CPS专家宣讲团 | 赵敏谈CPS技术演进及应用落地（附完整下载）
小编导读
4月5日，CPS信息物理系统专家宣讲团第三讲“CPS的技术路线”，由走向智能研究院执行院长、中国发明协会发明方法研究分会会长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员赵敏先生网络开讲。“CPS信息物理系统专家宣讲团”，在网络上发起集中宣传活动，每周组织一名精通CPS的专家，从不同角度讲解CPS，为广大企业用户进行网络宣讲。本期讲座采取“图+文”直播方式，上万群友参与本次直播活动。
CPS信息物理系统专家宣讲团
第三讲网络直播实录
为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院组织团结各方力量，组建“CPS信息物理系统专家宣讲团”，在网络上发起集中宣传活动，每周邀请一名精通CPS的专家，从不同角度讲解CPS，为广大企业用户进行网络宣讲。
第三讲主讲专家：
赵敏：走向智能研究院执行院长、中国发明协会常务理事/发明方法研究分会会长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员
宣讲主题：CPS的技术路线
活动主持人：
苏明灯：走向智能研究院执行秘书长、《三体智能革命》编委
微信多群同步直播，万人在线同时分享。网络宣贯CPS，怎么看，如何干？
相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS
以下为本次活动实录：
主持人：大家好，我是今晚五十个科技社群同步直播CPS专家宣讲团活动的开场主持人苏明灯，走向智能研究院执行秘书长，也是国内第一本讨论新工业革命与智能化创新的专著《三体智能革命》的编委会成员。
清明踏青归来，今晚大家再次在赛博空间相遇，还记得上周我们一起为CPS专家宣讲团加油的口号么——“相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS”。
为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院联合组织团结各方力量，组建专家宣讲团，从不同角度，为政企各届朋友集中宣传讲解CPS，推动CPS技术和应用发展。
在前面两周的同一时间，我们分别有幸邀请到中航工业集团信息技术中心首席顾问、两化融合专家、智能制造研究专家宁振波研究员，从CPS的内涵、沿革、分类和层级四个角度，为大家分享了的宁振波视角的CPS的精义。以及《CPS白皮书》主要作者之一，中国信息物理系统发展论坛秘书长郭楠博士首次开讲，为大家解读了《CPS白皮书（2017）》的主要内容与出台背景。
今晚即将登场的嘉宾，是走向智能研究院执行院长、工信部中国信息物理系统发展论坛副秘书长、中国发明协会发明方法研究分会会长，国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家、《三体智能革命》副主编赵敏先生。在权威的产学研组织中国信息物理系统发展论坛中，赵院长也是专家咨询委员会的重要成员。可以说，《CPS白皮书2017》的成稿，凝聚了郭楠博士、宁振波研究员、赵敏院长等一大批关心并从事CPS技术发展的专家们的心血和期望。
值得一提的是，我国工业、IT行业若干重要部门、机构、单位、企业对今晚的活动给予重要指导与大力支持。他们是:
CPS信息物理系统专家宣讲团
指导单位：工业和信息化部信息化和软件服务业司
主办单位：中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院
支持单位（滚动更新，不分先后）：中国机电一体化技术应用协会、青岛工业软件研究所(中国科学院软件研究所青岛分部)、全国智能制造发展联盟，中国两化融合应用推广联盟，中国工业软件联盟，中国两化融合服务联盟、中国科技自动化联盟、北京信息科技大学自动化学院、机械工业出版社、广东华南计算技术研究所、华为、PTC、索为系统公司、索为云网、兰光创新、英诺维盛、北京联讯动力、合众联恒、深圳昱辰泰克、北京格分维、兮易强企、大驰创新、e-works数字化企业网、工业4.0俱乐部、智能制造百人会、精益自主研究会、工控兄弟连、物联网智库、全国三维数字化创新设计大赛组委会、全国三维数字化技术推服务与教育培训联盟、世界绿色设计组织WGDO智能制造专委会、3D动力、智造家IMEfuture、工业4.0商业共同体等。
