導 讀

在本文中，我將嘗試探討以下問題：

• 為什麼看懂CPS對於理解物聯網的未來尤為重要？
• 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？

這是我在【物女心經】專欄寫的第93篇文章。

在多個產業環節，原有的通用性晶片的發展思路顯然不能滿足萬物互聯的需求，因此，針對不同場景研發不同垂直領域的晶片成為一種新的“解題方式”，所以你會看到越來越多的IoT公司正在自行研發演算法更優化、功耗與成本更低的晶片，以滿足智慧家居、智慧音箱、智慧攝像頭、自動駕駛汽車等特定場景的需求。

也就是說，物聯網已經不僅僅是技術，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。

如果你把物聯網作為新技術，可以開發一些創新硬體和方案，撬動百億級的市場；如果你把物聯網作為方法論，可以用它變革傳統行業與流程，撬動千億級的市場；如果你把物聯網作為思維方式，有可能改變整個物理世界的互聯方式，撬動的是不止萬億級的市場。

為了以正宗的姿勢理解物聯網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“資訊物理系統”。

CPS這個名詞在2006年由美國國家科學基金會NSF首次提出，並在消費電子、能源、工業、公共事業、醫療健康等領域開展了對於CPS的應用探索，隨後美國將其作為搶佔全球新一輪產業競爭制高點的“種子選手”。

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

凡事有利有弊，工業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僅僅侷限於工業領域，或許對於CPS的刻板印象和誤解還不止於此。

看到這裡，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：

• 為什麼看懂CPS對於理解物聯網的未來尤為重要？
• 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的精髓在於數字世界

不可否認的事實是，CPS的內涵和外延一直都在持續變化，至今尚未形成統一的定義。

拆解CPS這個名詞，其中既包含Cyber（數字世界），又包含Physical（物理世界），給人的第一印象是CPS是連線可見與不可見世界的“橋樑”。如果僅僅把CPS理解為“橋樑”、“匯流排”，或者“系統”，未免過於狹隘和短視。

英文Physical不僅是“物理”的意思，更代表蘊含在物理實體背後的客觀規律。美國國家科學基金會NSF對於CPS的解釋是，按照自然規則或者人為規則執行的系統，物理模型只是承載這些規則的手段之一，其它的手段還包括周邊環境、相關要素、機器社群等。

目前我看到的對於CPS最好的解釋是，CPS著眼於將物理裝置聯網，也就是將裝置連線到網際網路上，讓物理裝置具有計算、通訊、精確控制、遠端協調和自治等5大功能。

CPS本質上是一個具有控制屬性的網路，但它又有別於現有的控制系統。CPS的3個核心元素包括通訊（communication）、計算（computation）和控制（control），值得注意的是，CPS把“通訊”放在與“計算”和“控制”同等的地位上，因為在CPS強調的分散式應用系統中，物理裝置叢集之間的協調是離不開通訊的。

CPS對網路內部裝置的控制精度、遠端協調能力、自治能力、控制物件的種類和數量，特別是在網路規模上，可以說吊打現有的各種網路。

在美國辛辛那提大學李傑教授所著的新書《CPS新一代工業智慧》中，曾經提到在電影《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的內涵。

《天空之眼》是一部以無人機反恐打擊為角度切入的戰爭片。電影中，遠端駕駛的無人機原本只需要執行空中監視任務，卻在發現恐怖分子即將進行恐怖活動後，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，執行任務過程中很有可能會造成小女孩的傷亡。劇情的衝突點在於，經過計算，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、選擇。

在電影的一個場景中，指揮中心裡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，其基礎即為對狀態和活動的精確評估及預測，涵蓋了CPS的3個核心元素：

• 通訊（communication）：無人機將地面的資料和自身的狀態不間斷地傳輸到控制中心，而控制指令也能夠實時地傳遞到無人機上。
• 計算（computation）：這裡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定在距離襲擊目標數千英里的亞利桑那州，操作手能夠通過實時控制系統RCS實現飛行員對飛機的一切真實操作。

在這個例項的決策過程中，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則進行建模、預測、優化和管理，CPS不僅是“橋樑”、“匯流排”，或者“系統”，它的精髓在於對數字世界的營造。

CPS更為本質的意義在於，它或將成為物聯網互聯與改造整個物理世界的一項底層思維基礎。如同網際網路改變了人與人、人與數字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯網將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。

CPS的4個發展世代

CPS其實並不複雜，縱覽關於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，物理世界的變化規律是確定的，這些規律可以被認知和被模擬。前幾次產業革命都是基於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律，一次次突破了生產力的發展瓶頸，一次次將人類的生產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業帶入新的階段時，發現不是單純提升生產力的問題那麼簡單，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。為了應對真實世界的不確定性，就要從根本上改變系統設計的理念和方法，而不僅僅是簡單改造外界，如提升裝置效能。

