、減少、再減少…最終徹底減少到只剩一種。

看“熱鬧”的圍觀群眾估計會認為它們只是一堆外形奇特的氣動“大玩具”，概念和炫技的成分超出了產(chǎn)品本身的實用價值，其實隱藏在這些具有群體智能的仿生機器人背后的“統(tǒng)帥”就是多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）。

在上周的文章中，我曾經(jīng)提到第2代CPS中包含兩個交織的計算周期：

1. 基本周期：包括從傳感à監(jiān)控à決策à推理à計劃à執(zhí)行à效用的閉環(huán)

2. 增強周期：包括從推理à學習à適應à進化的閉環(huán)

MAS中借鑒了上述兩個計算周期的思路，并且將智能工廠中的最底層“車間現(xiàn)場層”分為多類智能體，比如加工智能體（M）代表工廠中執(zhí)行加工或檢測任務的機器，傳輸智能體（C）代表傳送帶、自動導引車AGV等運輸設備，產(chǎn)品智能體（P）代表正在加工中的產(chǎn)品，緩沖智能體（S）代表臨時儲存半成品的銜接設備…在MAS中，設計與定義了這些智能體之間的協(xié)作與談判機制。

通過合作，這些智能體嘗試自適應的調(diào)整行為，以便實現(xiàn)系統(tǒng)的整體目標。由于受到本地信息不對稱的限制，單個智能體做出的決策有可能無法保證系統(tǒng)整體的性能最佳，這時預先定義的“協(xié)調(diào)員”（Coordinator）模塊就會發(fā)揮作用。

協(xié)調(diào)員與多個智能體通訊，掌握多種狀態(tài)和過程信息，從大量的實時信息中提取智能工廠的全局狀態(tài)，并將通過大數(shù)據(jù)分析之后的決策反饋給各個智能體，協(xié)調(diào)多智能體系統(tǒng)的行為，達到全局最優(yōu)化。

用于智能制造的多智能體系統(tǒng)

由于MAS既需要確保智能體之間的通訊，還需要確保物理設備之間的實時互聯(lián)，因此IEC 61131-3和IEC 61499標準是必不可少的底層支持。其中，IEC 61131-3是IEC 61131標準的第3部分，用于規(guī)范可編程邏輯控制器PLC、過程控制系統(tǒng)DCS、工控機IPC、數(shù)控機床CNC和SCADA編程系統(tǒng)的標準；IEC 61499是用于分布式工業(yè)過程測量與控制系統(tǒng)功能塊的標準。

多智能體系統(tǒng)與IEC 61131-3結合使用

作為最新趨勢，多智能體系統(tǒng)MAS正在朝著自組織的方向邁進，同時由于面向服務的體系結構SOA（service-oriented architecture）是構造分布式計算應用程序的方法，被認為是實現(xiàn)CPS智能工廠和智能生產(chǎn)的最佳技術途徑，SOA與MAS的融合也成為發(fā)展方向之一。構建面向服務的多智能體系統(tǒng)（SOMAS），不僅服務之間可以通過網(wǎng)絡調(diào)用，而且分布式多智能體自動滿足SOA原則。

CPS中的自組織多智能體系統(tǒng)

基于運行時模型的自適應系統(tǒng)

普適計算的興起促使數(shù)字世界與物理世界進一步融合，整個系統(tǒng)尤其是軟件部分的自適應能力愈發(fā)重要。具備自適應能力的軟件系統(tǒng)能夠在運行時根據(jù)上下文環(huán)境和需求的變化動態(tài)地調(diào)整自身的結構和行為。

自適應軟件通常包括被管理元素和管理元素兩個部分，其中，被管理元素是指自適應軟件的應用邏輯，這部分可以在運行過程中被動態(tài)地加以調(diào)整；管理元素是指自適應軟件的自適應邏輯，這部分通常通過反饋回路對應用邏輯進行調(diào)控。一種典型的反饋回路是由IBM提出的MAPE-K回路。該反饋回路包括4個環(huán)節(jié)，即監(jiān)測、分析、規(guī)劃和執(zhí)行，以及一個被各過程共享的知識庫。