今晚同步直播《CPS白皮书》专家宣讲团活动的微信群有近50个，基本包含了工业领域、IT领域一些主流科技社群、企业社群。他们中参与较早的是：CPS发展论坛、CPS信息物理系统专家宣讲团、走向智能论坛读书汇、CPS专家宣讲团政企群、《三体智能革命》雅读汇、国家两化融合创新推进联盟I、Enterprise的含义群、工业4.0俱乐部北京群、山西装备制造之家、工业4.0俱乐部上海群、工业4.0俱乐部深圳群、新工业联盟群、工业4.0俱乐部转型升级群、工业4.0俱乐部大数据群、工业4.0俱乐部大连群、工业4.0俱乐部智能制造群、工业4.0俱乐部东北群、智能制造百人会群、精益自主研协会00群、精益自主研协会07群、拓智企管精益工场群、中国智能制造IMchina、智造家-智造课堂-工业大数据、西南精益智造联盟、智慧工业研究院、智能科技创新交流群、人工智能创新论坛群、中欧智能制造，中欧校友制造业群，中欧校友人工智能/大数据研习群、中国信息自动化交流群，慧玩创新知本家俱乐部、工业4.0商业共同体、大数据产业化资源平台群、慧造智能研究院研讨群等等微信社群。
接下来，有请赵院长进入宣讲时间，从CPS的技术发展路线、技术应用路线的角度，为大家解读CPS的技术路线，为企业CPS应用落地提供思路。
【赵敏】在前两周，电子标准院软件工程与评估中心郭楠主任、中航工业集团信息技术中心宁振波首席顾问已经对CPS做了两次多角度、多层面的深入解读，取得了非常好的解读效果和听众反馈。
今天，我将从CPS的技术发展路线、技术应用路线的角度来进行解读。
关于CPS的定义，有很多国内外的研究报告都做过。这次工信部标准院领衔发布的《信息物理系统白皮书》（以下简称“白皮书”）中，融汇了多方面的研究成果，给出了如下的定义。我将按照这个定义，与大家一起探讨、一起理解，进行后续的CPS白皮书内容的解读。
我在以下解读内容中，参考了一些书中的术语和定义，这些参考书有《三体智能革命》、《TRIZ进阶及实战》、《工程设计》、《信息物理系统白皮书》等，还有我前不久写的几篇文章。
其实，我个人倒是更喜欢Smart America给出的定义：“CPS是物联网与系统控制相结合的名称。因此，CPS不仅仅是能够“感知”某物在哪里，还增加了“控制”某物并与其周围物理世界互动的能力。”
“感知”，“控制”，互联，互动，这大概是CPS最基本的内涵。
好，按照宣讲团的日程安排，我从CPS的技术路线讲起。先讲CPS发展演变的技术路线，再讲CPS的应用落地的技术路线。
一．CPS发展演变的技术路线
一个新事物的形成，总是很多我们早已熟悉的既有生产要素、也包括已经存在但是我们尚不熟悉的老旧生产要素，在某些机缘的巧合、激发或催化下，共同合成。
CPS（Cyber-Physical Systems）不会凭空诞生。其前置性的技术储备由来已久。其定义中的大部分要素也并不是新创，而是对既有的多种技术的融合与提升，最终呈现给了我们一个看似全新的概念。
CPS说来说去，从其基本定义中，就离不开它是一个“系统（System）”的本质。既然是系统，而且是工程技术领域的系统，那么我们就从一个“技术系统”最基本的定义来剖析CPS的基本定义、组成要素、关键技术、演进与发展，最终，给出CPS的若干应用模式。
什么是系统？
钱老的定义，堪称系统定义的经典。
无论是参考东欧前苏联的创新方法论（TRIZ），还是参考西欧德国的《工程设计》经典著作，其中都有对工程技术领域中基本的系统的定义——“技术系统”。与“系统”的定义比较可以看出，“技术系统”完全遵从、延续了“系统”的定义。
技术系统也可以称作“工程系统”、“产品系统”。但是因为技术系统是一个非常通用化、一般化的基本概念，可以摆脱相对具体的工程系统、产品系统的思维定势和物理形体约束，因此在讨论基本概念时，都采用了技术系统的术语。当然，如果用户更喜欢工程系统的术语，且同时没有思维定势，但用无妨。
