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(lǐng)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。

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也就是說，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是技術(shù)，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***的角度認知物理世界、***的方式改造物理世界。

如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為新技術(shù)，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(shù)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***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(lǐng)域開展了對于CPS的應(yīng)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(shù)，在隨后則重點推進以制造為導(dǎo)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(guān)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(lǐng)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***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(guān)要素、機器社群等。

目前我看到的對于CPS***的解釋是，CPS著眼于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，也就是將設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)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(luò)，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(yīng)用系統(tǒng)中，物理設(shè)備集群之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。

CPS對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)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(luò)規(guī)模上，可以說吊打現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)。

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(wù)，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(wù)。因為襲擊目標房屋的旁邊有個小女孩，執(zhí)行任務(wù)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(wù)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***。這個微妙決策的誕生，其基礎(chǔ)即為對狀態(tài)和活動的精確評估及預(yù)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(wù)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(shè)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。

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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(yù)測和權(quán)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(yù)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(chǔ)。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(fù)雜，縱覽關(guān)于CPS的多篇文獻，看懂CPS，只需讀懂兩張架構(gòu)圖。

過去我們解決已知和可見問題的前提假設(shè)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(chǔ)和思維方式將會受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對真實世界的不確定性，就要從根本上改變系統(tǒng)設(shè)計的理念和方法，而不僅僅是簡單改造外界，如提升設(shè)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。

1. 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(yù)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(wù)產(chǎn)生響應(yīng)。

第0代CPS更加側(cè)重功能性的設(shè)計，解決的是已知或者可見的問題，系統(tǒng)以預(yù)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(wù)，也來自于系統(tǒng)本身，因此便有了CPS的如下演進路徑。

2. 第1代CPS：自調(diào)節(jié)與自校正

在第1代CPS中，系統(tǒng)架構(gòu)和默認的操作方式在方案設(shè)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***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(yù)和調(diào)整。

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

實例：數(shù)控機床。

3. 第2代CPS：自感知與自適應(yīng)

第2代CPS可以應(yīng)對已知模式的變化，系統(tǒng)在設(shè)計時考慮了多個可替代的控制模式，在運行時CPS將在***模式下運行。控制模式和推理算法在設(shè)計階段進行預(yù)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(yīng)人腦中的初級思維功能，包括對當前狀態(tài)的評估，設(shè)備與環(huán)境、設(shè)備與任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)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(gòu)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)。

4. 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(yīng)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(yù)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(jié)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(yīng)用層面上有著不同的方式和目的。從自感知到自認知，反應(yīng)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(yīng)需求、任務(wù)、目標和環(huán)境的變化。目前在設(shè)計階段，充分預(yù)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。

5. 第4代CPS：自我意識和自我復(fù)制

第4代CPS可以應(yīng)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(gòu)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：

• 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)
• 增強周期：包括從推理à學習à適應(yīng)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(shè)備畫像”或者“物模型”進行提煉。設(shè)備畫像形成了一種設(shè)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(fù)用。

企業(yè)通過設(shè)備畫像和物模型的管理，不斷從設(shè)備物聯(lián)數(shù)據(jù)獲取想要的信息，幫助提升業(yè)務(wù)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(wù)的能力，精準預(yù)測和構(gòu)建設(shè)備的特征庫。

在基本周期中，經(jīng)由模型驅(qū)動，以萬變應(yīng)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(yīng)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(yīng)不同任務(wù)、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(yù)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(yù)測。

在增強周期中，經(jīng)由規(guī)則驅(qū)動，以不變應(yīng)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(guān)于CPS的***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。

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

本文小結(jié)：

• 物聯(lián)網(wǎng)，既是技術(shù)又不完全是技術(shù)，它更像是一種方法論、一種思維方式，讓我們有機會從***的角度認知物理世界、改造物理世界。
• CPS著眼于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，也就是將設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)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(chǔ)。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。