IBM提出的自治元素參考結構

在基于模型的自適應方法中，MAPE-K回路中的各過程都以模型為中心進行。由于利用軟件模型來開發(fā)和管理自適應軟件系統(tǒng)能夠有效地解決運行時的復雜性問題，有觀點認為模型驅(qū)動工程（Model DrivenEngineering，MDE）將成為CPS開發(fā)的主流，是一個非常熱門的研究領域，基于運行時計算模型（models@run.time）的自適應方法利用并擴展了模型驅(qū)動工程MDE中的模型和技術。

基于模型驅(qū)動工程MDE的CPS開發(fā)流程

這里所說的一個模型，是一個與系統(tǒng)有因果聯(lián)系的系統(tǒng)的抽象表示，從問題空間的角度對系統(tǒng)的結構、行為或需求進行了刻畫，下面視頻中的路燈控制系統(tǒng)就是基于MDE的物聯(lián)網(wǎng)應用實例。

基于運行時計算模型（models@run.time）的自適應方法對傳統(tǒng)的模型驅(qū)動工程中的模型進行了擴展，將模型的應用從設計階段擴展到運行階段。與模型驅(qū)動工程中的模型類似，運行時模型也是與系統(tǒng)有因果聯(lián)系的系統(tǒng)的抽象表示，刻畫了系統(tǒng)的結構、行為或者目標。因為這樣的因果聯(lián)系，模型可以提供及時和明確的信息以驅(qū)動后續(xù)的自適應分析和規(guī)劃，在模型層次做出的自適應規(guī)劃也可以被追蹤到系統(tǒng)中。

Model@run.time機理

與模型驅(qū)動工程MDE中的模型從解決方案空間出發(fā)不同，運行時模型（models@run.time）從問題空間的角度對系統(tǒng)進行刻畫。該模型可以被視為一個在運行時仍然活動的開發(fā)模型，通常支持動態(tài)演化、在線推理、動態(tài)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)行為觀察、制品的自動生成、設計決策的新增等。

新舊系統(tǒng)的逐步遷移是必須考慮的一環(huán)

作為落地實踐中的重要步驟，如果不考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的遷移問題，就無法將上述提及的MAS、SOMAS、MDE、models@run.time等范例滲透到現(xiàn)實系統(tǒng)環(huán)境當中。

目前的絕大多數(shù)系統(tǒng)遵循ISA 95企業(yè)參考架構規(guī)范（www.isa95.org）進行設計，而在不遠的將來，傳統(tǒng)的金字塔架構將成為歷史。更高的連接性和更強的靈活性需求，正在觸發(fā)金字塔架構向平展化的趨勢演進。

這種從傳統(tǒng)的分層管理到扁平化分布式控制的遷移過程充滿諸多挑戰(zhàn)，一方面服務提供商和服務消費者的角色會有一定程度的交替，另一方面需要打破過去由企業(yè)競爭造成的人為邊界。

歐洲創(chuàng)新項目IMC-AESOP中，充分利用了SOA和云平臺等現(xiàn)代架構來提升企業(yè)的運營能力，同時對系統(tǒng)的遷移問題進行了有益的探索。

IMC-AESOP兼顧ISA 95中金字塔架構中的各種元素，同時將其與扁平化的現(xiàn)代系統(tǒng)趨勢相輔相成，通過工程實踐增強兩者之間的可集成性。IMC-AESOP將ISA 95規(guī)范中的功能拆解為可以在邊緣側或者云端提供的服務模塊。最終用戶可以輕松的將特定場景所需的功能和服務進行搭配，免除了ISA 95各個層級中系統(tǒng)集成的困擾。