在上图中，虚线方框内就是技术系统的范畴。我们今天只讨论这个方框内的诸项要素。
一个技术系统，可以有多种划分系统要素的视角和方式。其中关于四个基本装置的划分方式，是描述这个技术系统如何实现其功能的最基本的划分。
任何的技术系统，都是为了实现“功能”而构建的。CPS当然也不例外。其基本功能就是：
由C控P，精确执行。
一个技术系统，可以有多种划分系统要素的视角。
我们重点来讲技术系统如何按照“完备性”来划分系统要素。
技术系统的“完备性”，是一个“刚需”，即一个技术系统在实现预定功能时，技术系统必须是“完整无缺”的，也就是说技术系统的“动力装置、传动装置、执行装置、控制装置”这四个子系统必须同时存在，而且协调发挥作用，才能实现技术系统的功能。
实现系统功能——“动力装置、传动装置、执行装置、控制装置”——一个都不能少！
四个基本装置各司其职：“执行装置”（即执行器）负责发出动作，执行系统的预定功能；“动力装置”负责产生、转化能量；“传动装置”负责传递能量； “控制装置”负责调控各个子系统的运行参数，让执行系统尽量精确地做出动作。
如果技术系统不完备，那么至少要有执行装置存在。例如笔、改锥、扳手、钻头等工具类的产品。
执行装置是最精简的P端，它决定了该产品的基本属性。如汽车的执行装置是车轮，不管怎么换动力装置、传动装置和控制装置来组成各种新概念汽车，但是，只要是车轮还在，它就是利用轮胎与地面的摩擦力在地面上跑的汽车，如果汽车不用车轮来实现运动了，那么它就不是汽车了。
如技术系统缺失其它某个装置，须借用外部系统来弥补，否则无法实现预定功能。
举个例子：一根钻头，它自己并不会去执行“钻孔”这个功能。需要让它高速旋转起来，精确定位，才具备了在一个物体上按照某个既定角度钻一个孔。
怎么让这根钻头转起来呢？——需要给钻头施加转动力矩。谁来给钻头施加这个转动呢？过去只能靠人力来完成。
由上图可以看出，加了传动装置，一个手摇钻就好用了很多。如果加上电机，变成了手电钻，就非常省力了。但是在控制钻头的角度、深度等参数方面，手控的方式还是力不从心的。于是，当加上了必要的“控制装置”、发展成了钻床之后，这些问题就解决了。这是典型的机械式的控制子系统。
技术系统组成要素的演变
技术系统的组成要素是在不断发展变迁的。
按照上述的工业革命中技术的演变进化趋势，技术系统中的四个基本装置（子系统）都在不断地发展演变，所有的执行装置一直在结构形式、材料上发展，例如日本人研究出来的现在能够打穿“最硬合金”的“最硬钻头”等。
但是相比较而言，最近三十年技术系统中发展最快的就是其中的控制子系统。CPS的技术形态与其密切相关，因为CPS在一个产品/设备系统中就是专门起着精准控制作用的子系统，就是这个系统的控制装置之一。这也是为什么我在本讲的开篇要花这么多的篇幅介绍技术系统的原因。
下面将重点介绍控制装置的发展变化。控制装置在核心技术上，基本上走了一条“机械→机电→电子→数字→软件”的技术发展路线。
从上图中大家可以看到，诸如前面列举的早期钻床，就是一个纯机械式的控制装置，以工作台、卡具、摇臂等零部件组成了具有控制定位、进给、进深等功能的控制装置。
按照工业革命的技术发展路径，机械化→电气化→数字化，机械式的控制装置会逐渐增加与“电”有关的内容，控制装置中的关键技术要素，会从模拟发展到数字，从数字发展到软件，甚至从软件发展到云。
这张图很关键，嵌入式系统已经将赛博和物理连接在了一起（以红色虚线区分两个空间）。整个技术系统的演变进化，其控制装置部分已经逐渐发展成为了今天我们要深入讨论的CPS。
CPS基本模型
这种技术交汇融合、发展演变的结果，就是CPS逐渐发展形成的过程。最终，发展成为了美国国家标准技术研究院（NIST）给出来的CPS基本概念模型。这种基本模型，具备了CPS的四个基本过程：“感知-分析-决策-执行”。
