CPS赛博物理系统（上）| 工四100术语（编号35）

工四术语(编号35)英文：Cyber-Physical Systems中文：赛博物理系统（不建议叫做：信息物理系统）

（本词条由知识自动化《工四100术语》编写组收录，版权所有。欢迎业内提出建议。）

德国人提出的工业4.0中，CPS（Cyber-Physical Systems）居核心地位。对于这个概念，充满了各种解读。而最重要的一个误区之一，就是它被翻译成“信息物理系统”——这种说法，有些背离了它原本的含义。

该词条详细解读CPS的本意，分为上下篇。本文为上篇。

CPS的由来

在全球范围内，无论是德国工业4.0，还是美国工业互联网，以及“中国制造2025”等等提法很多；尽管各不相同，CPS是一个始终无法回避的概念。现在国内把CPS译成“信息物理系统”。这种译法虽然简易，但并不确切，因其没有对Cyber进行正确的理解。

1948年“控制论”的开创者维纳，如神来之笔，援引希腊语单词并创造了“Cybernetics”一词，意思为控制。随后这个词真的“控制”了许多领域，并主宰多年。在上世纪九十年代后的很长一段时间，Cyper又被称作3C（控制、通信、计算）。现在Cybe常作为前缀，代表与Internet或电脑相关的事物，即采用电子或计算机进行的控制。
从Cyber的本意来看，它实质是一种实现控制的机制（或机构），是藉由信息，来控制物质、能量和信息。而“信息”只是被控制载体，并不是控制结构和控制机制。因此，把Cyber译成“信息”，偏离了它真正的指向。就像我们提起足球运动，不能把它简单地理解为那个黑白相间的球体（ball），而必须把它理解为基于一种特定规则基础上的球类运动。从“编程”的角度看来，Cyber是“控制机构”类。

工四术语100 解读

CPS赛博物理系统，一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、协作和智能化的方式操控一个物理实体。

在这个语境下，Cyber应该有几个含义：控制、通讯、协同、虚拟；而这些含义中都包含了计算。

要全面而准确也理解这些含义，对CPS才可以形成全面而深刻的认知，并在理解它的基础上实施智能制造，才不会出现偏差。

CPS的认识

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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。1993年，数百名美国特种部队在索马里首都摩加迪沙的军事行动中被数千名索马里民兵围攻，结果造成19名美军死亡，73人受伤，事后索马里民兵将美军士兵尸体吊在桥上向全世界展示。该事件极大地刺激了美国民众和美国政府。
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

从上面的CPS历史回顾我们可以看出，CPS是因为控制而兴起，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。
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。

注：CPS术语解读（下），明天发布。欢迎关注。

编者

编者：宁振波，中航工业集团信息技术中心首席顾问

         李霄峰，浙江恩大施福软件公司，副总经理

统稿：林雪萍，《工四100术语编写组》

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