IMC-AESOP項目中實現(xiàn)CPS的系統(tǒng)遷移視圖

如圖所示，IMC-AESOP提出了一種面向服務的架構，通過將流程服務化，業(yè)務軟件云化，更好的滿足最終用戶的應用需求，同時保留了傳統(tǒng)軟件設計、操作、管理等方面的各種有益特性，快速部署和實現(xiàn)現(xiàn)代快節(jié)奏的工業(yè)環(huán)境下所需的創(chuàng)新應用。此外，模塊化和基于服務的基礎架構充分考慮了靈活性的需求，可以隨時間推移逐步演變，以便適應未來的潛在需求。

目前，在CPC信息物理計算領域，科研和應用的彼此結合越來越緊密，與IMC-AESOP相仿的創(chuàng)新項目還有許多，它們各自在SOA、MAS、自適應生產(chǎn)管理、models@run.time等領域進行著持續(xù)的嘗試。

本文所述的研究工作大多圍繞打造系統(tǒng)的自適應能力開展，因為在充滿非確定性的現(xiàn)實世界，自適應能力是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分自治，完成自主響應，滿足業(yè)務環(huán)境靈活性與多變性的必備手段。無論是CPS還是CPC，都需要來自跨越產(chǎn)、學、研、用等多個領域，跨越電子、計算機、自動化等多種學科的企業(yè)與資源互相合作，才能取得學術突破以及實踐反哺。希望本文能為你揭開物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)核心新技術的一葉視角。

最后，由衷感謝阿里智聯(lián)網(wǎng)首席科學家丁險峰在成文過程中對我的大力支持。

本文小結：

1.信息物理計算（CPC，Cyber-PhysicalComputing）是CPS背后一項重要的使能技術，它是一系列計算技術的統(tǒng)稱，共性是基于非確定性的動態(tài)計算。

2.由于CPS系統(tǒng)的復雜性快速顯著提升，對于大量復雜計算的實時性、面對非確定性以及環(huán)境變化多端時的自適應性，都提出了更高的要求，多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）和基于運行時模型（models@run.time）的自適應計算是CPC的重要分支。

3.作為落地實踐中的重要步驟，新舊系統(tǒng)的逐步遷移是必須考慮的一環(huán)，面向服務的架構兼顧ISA 95中金字塔架構中的各種元素，同時將其與扁平化的現(xiàn)代系統(tǒng)趨勢相輔相成，最終用戶可以輕松的將特定場景所需的功能和服務進行搭配，免除了ISA 95各個層級中系統(tǒng)集成的困擾。

參考文獻：

【1】Towards Smart Factory for Industry 4.0: A Self-organized Multi-agentSystem with Big Data Based Feedback and Coordination

【2】Self-adaptation for Internet of Things applications

【3】Patterns for Self-Adaptation in Cyber-PhysicalSystems

【4】A Comprehensive Technological Survey onDependable Self-Managing CPS:The Decade ofResearches on Correctness and Dependability

【5】Industrial automation based on cyber-physical systemstechnologies:Prototype implementations and challenges

【6】A review of design principles for smart cyber-physicalsystems forrun-time adaptation:Learned lessons and open issues

【7】Order beyond chaos: introducing the notion of generation tocharacterize the continuously evolving implementation of cyber-physical systems

【8】A Methodology Based on Model-Driven Engineering for IoT ApplicationDevelopment

【9】Runtime model based approach to IoT application development

【10】Cyber Physical Computing for IoT-driven Services

【11】MDE4IoT-Supporting the Internet of Things with Model-DrivenEngineering

【12】Beyond Discrete Modeling-Continuous and Efficient Models@Run.timefor IoT

【13】Model-driven Development of Adaptive IoT Systems

【14】Runtime Model Based Approach to Smart Home System Development

【15】Facilitating Modeling and Simulationof Complex SystemsThroughInteroperable Software

看懂CPS，才能真正撬動物聯(lián)網(wǎng)的萬億級市場

作者：物女王（彭昭）

物聯(lián)網(wǎng)智庫 原創(chuàng)