在我们今天宣讲的白皮书第9页里，认为CPS的本质是“构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系”。而在我们“走向智能研究院”九位专家合著的《三体智能革命》书中也提到了判断智能系统的“20字箴言”，即：状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。从这两种表述可以看出，对CPS的认识基本相同，白皮书较多地采用了“20字箴言”的总结，同时有新的发展。
感知，就必须有传感器。这是基本要素。没有状态感知功能的系统是无法成为智能系统的。
分析，就需要由芯片以及安装在其中的软件算法来共同实现。
决策，软件算法中的知识与推理规则可以担当此任。
执行，必要的执行器，就是实现系统功能的执行装置。
“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”，构成了CPS的基本过程闭环。
传感器、芯片、软件、网络、执行器等，构成了CPS的基本系统要素。
在明确了CPS的基本模型之后，我们再来从更广泛的视角上继续观察、理解和介绍CPS的技术发展路线。
总体上看，按照技术出现的时序，CPS技术大致发端于以下几个方面：
1.无线控制技术（第一个里程碑）
2.广义仿真技术（第二个里程碑）
3.嵌入式系统（第三个里程碑）
4.电脑游戏（第四个里程碑）
CPS第一个里程碑——无线控制技术
马可尼在1894年用无线电波打响了10米以外的电铃，首次实现用电磁波影响某个物体；
尼古拉·特斯拉在1898年发明了世界上第一艘遥控的小船，首次实现用电磁波遥控某个设备；
1955年Zenith发明了第一个“Flashmatic”无线遥控装置；
NASA 在1992年提出了早期的CPS概念；
2012年NASA对170亿公里之外的“旅行者1号”发出遥控指令， 以光速飞行的指令16个小时才到达，让照相机拍摄地球，并且将照片数据发回来。
使用电磁场（电磁波）实现的无线控制技术是如此之重要！
电磁场能够改变位于场中的某个被操作对象的状态、参数、属性，例如车钥匙遥控开车门，遥控器调电视节目，地面指挥室遥控卫星变轨搜寻马航失事飞机残骸等。生活中，遥控实现的功能比比皆是。最重要的，就是电磁场以各种形式进入了我们的生活。
以“场”控物是第一个里程碑。
CPS第二个里程碑——广义仿真技术
1960~1970年代，有限元分析FEA开始崛起， CAD崭露头角；
FEA不断被结合到CAD、CAM中，形成了CAE分析技术的框架；
1990年开始CAE技术进入成熟期，快速推广普及；
• CAD是几何形体仿真；CAM是加工刀轨仿真；CAE是力学状态仿真等；
• 早期，物理形体及过程，与数字化仿真结果之间并无信息交互；
广义的仿真技术用软件来模仿自然系统或人造系统的力学状态，仿得越真越好。而后出现的系统仿真，就是让实际物理系统的映象——数字化“系统模型”在相应的“人造环境”中仿真。
物理模型与数字模型，从没有信息交互到有信息交互，是第二个里程碑。
CPS第三个里程碑——嵌入式系统
1976年首次出现了嵌入式系统的商业产品，例如Intel推出单片机8048；Motorola推出68HC05；Zilog推出Z80系列；
上世纪90年代末“嵌入式OS”呈现井喷式增加，所有可以用于嵌入式系统的OS都是“嵌入式OS”。
我们可以对比一下通用计算机与嵌入式系统的异同：通用计算机侧重高速海量计算，研发重点是扩总线，扩容量，通用高效的人机交互界面；嵌入式计系统侧重对对象的控制，研发重点是功能精简，实时响应，控制可靠，可以无交互界面。
知识和算法嵌入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入硬件，形成嵌入式系统，为C端进入P端铺平了道路。知识嵌入了物理实体，这是第三个里程碑。
CPS第四个里程碑——电脑游戏
1976年在斯坦福人工智能实验室的DonWoods先生用施乐主机编写了一个小程序，加入了幻想成分和谜题。这个叫做ColossalCaves的程序可能是第一个电脑游戏软件。