從發展階段上來看，根據智慧化和自組織的等級，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4.0的核心是第2代CPS。

• 第0代CPS：封閉物理系統和流程

目前存在於各種產業中的自動化系統屬於此類，第0代CPS具有感知、控制、執行和反饋的閉環，通常是由預先定義的邏輯或者規則進行控制的封閉系統，不能對各種不確定性以及多變的環境及任務產生響應。

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，系統以預期和實際之間的差異作為負反饋控制的依據。但是在真實世界中，環境和目標都有很大的未知和不確定性，這些不確定性來自於環境和任務，也來自於系統本身，因此便有了CPS的如下演進路徑。

• 第1代CPS：自調節與自校正

在第1代CPS中，系統架構和預設的操作方式在方案設計階段被定義和確定，在整個系統的生命週期中不會發生變化。第1代CPS具有控制功能，並且可以將引數調節到最優水平。在系統發生故障，或者周邊環境產生變化的情況下，需要人為進行干預和調整。

系統可以應對軟體或者網路的一些非確定性，比如通訊和計算中的時鐘抖動，網路中的丟包，資源的呼叫與衝突。然而第1代CPS並非自適應系統，不能對非確定性做出相應地預測。

例項：數控機床。

• 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，系統在設計時考慮了多個可替代的控制模式，在執行時CPS將在最佳模式下執行。控制模式和推理演算法在設計階段進行預定義，在整個系統的生命週期內不會發生變化。來自系統和環境的感知資料，用於CPS在不同操作模式中進行切換。

此處CPS系統的自感知並不等同於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，包括對當前狀態的評估，裝置與環境、裝置與任務之間的關聯關係識別，不同情境對系統影響的判斷，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“系統世界觀”，這種自感知的強弱很大程度上取決於引入資訊的多少，以及可用資訊的範圍。

例項：運作在多模式下的飛行控制系統。

• 第3代CPS：自認知與自進化

對於準已知的變化，第3代CPS可以應對，它是一個可以自我成長的智慧體，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可以在預定義的範圍內，根據實際約束條件進行自組織與自調整。

相比自感知，自認知是一種更高階的認知模式，需要結合各種經驗和知識，對陌生的情況做出適當的推理。自認知在部件級、單機級、系統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，反應了智慧化水平的提升，也反映了從區域性到全域性的智慧化範圍擴充套件。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，有可能讓系統從不同角度提出多種模型。

自進化表現為CPS從一個穩定狀態，發展到一個新的穩定狀態的能力，以便響應需求、任務、目標和環境的變化。目前在設計階段，充分預測各種執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：自我意識和自我複製

第4代CPS可以應對未知變化，人不再必須參與控制過程。目前對於第4代CPS，尚無法給出明確的界定。全面的實現系統智慧，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的主要區別。

對於什麼是智慧，什麼是系統智慧，智慧水平如何評級，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中兩個交織的計算週期

當下物聯網方案普遍處於向第2代CPS邁進的階段，在這裡形成了兩個交織的計算週期：

1. 基本週期：包括從感測à監控à決策à推理à計劃à執行à效用的閉環

2. 增強週期：包括從推理à學習à適應à進化的閉環

在基本週期中，物理世界被提煉為數字模型，各個模型基於“裝置畫像”或者“物模型”進行提煉。裝置畫像形成了一種裝置維度的標準資料，可以進一步分析不同場景中使用的配置，做到知識的複用。

企業通過裝置畫像和物模型的管理，不斷從裝置物聯資料獲取想要的資訊，幫助提升業務精準度。它可以幫助企業實現資料資產的沉澱，打造資料驅動業務的能力，精準預測和構建裝置的特徵庫。

在基本週期中，經由模型驅動，以萬變應不變。

在增強週期中，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整，由此形成了具有非確定性特徵的CPS。經由賦予CPS一定的自由度，以增強其適應不同任務、環境和場景的能力。

CPS的智慧性很大程度上取決於推理機制，由其感知和預測環境的變化及不確定性，並對自身狀態的變化和風險性因素進行評估和預測。

在增強週期中，經由規則驅動，以不變應萬變。

至此，通過對於CPS的四個世代和兩個週期的說明，輔以兩張圖片，我將關於CPS的最新進展呈現在了你的面前。

這篇文章不同於往常，我們從方法論和思維方式的角度揭示了物聯網的未來發展之路。把“通訊”、“計算”和“控制”置於同等地位的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。

最後，由衷感謝阿里智聯網首席科學家丁險峰在成文過程中對我的大力支援。

本文小結：

1. 物聯網，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著眼於將物理裝置聯網，也就是將裝置連線到網際網路上，讓物理裝置具有計算、通訊、精確控制、遠端協調和自治等5大功能。

3. CPS的本質意義在於，它是物聯網互聯與改造整個物理世界的底層思維基礎。如同網際網路改變了人與人、人與數字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯網將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。