轉載請注明來源和出處

導 讀

在本文中，我將嘗試探討以下問題：

為什么看懂CPS對于理解物聯(lián)網(wǎng)的未來尤為重要？

CPS描繪了怎樣的未來藍圖？

CPS為我們更深的認知和改造物理世界，提供了哪些思路？

在多個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，原有的通用性芯片的發(fā)展思路顯然不能滿足萬物互聯(lián)的需求，因此，針對不同場景研發(fā)不同垂直領域的芯片成為一種新的“解題方式”，所以你會看到越來越多的IoT公司正在自行研發(fā)算法更優(yōu)化、功耗與成本更低的芯片，以滿足智能家居、智能音箱、智能攝像頭、自動駕駛汽車等特定場景的需求。

也就是說，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是技術，它還帶來了方法論層面的變革；更進一步，它還是一種新的思維方式，讓我們有機會以前所未有的角度認知物理世界、前所未有的方式改造物理世界。

如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為新技術，可以開發(fā)一些創(chuàng)新硬件和方案，撬動百億級的市場；如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為方法論，可以用它變革傳統(tǒng)行業(yè)與流程，撬動千億級的市場；如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為思維方式，有可能改變整個物理世界的互聯(lián)方式，撬動的是不止萬億級的市場。

為了以正宗的姿勢理解物聯(lián)網(wǎng)這種全新的思維方式，有一個術語不得不提：CPS（Cyber-Physical Systems），中文翻譯為“信息物理系統(tǒng)”。

CPS這個名詞在2006年由美國國家科學基金會NSF首次提出，并在消費電子、能源、工業(yè)、公共事業(yè)、醫(yī)療健康等領域開展了對于CPS的應用探索，隨后美國將其作為搶占全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭制高點的“種子選手”。

2013年，德國《工業(yè)4.0實施建議》將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術，在隨后則重點推進以制造為導向的CPS，即CPPS（Cyber Physical Production System）。

凡事有利有弊，工業(yè)4.0將CPS作為其核心的舉措，一方面讓CPS受到了更加廣泛的關注，另一方面也讓部分人錯誤的認為CPS僅僅局限于工業(yè)領域，或許對于CPS的刻板印象和誤解還不止于此。

看到這里，你的心中一定充滿了各種疑問。因此在本文中，我將嘗試探討以下問題：

為什么看懂CPS對于理解物聯(lián)網(wǎng)的未來尤為重要？

CPS描繪了怎樣的未來藍圖？

CPS為我們更深的認知和改造物理世界，提供了哪些思路？

CPS的精髓在于數(shù)字世界

不可否認的事實是，CPS的內(nèi)涵和外延一直都在持續(xù)變化，至今尚未形成統(tǒng)一的定義。

拆解CPS這個名詞，其中既包含Cyber（數(shù)字世界），又包含Physical（物理世界），給人的第一印象是CPS是連接可見與不可見世界的“橋梁”。如果僅僅把CPS理解為“橋梁”、“總線”，或者“系統(tǒng)”，未免過于狹隘和短視。

英文Physical不僅是“物理”的意思，更代表蘊含在物理實體背后的客觀規(guī)律。美國國家科學基金會NSF對于CPS的解釋是，按照自然規(guī)則或者人為規(guī)則運行的系統(tǒng)，物理模型只是承載這些規(guī)則的手段之一，其它的手段還包括周邊環(huán)境、相關要素、機器社群等。

目前我看到的對于CPS最好的解釋是，CPS著眼于將物理設備聯(lián)網(wǎng)，也就是將設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等5大功能。

CPS本質(zhì)上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。CPS的3個核心元素包括通信（communication）、計算（computation）和控制（control），值得注意的是，CPS把“通信”放在與“計算”和“控制”同等的地位上，因為在CPS強調(diào)的分布式應用系統(tǒng)中，物理設備集群之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。