在上一讲中，宁总介绍到，1993年数百名美国特种部队在索马里首都摩加迪沙军事行动中被数千名索马里民兵围攻，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。这是美军在越战后首次在战场上吃了这么大的亏。美国政府和民间受到很大刺激。于是，美国上下都有一种强烈要求美国军人非直接进入战场作战、但是又能打击恐怖分子的要求。
在这种情况下。美军借鉴了基于屏幕交互的游戏软件的原理，与第一个里程碑（以电磁场控制场中物体）的技术结合力，开发了专用的作战软件。操作者控制屏幕上的虚拟数字弹药，但是该虚拟数字弹药与无人机上的物理实体弹药完全匹配，由C及P，由C控P，在屏幕端瞄准目标，然后实施精确攻击。人员无需进战场，作战完全非接触。由C及P，由C控P，这是第四个里程碑。
例如，无人机已经锁定这辆皮卡，随时可以发动攻击
根据中新网的报道：美国空军无人机飞行员有1300人，他们在本土的基地，看着视频图像，摇晃着和游戏机没有太大区别的操纵杆，执行着一次又一次万里之外的杀戮任务。据统计，自无人机服役美军以来，其在全球各地的作战已造成约4700人死亡。（资料来源： ）
相信大家已经看到过很多类似的图片及视频资料。支持这种“杀人如同玩游戏”的技术是什么？就是上述几种技术发展融汇出来的CPS技术。
综上所述，主要在这四大类技术的支持下，物理实体P、数字虚体C开始了几十年的交汇、集成与融合发展过程，最终形成了今天的CPS。这一张图的内容，如果仔细讲起来，可以讲上几个小时。例如，仅仅对于“数字孪生（DT）”的概念，在英文术语的翻译上，就有很多不同的解读。而对于数字孪生体的双方——物理实体与数字虚体之间的虚实映射对应“逼真度”的关系，也是认识不同。顺便说一句，所谓数字孪生这一方的数字虚体，是根据实际工作场景的具体需要来要求其制作细节（“逼真度”）的。例如，如果研究高铁运营，那么在数字虚体的运营调度软件中，一列高铁列车，就是一条移动的线，甚至就是一个点，因为这种工作场景不要求做出高铁列车的数字化模型，简化成一条线即可。但是如果要研究高铁列车在高速运行中，底盘上转向架的振动、受力、磨损、疲劳、预测式维护等情况，就一定要把这个转向架的所有细节特征都做出数字化模型来，从几何模型、功能模型到性能模型等，一个都不能少。
前面给出的这个C端与P端的交汇图是粗略的示意，实际的发展路线也未必完全如此。作为示意性的图示，辅助大家理解一下就好。
最终，C端与P端的交汇的结果，让我们提炼出了一个基本的CPS模型。
二．CPS应用落地的技术路线
其实，一个具体的CPS应用场景，可能要求CPS具有多种变化形式，以适应工作场景的具体约束与需求。
在上图中，拉开的线条表示该系统组件可以分离部署，即如果CPS的应用场景确有必要的话，有些CPS的组件可以单独分离出来，通过有线或无线（移动物联网）的方式，保持与CPS本体的数据交互。
传感器可以分离部署，单独部署与发展。我在后面会提示大家，这是一种非常常见的应用落地模式。例如监控摄像头、雷达可以拉很远的距离，并不与系统本体集成在一起。
动力装置可以分离部署，通过有线或无线的方式，与CPS本体进行能量交换。例如现在的无线充电技术，就是通过电磁波的形式来进行的。
如果本地的计算能力不够，那么也可以把一部分软件的计算过程转移到云平台去做，CPS与云平台的连接往往以移动物联网的方式进行。但是，这种技术部署需要强大的网络数据传输能力。
执行器也可以分离部署，例如用手机远程控制家中的门锁、冰箱的开关、通断等。
关于系统级别
在白皮书中，给出了CPS在尺度上的层级划分。单元级、系统级、系统的系统（SoS）级。
对CPS系统级别的理解，可以参照德国的RAMI 4.0（Reference Architectural Model Industry4.0）标准，即工业4.0参考架构模型。因为这是根据多个国际标准长期实践和融会贯通之后做出来的，结构规范严谨，层次感非常好。在“系统级别”维度上，描述了生产设备系统从装置到企业的不同系统级别。对CPS的解读，也可以根据这个维度来解析。
单元级CPS
《CPS白皮书）2017）》指出：“单元级CPS具有不可分割性，其内部不能分割出更小CPS单元。…构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环…。”
