信息物理系统CPS演进方向及落地方式

本文在工信部最近新发布的《信息物理系统白皮书（2017）》对CPS 三个层次划分的基础上，提出了CPS的二维度划分，并衍生出九种CPS落地方式。

CPS（Cyber－Physical Systems，常见的中文翻译是信息物理系统）源于美国，却因为德国工业4.0而风靡全球，并成为工业4．0的核心技术。在我国，CPS也得到高度重视，在《中国制造2025》中明确强调：“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”，CPS已经成为智能制造的核心支撑技术。

▲CPS系统

近日，随着由工信部信软司指导、“中国信息物理系统发展论坛”编写的《信息物理系统白皮书（2017）》（以下简称“白皮书”）的发布，以及由“走向智能研究院”等单位举办的“CPS信息物理系统专家宣讲团万人微信在线分享活动”的开展，将CPS再次推向了智能制造领域的浪尖。

白皮书对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述，并对CPS进行了三个层次的划分，即单元级、系统级、SOS级（系统之系统），分别以“网”、“平台”为标准，从功能范围上界定了CPS的分级，这对规范大家的认识，推动CPS发展具有非常重要的意义。

但笔者经过深入研究后认为，这种划分只是从横向上进行了一维的定义，在指导落地方面尚显不足，还应该从其他维度进行定义与划分，通过多维度定义、组合、演进，形成更多落地性强的解决方案，从而更好地指导、促进智能制造的发展。

下面，笔者期望通过自己的一些观点，起到抛砖引玉的作用，激发大家对CPS的探索，更好地促进CPS的落地与发展。由于CPS在国内外尚处于一个探索阶段，不足之处，敬请各位专家批评指正。

1．三个层次清晰揭示CPS演进方向

白皮书将CPS分为三个层次，分别是单元级、系统级、SOS级，通过三个层次的划分，可以清晰地看出CPS的演进发展方向。这种划分方法其实与美国、德国等国家的相关定义基本是一致的。

1．1中国白皮书

▲白皮书对CPS三个层次的划分

白皮书对这三级CPS的定义如下：

单元级CPS：单元级CPS具有不可分割性，其内部不能分割出更小CPS单元。单元级CPS能够通过物理硬件（如传动轴承、机械臂、电机等）、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知－分析－决策－执行”数据自动流动基本的闭环，实现在设备工作能力范围内的资源优化配置。

系统级CPS： 在单元级CPS的基础上，通过网络的引入，可以实现系统级CPS的协同调配。在这一层次上，多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS。

SoS级CPS：在系统级CPS的基础上，可以通过构建CPS智能服务平台，实现系统级CPS之间的协同优化。在这一层次上，多个系统级CPS构成了SoS级CPS，如多条产线或多个工厂之间的协作，以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。

白皮书分别以“网”、“平台”为标准，将CPS划分为三级。

1．2美国NIST

美国国家标准与技术研究院（NIST）于2016年5月发布了《信息物理系统框架》就是典型的三个层次。分别是人机协同下的设备级、系统级、SOS级，与中国白皮书几乎是完全一致，或者是说中国白皮书参考了该模型。

1．3德国达姆施塔特技术大学

德国达姆施塔特技术大学（Technische Universit?t Darmstadt）Reiner Anderl教授给出了如下的划分：

分别是在嵌入式系统与智能传感器等基础上形成智能系统（包含智能传感器与执行器）、CPS系统及CPPS系统（赛博物理生产系统，也是一种典型的SoS）。

从中美德三国对CPS演进的划分来看，中国白皮书划分最为清晰（以“网”、“平台”作为划分标志），美国NIST的最为经典，并且突出了“人”的作用，而德国的演进路径突出了德国最擅长的嵌入式技术、制造技术等特点。

通过这些划分，我们可以很清晰地看到CPS由简单到复杂、由低级到高级的演进路径。

2．一维只能界定属性，二维才能更利于CPS落地

但笔者认为，这种横向一维的划分只是对系统属性进行界定，对指导CPS如何落地尚显不足，如果加上纵向的智能程度属性，形成二维的定义将更有利于对CPS的理解，并可更好地促进CPS的落地。

2．1 智能系统的三个层级

在笔者共同编著的《三体智能革命》一书中，我们将人造系统的智能根据“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升”的5大特征（简称“20字箴言”）划分了三个纵向的层级，分别是：

　　初级智能系统：具备状态感知、自动决策、即刻执行，即有感知、自决策、善动作的系统。这类系统由工业装置自身即可实现。

　　恒定智能系统：具备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征，在初级智能的基础上强调了系统的分析与决策能力。

　　开放智能系统：具备智能的5个全部特征，状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。系统具有一定的认知能力，并具备了自我改善、学习提升的持续发展能力。

　　这三类智能可用下面的图示表示。

2．2 “二维九格”衍生九种CPS落地方案

　　通过横向的三个智能层级与纵向的三个属性层级，我们可衍生出9种CPS落地方案。下面，我们逐一进行简述。

　　根据以上划分，共有三组单元级的CPS，他们的特点是最小的CPS单元，具有不可分割性。

　　初级智能／单元级：如冰箱恒温装置。该装置可感知温度，在温度超出一定范围后，能自动决策，即刻启停制冷开关。这是CPS一种最基本的初级智能、单元级的应用。

　　恒定智能／单元级：如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化，基于知识的决策，在较小载荷的情况下自动增大进给速率，在较大载荷的情况下减少进给速率，达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点，并且具有不可再分割的特点，所以是一种恒定智能／单元级系统。