CPS對網(wǎng)絡內(nèi)部設備的控制精度、遠程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是在網(wǎng)絡規(guī)模上，可以說吊打現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡。

在美國辛辛那提大學李杰教授所著的新書《CPS新一代工業(yè)智能》中，曾經(jīng)提到在電影《天空之眼》中的一個鮮活故事，讓我們可以在一定程度上直觀的感受到CPS的內(nèi)涵。

《天空之眼》是一部以無人機反恐打擊為角度切入的戰(zhàn)爭片。電影中，遠程駕駛的無人機原本只需要執(zhí)行空中監(jiān)視任務，卻在發(fā)現(xiàn)恐怖分子即將進行恐怖活動后，改為對其進行定點清除任務。因為襲擊目標房屋的旁邊有個小女孩，執(zhí)行任務過程中很有可能會造成小女孩的傷亡。劇情的沖突點在于，經(jīng)過計算，小女孩受傷的概率非常高，所以指揮官與操作手在無辜生命和有價任務之間徘徊、爭執(zhí)、選擇。

在電影的一個場景中，指揮中心里的分析人員不斷尋找目標房屋的射擊點，以便在擊殺恐怖分子的同時使小女孩被誤傷的風險降到最低。這個微妙決策的誕生，其基礎即為對狀態(tài)和活動的精確評估及預測，涵蓋了CPS的3個核心元素：

通信（communication）：無人機將地面的數(shù)據(jù)和自身的狀態(tài)不間斷地傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦噶钜材軌驅(qū)崟r地傳遞到無人機上。

計算（computation）：這里的計算有非常明確的目的性，首先是完成任務的能力，即選擇不同的瞄準點對襲擊目標造成致命打擊的成功率；還有在襲擊過程中造成房屋邊上的小女孩傷亡的風險。

控制（control）：無人機的指揮中心設置在距離襲擊目標數(shù)千英里的亞利桑那州，操作手能夠通過實時控制系統(tǒng)RCS實現(xiàn)飛行員對飛機的一切真實操作。

在這個實例的決策過程中，對目標要求的完成程度和達成目標所要付出的代價，這兩者之間的精確預測和權衡是計算的內(nèi)容和目的。決策不是最終目的，對決策造成的影響進行精確化的評估和管理才是目的。

CPS將整個物理世界的規(guī)則進行建模、預測、優(yōu)化和管理，CPS不僅是“橋梁”、“總線”，或者“系統(tǒng)”，它的精髓在于對數(shù)字世界的營造。

CPS更為本質(zhì)的意義在于，它或?qū)⒊蔀槲锫?lián)網(wǎng)互聯(lián)與改造整個物理世界的一項底層思維基礎。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人、人與數(shù)字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)伺c物、物與物，乃至物理世界與數(shù)字世界的互動方式。

CPS的4個發(fā)展世代

CPS其實并不復雜，縱覽關于CPS的多篇文獻，看懂CPS，只需讀懂兩張架構圖。

過去我們解決已知和可見問題的前提假設是，物理世界的變化規(guī)律是確定的，這些規(guī)律可以被認知和被模擬。前幾次產(chǎn)業(yè)革命都是基于這種認為世界是確定性的思維方式，通過不斷研究確定性的客觀規(guī)律，一次次突破了生產(chǎn)力的發(fā)展瓶頸，一次次將人類的生產(chǎn)力帶上一個新的臺階。

但是這一次，當我們試圖再通過原來的手段將各個產(chǎn)業(yè)帶入新的階段時，發(fā)現(xiàn)不是單純提升生產(chǎn)力的問題那么簡單，人類對自身的認知以有了合理的“回落”，即：如果不能正視真實世界的非確定性，將很難取得突破。面對充滿不確定性的多變世界，原有的計算基礎和思維方式將會受到挑戰(zhàn)。為了應對真實世界的不確定性，就要從根本上改變系統(tǒng)設計的理念和方法，而不僅僅是簡單改造外界，如提升設備性能。