“单元级CPS可以通过组合与集成（如CPS 总线）构成更高层次的CPS，即系统级CPS。”
我个人理解，单元级CPS在系统级别上属于RAMI中规定的较小的“装置（Device）”级别。装置是有定义的：装置是指机器、仪器和设备中结构复杂并具有某种独立功用的物件——它是整机中的一个由多要素组成、有自己特定功能的子系统。
前面已经提到过，以下四个几个过程是必不可少的：
感知：由各式各样的传感器或类似传感器的器件来实现，把工况中的各种物理场转化为便于计算机处理的电信号；
分析：由本地或云端的计算能力完成，涉及对芯片、软件、网络、云的使用；
决策：由本地或云端的软件中预置的知识与算法完成；
执行：由执行器（执行装置）做出最恰当、精准的功能动作，完成系统功能。
以上者四个过程形成了单元级别的“感知-分析-决策-执行”数据闭环。
前面也提到，CPS单元可以有多种的落地应用形式，若干系统组件可以分离部署。
下面介绍几个单元级CPS的典型应用形式。
第一个例子，是汽车中的轿厢温度控制。车头有外部环境温度传感器，轿厢内部有温度传感器，根据二者的温度差，来由嵌入式系统中的软件决定该如何调节温度。
第二个例子，是如何开发智能轴承。最简单的方式，是单独研发一种专用传感器，然后与现有的PC、平板、智能手机相结合，组成一个单元级CPS。例如，瑞典轴承公司SKF就开发了这样的灵活应用的CPS装置。这种设备，随时部署使用，灵活方便，但是无法实现永久的在线测量，测量结果的精度也不一定高。
如果是针对大型的、昂贵的轴承设备，就不能采用这个借用外部设备的方法了，可以开发专门的智能轴承设备。
SKF Insight面向的是更换成本达到上亿日元的大型轴承。在轴承中配备传感器和支持2.4GHz频段工业用无线方式——WirelessHART的无线设备。通过WirelessHART传输的数据由集中器接收，并通过移动通信（GPRS）传给中心设备。中心设备实时监控数据。SKF Insight始终运行着，用来检测轴承有没有故障等。（此段内容摘自百度）。
第三个单元级CPS应用例子是汽车的LED矩阵大灯。奥迪公司在A8和Q7上搭载了这种灯光技术。每一组LED灯，都是一个单元级的CPS应用。
系统级CPS
《CPS白皮书）2017）》指出：“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。在这一层级上，多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS，如一条含机械臂和AGV小车的智能装配线。”
“在这一层级上，网络联通（CPS总线）至关重要，确保多个单元级CPS能够交互协作。”
系统级CPS的应用形式可以是：多个单元级CPS通过有线、无线网络设备（CPS总线）连接在一起，协同配合，相互感知，彼此呼应。
在系统组件上，可以连接同构CPS单元或者是异构CPS单元。
例如连接汽车发动机、轿厢温度、轮胎、灯光、路面情况等异构CPS单元。
在系统级CPS中，可以形成系统范围内的“感知-分析-决策-执行”数据闭环。而单元级CPS的内部，也还是有自己单元级别的“感知-分析-决策-执行”数据闭环。
第一个例子，德国库卡公司研制的协同工作机器人。各个机械臂之间能够彼此呼应，相互通信，相互传输数据，实现“机器引导机器”的工作模式。这就是系统级别CPS的应用案例。（资料来源：2015年德国工业4.0会议库卡公司讲稿资料）
在国内的很多工作场景中，都可以参考这样的系统CPS模式。例如港口机械的某个塔吊群组之间的协同装卸货物，超大型产品装配车间内部多个吊臂、机械手、AGV之间的协同安装大型零件等。
第二个例子，是对化学反应釜内温度的测量与调控。这是南京智中公司做的案例。
如图所示，多个反应釜同时测温。热敏传感器采集一组反应釜内温度，无线传输给读卡器。读卡器把数据上传到云端，云端的软件对运行数据进行分析，自动按照最优模式给出适宜参数，调节反应釜内温度。如果有运行异常（温度异常波动），可将运行结果发送到云端以及现场工作人员的手机App中进行报警，同时自动对反应釜进行调温处理。