　　开放智能／单元级：典型的例子如阿尔法围棋程序系统（AlphaGo）。AlphaGo除了具有实时分析、自主决策等功能以外，还具有学习认知的能力，并由于具有不可再分割性，因此，这是一种开放智能／单元级系统。

　　下面是三组系统级CPS的例子，特点是引入了“网络”的概念。

　　初级智能／系统级：如宾馆火灾烟雾自动监控报警系统。每个房间的感烟探测器感应到烟雾后，将信号通过网络传递到中央控制室，启动报警设施，并自动启动喷水灭火系统进行灭火。这是一种通过网络、具有实时感知、自动决策、即刻执行特点的初级智能系统级CPS。

　　恒定智能／系统级：如智能车间／产线。在兰光创新研发的兰光智能车间系统中，通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、大数据分析与可视化展现，并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理，设备、物料、质量等出现问题，系统会自动通知相关人员，甚至采取相应措施，实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策（部分自主决策，有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策）与精准执行，可以算是一种恒定智能的系统级CPS。

　　开放智能／系统级：这种系统具有自学习、自认知功能，如设备预测性维护系统。系统通过实时采集设备状态，通过历史数据，以及与其他类似设备的比较，能通过自学习的方式推理、判断即将发生的故障，达到进行预测性维护的目的。

SoS级具有“平台”概念，并实现了多CPS系统之间的协同优化，是比较复杂、相对高级的CPS系统，以下是从智能层级方面对SoS的划分。

　　初级智能／SoS级：如共享单车。单车通过GPS等定位单车位置，通过APP获知客户信息，通过云端发送过来的开锁信息进行电控锁的开关。具备了状态感知、自动决策、即刻执行的特点，并且是基于云平台的一种运营模式，是一种单个系统的初级智能、多系统之间的协同，可以算是一种最简单的初级智能SoS级CPS。

　　恒定智能／SoS级：如导航软件。具备位置、路况等的状态感知，通过实时分析形成最优路线，并根据实时路况给出最优的路线，具有典型的状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的四个特征，这些数据是基于云平台上众多汽车采集的信息并进行协同优化的，是一种中级智能（恒定智能）、平台级的SoS级CPS。

　　开放智能／SoS级：系统既具有自认知、自学习等高级智能特点，还具有多系统协同优化的特点，典型的如海陆空天赛博五域作战指挥协同系统等。这是相对复杂、相对高级的CPS系统。

　　这种从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS，并衍生出九种CPS落地方案的方法，笔者称之为“二维九格”CPS定义法。

　　通过上述定义，我们就可以很清楚地界定、细化各CPS系统的属性、智能程度、基本特点等，使CPS系统更容易落地，很好地支持企业创新的发展，甚至衍生出新的商业模式，比如：软硬结合的初级智能单元级CPS以及共享单车这类个体初级智能的SoS级CPS，通过不同的元素组合，就可以形成不同的商业模式。企业把自己清晰地定位在某一格或某几格，重点突破，形成自己的竞争优势。

　　可以说，“二维九格”CPS定义法对当今“双创”（大众创业、万众创新）也是很有指导价值的。

2．3 从国外经验来看，CPS的二维定义迫在眉睫

　　现在，工业4.0已经成为影响全球智能制造的战略，成为德国非常成功的一次国家级营销。但假如说，德国对工业4．0的描述只是停留在一个核心—— CPS系统，三项集成（纵向集成、端对端集成、横向集成）的水平上，大家也只能对工业4．0有个模糊概念而已，如果对工业4．0如何落地，如何衍生新的商业模式仍然是一头雾水，就很难推动工业4．0的实现。但聪明的德国人从三个维度进行了设计，通过“工业4．0参考框架（RAMI4．0）”这个模型，工业4．0的各种落地方案、商业模式就呼之欲出了。

　　德国工业4．0参考框架

　　德国用一个三维模型清晰地表达了工业4．0的框架，美国GE则用一个二维的定义将工业互联网进行阐述，机器——设备——组织——网络，智能设备——智能系统——智能决策，从哪开始做，做成什么样子，都清清楚楚地表达出来了。

　　可以说，CPS传统一维的定义，只能比较清晰地界定了系统的属性，不能明确地指导系统的落地，笔者认为，尽快完善CPS二维甚至多维的定义，将有助于CPS在我国的快速发展，在中国制造急需向中国智造转型升级的关键时刻，这项任务显得尤为重要与迫切。

3．结束语

CPS作为智能制造的核心支撑技术，必将在中国智能制造转型升级中发挥重要的价值。现在，即便是全球的范围内，对CPS的认知还不完全统一，甚至没有一个统一的权威定义。工信部近期发布的白皮书，在规范大家对CPS的认知、厘清CPS的特点、层级、实现等方面都具有积极的推动作用。笔者认为，我们对CPS的认知也应该是一个不断迭代的过程，我们既要肯于研究国外的先进理念，更好地理解CPS精髓，又要不拘泥于别人的说法，结合中国实际情况，敢于提出自己的认知，衍生出指导CPS的各种落地理念、执行标准，促进中国智能制造的快速发展。

“二维九格”CPS定义法是笔者经过深入思考后的结果，对CPS的细化与落地具有一定的参考价值，但未必一定完全正确，希望通过本次的抛砖引玉，能对大家起到一定的启发作用，为更好地推进CPS在中国的发展而共同努力，敬请各位专家批评指正！