從發(fā)展階段上來看，根據(jù)智能化和自組織的等級，CPS分為四代。目前我們正在從第1代向第2、3代的演進過程中，工業(yè)4.0的核心是第2代CPS。

第0代CPS：封閉物理系統(tǒng)和流程

目前存在于各種產(chǎn)業(yè)中的自動化系統(tǒng)屬于此類，第0代CPS具有感知、控制、執(zhí)行和反饋的閉環(huán)，通常是由預先定義的邏輯或者規(guī)則進行控制的封閉系統(tǒng)，不能對各種不確定性以及多變的環(huán)境及任務產(chǎn)生響應。

第0代CPS更加側重功能性的設計，解決的是已知或者可見的問題，系統(tǒng)以預期和實際之間的差異作為負反饋控制的依據(jù)。但是在真實世界中，環(huán)境和目標都有很大的未知和不確定性，這些不確定性來自于環(huán)境和任務，也來自于系統(tǒng)本身，因此便有了CPS的如下演進路徑。

第1代CPS：自調(diào)節(jié)與自校正

在第1代CPS中，系統(tǒng)架構和默認的操作方式在方案設計階段被定義和確定，在整個系統(tǒng)的生命周期中不會發(fā)生變化。第1代CPS具有控制功能，并且可以將參數(shù)調(diào)節(jié)到最優(yōu)水平。在系統(tǒng)發(fā)生故障，或者周邊環(huán)境產(chǎn)生變化的情況下，需要人為進行干預和調(diào)整。

系統(tǒng)可以應對軟件或者網(wǎng)絡的一些非確定性，比如通信和計算中的時鐘抖動，網(wǎng)絡中的丟包，資源的調(diào)用與沖突。然而第1代CPS并非自適應系統(tǒng)，不能對非確定性做出相應地預測。

實例：數(shù)控機床。

第2代CPS：自感知與自適應

第2代CPS可以應對已知模式的變化，系統(tǒng)在設計時考慮了多個可替代的控制模式，在運行時CPS將在最佳模式下運行。控制模式和推理算法在設計階段進行預定義，在整個系統(tǒng)的生命周期內(nèi)不會發(fā)生變化。來自系統(tǒng)和環(huán)境的感知數(shù)據(jù)，用于CPS在不同操作模式中進行切換。

此處CPS系統(tǒng)的自感知并不等同于人類心理學層面的自我感知，CPS的自感知對應人腦中的初級思維功能，包括對當前狀態(tài)的評估，設備與環(huán)境、設備與任務之間的關聯(lián)關系識別，不同情境對系統(tǒng)影響的判斷，特定場景中的操作理解，以及上下文語義識別。

CPS的自感知構成了一種本地化的“系統(tǒng)世界觀”，這種自感知的強弱很大程度上取決于引入信息的多少，以及可用信息的范圍。

實例：運作在多模式下的飛行控制系統(tǒng)。

第3代CPS：自認知與自進化

對于準已知的變化，第3代CPS可以應對，它是一個可以自我成長的智能體，其價值和能力會隨著使用的不斷積累而增強。具備自學習能力的CPS可以在預定義的范圍內(nèi)，根據(jù)實際約束條件進行自組織與自調(diào)整。

相比自感知，自認知是一種更高級的認知模式，需要結合各種經(jīng)驗和知識，對陌生的情況做出適當?shù)耐评怼Ｗ哉J知在部件級、單機級、系統(tǒng)級等不同應用層面上有著不同的方式和目的。從自感知到自認知，反應了智能化水平的提升，也反映了從局部到全局的智能化范圍擴展。自感知使得CPS在特定情況下可以針對物理世界建立有效的模型，自認知使得CPS可以從多個不同角度建立物理世界的多種模型。自認知本身具有一定的不確定性，不同的情景和上下文語境，有可能讓系統(tǒng)從不同角度提出多種模型。