SoS级CPS
《CPS白皮书）2017）》指出：“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。在这一层级上，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。”
“CPS智能服务平台能够将多个系统级CPS工作状态统一监测，实时分析，集中管控。”
SoS，即“系统的系统”。SoS与系统是不一样的，因此在系统表现上有明显的五个特征：
1、Operational Independence of Elements（要素独立运行）
2、Managerial Independence of Elements（要素独立管理）
3、Evolutionary Development（严谨发展）
4、Emergent Behavior（涌现行为）
5、Geographical Distribution of Elements（要素地理分布）
因此，SoS中的各分布式系统，独立运行，独立管理，具有一定的“涌现”行为，是SoS的常态。
涌现行为是大量个体通过互相作用而达到统一运动目标的集群行为。
涌现是自组织的一项原则，从简单进化出复杂，从混乱产生出秩序。
每个SoS级CPS有自己的“感知-分析-决策-执行”四个过程的数据闭环，但是SoS级CPS下面的系统级CPS、单元级CPS，也各有自己的“感知-分析-决策-执行”四个过程的数据闭环。这是一种异常复杂的系统形式，也是一种由简单到复杂、由混乱到秩序的产生涌现的系统要素土壤。在整个大系统内部，一开始可能是秩序含混、运行低效的，但是在各个级别的CPS的不断的“感知-分析-决策-执行”智能过程中，最后会较快地趋于秩序，趋于整体上提高效率。
一个SoS级CPS的系统形态如下图所示。
第一个例子，杭州雅数公司开发了一个“雅数义齿云平台”，可算是一个融义齿设计、优化、生产、维护为一体的系统级CPS。
传统口腔修复采用石膏模实物传递义齿信息，周期长，患者痛苦。
在本SoS级CPS系统中，“P端”包括设置在各医院的口内扫描设备、设计与优化工作室、加工设备（小型数控机床或3D打印机）、设备维护平台等。以上不同的系统各自也是系统级CPS，基于云端智能服务平台协同工作。
“C端”包括“雅数义齿云平台”、云存储、雅数义齿设计CAD软件、数控加工CAM软件等。在云端保存口扫数据、CAD设计模型、订单数据、NC代码、加工设备实时影像数据、设备实时参数等诸多数据。
该SoS级CPS的工作原理如下图所示。
第二个例子，是美军开发的无人机群。就在刚刚过去的1月份，美国展示了最大军用无人机群，显示了SoS级CPS的研发成果。
无人机集群作战是指一组具备部分自主能力的无人机系统，通过有人/无人操作装置的辅助，在一名高级操作员的监控下，完成作战任务的过程。基于高速机间链路和ad-hoc网络技术，各无人机、操作员实现无缝连接，操作员可对单机或机群实施监控。集群内的无人机自主飞向任务区域，同事避免与其他无人机发生碰撞。无人机集群可以自动处理任务，并使用人工智能、图像处理等手段来探测威胁、定位目标。（资料来源： ）
这些无人机群可自组织出来某些空中的特殊形状，如下图所示。
SoS级的CPS应用，都是在系统要素和系统行为都很复杂的大型复杂系统场景中构建的。这样的应用，相对于单元级、系统级CPS来说，数量要少得多。在工程领域，还是以单元级CPS的应用为主，占有绝大多数的比例。其次是系统级别的应用，也占有一定的比例。SoS级的CPS应用在总体比例上是很少的。在系统要素和行为上，还有很多不是很清楚、值得深入研究的地方。
由简单到复杂——智能微尘
其实，以简单的单元或组件，组成相对复杂的系统，是构建CPS系统的一个基本原则。在单元级、系统级、系统的系统级之间，是可以随时组合升级与切换的。我列举一个“智能微尘”的例子，看如何单元级向系统级、SoS级过渡。