自進化表現(xiàn)為CPS從一個穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)展到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力，以便響應需求、任務、目標和環(huán)境的變化。目前在設計階段，充分預測各種運行場景和功能變得越來越困難，因此讓CPS具有自進化的能力變得非常迫切，當前的各種系統(tǒng)還遠未達到被期待的自進化水平。

示例：自學習機器人。

第4代CPS：自我意識和自我復制

第4代CPS可以應對未知變化，人不再必須參與控制過程。目前對于第4代CPS，尚無法給出明確的界定。全面的實現(xiàn)系統(tǒng)智能，包括機器感知、情景感知、機器學習、自主認知等能力，被認為是第3代和第4代CPS的主要區(qū)別。

對于什么是智能，什么是系統(tǒng)智能，智能水平如何評級，不同的機構與組織之間存在頗多爭論，也可能本不存在確定答案。

CPS中兩個交織的計算周期

當下物聯(lián)網(wǎng)方案普遍處于向第2代CPS邁進的階段，在這里形成了兩個交織的計算周期：

1. 基本周期：包括從傳感à監(jiān)控à決策à推理à計劃à執(zhí)行à效用的閉環(huán)

2. 增強周期：包括從推理à學習à適應à進化的閉環(huán)

在基本周期中，物理世界被提煉為數(shù)字模型，各個模型基于“設備畫像”或者“物模型”進行提煉。設備畫像形成了一種設備維度的標準數(shù)據(jù)，可以進一步分析不同場景中使用的配置，做到知識的復用。

企業(yè)通過設備畫像和物模型的管理，不斷從設備物聯(lián)數(shù)據(jù)獲取想要的信息，幫助提升業(yè)務精準度。它可以幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的沉淀，打造數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務的能力，精準預測和構建設備的特征庫。

在基本周期中，經(jīng)由模型驅(qū)動，以萬變應不變。

在增強周期中，考慮到真實世界的不確定性和多變性，通過深度學習得出來的推理模型對基本模型進行自適應調(diào)整，由此形成了具有非確定性特征的CPS。經(jīng)由賦予CPS一定的自由度，以增強其適應不同任務、環(huán)境和場景的能力。

CPS的智能性很大程度上取決于推理機制，由其感知和預測環(huán)境的變化及不確定性，并對自身狀態(tài)的變化和風險性因素進行評估和預測。

在增強周期中，經(jīng)由規(guī)則驅(qū)動，以不變應萬變。

至此，通過對于CPS的四個世代和兩個周期的說明，輔以兩張圖片，我將關于CPS的最新進展呈現(xiàn)在了你的面前。

這篇文章不同于往常，我們從方法論和思維方式的角度揭示了物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展之路。把“通信”、“計算”和“控制”置于同等地位的CPS，值得花時間細細琢磨，掌握了它，將讓我們更好的認知和“駕馭”充滿不確定性的真實物理世界，它或許還將改變我們與物理世界的相處方式。

最后，由衷感謝阿里智聯(lián)網(wǎng)首席科學家丁險峰在成文過程中對我的大力支持。

本文小結：

1.物聯(lián)網(wǎng)，既是技術又不完全是技術，它更像是一種方法論、一種思維方式，讓我們有機會從前所未有的角度認知物理世界、改造物理世界。

2.CPS著眼于將物理設備聯(lián)網(wǎng)，也就是將設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等5大功能。

3.CPS的本質(zhì)意義在于，它是物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)與改造整個物理世界的底層思維基礎。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人、人與數(shù)字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)伺c物、物與物，乃至物理世界與數(shù)字世界的互動方式。

參考資料：

《CPS新一代工業(yè)智能》

A review of design principles for smartcyber-physical systems for run-time adaptation: Learned lessons and open issues

Order beyond chaos: introducing the notionof generation to characterize the continuously evolving implementation ofcyber-physical systems