智能微尘，指集成了电脑、传感器、MEMS（微机电系统）、通信系统、电源等的一种超微型传感器，它可以自动探测周围环境参数，大量收集环境检测数据，实时进行计算处理，然后利用双向无线通信装置将收集到的数据在相距300米的微尘器件之间往来传送。当个别微尘因故障失效后，其它正常微尘能跨过这些故障微尘自动连接。智能微尘体积大约在几个立方毫米级别，可以大量、随意布置到诸如探测人体生命体征、建筑受力、能源用量、土壤温度、交通地图、生产效率等数据的现场环境中后，形成一张智能无线传感网。
一个智能微尘，就是一个单元级CPS。
多个智能微尘，就可以组成一张传感器网络，其实也就是一个系统级CPS。
如果该系统级CPS再与其他的系统级CPS组合在一起，就可以形成SoS级CPS。
美国DARPA期待用智能微尘来感知战场状况。例如，用一架飞机飞过某战场区域，撒下数千个智能微尘。该区域中的所有智能微尘可以构建一个巨大的、可以采集数据的自组织网络，但是这些微尘又相当隐蔽，不易察觉。当敌方的车辆、坦克、部队等通过该区域时，就可以检测到这些活动目标的传感器的数据。所有的智能微尘以“接力”的方式发送数据，直到信号到达采集节点并传输给指挥官。此时指挥官可以将数据显示在屏幕上并实时查看该区域多个目标移动的路线。随后决定如何进行打击。
在这个自组织体系中，有单元级CPS智能微尘，有传感器网络组成的传感器网络（系统级），这个网络再与后方指挥系统、指挥员、操作员组合在一起，形成一个“人在回路”的SoS级CPS。
三．小结
本次解读重点介绍了CPS的技术发展路线，以及CPS的技术应用路线。
对CPS的基本形态和应用场景做了一定的总结和提炼，让CPS从抽象变得更加具象，使得大家在与自己的工作场景相结合方面，可以找到一定的对应，找到落地的方法与手段。
我本人对CPS的理解，还不是很深刻，还在继续学习、领会、理解和加深认识的过程中。越加深理解，越感到自己的知识不够用，越感到CPS跨界厉害，越感到CPS应用前景、潜力无限。
限于时间和篇幅，关于CPS的很多的内容还没有展开讲。对于在本次解读图文资料中可能出现的不准确、有错误、有疏漏的地方，还请大家多多包涵。欢迎大家及时向群主反馈收看意见和建议。
谢谢大家！
【主持人】非常精彩的分享。赵院长首先谈了自己对于CPS定义和基本内涵的理解，强调感知、控制、互联、互动。从CPS的组成要素、关键技术、演进和发展，为我们梳理了CPS的若干应用模式。理解CPS的本质，首先从“系统”、“技术系统”的角度，强调CPS的基本功能是由C（数字虚体） 控 P（物理实体），精确执行。CPS白皮书中关于CPS的定义与《三体智能革命》一书中强调智能系统的状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升“二十字箴言”，基本相同，同时有新的发展。
赵院长从技术系统的组成要素的发展变迁，为我们勾勒出CPS逐渐发展形成的过程，最终形成CPS的基本概念模型，即具备CPS的四个基本过程：感知-分析-决策-执行。同时，赵院长按照技术出现的时序，给我们讲解了CPS技术发端的四个里程碑：无线控制技术、广义仿真技术、嵌入式系统，以及电脑游戏，并在这四大类技术支持下，物理实体P、数字虚体C开始了交汇、集成和融合发展过程，最终形成今天的CPS。
赵院长通过丰富的实际案例，诸如智能微尘、LED矩阵前车灯、协同工作机器人、无人机群等具体的应用案例和场景，给我们展示了单元级、系统级、SoS级CPS的典型应用形式，指导我们广大企业理解CPS，并推进CPS应用落地。
作为本次活动主持人，请允许我代表参与今晚宣讲直播活动的万名科技界、产业界群友，再次为赵院长送上鲜花和掌声。
下面，请直播工作人员转发我们刚刚收到的部分群友提问。
【群友提问】：我来自浙江一家汽车制造企业，您提到CPS技术发展的四个里程碑，感觉很清晰。我想请问一下，在四个里程碑中，哪项技术对于CPS的发展最重要，或者说最关键。
【赵敏】：既然是里程碑式的技术，就很难说哪一个里程碑最重要。如果是最重要的话，我认为第一个里程碑是极其重要的。电磁与电磁波，是构成我们这个世界最重要的要素。通俗地说，大家随手在空气中抓一把，就有上百种电磁波，G网、C网、电视网、广播网、WiFi等，还有各种电磁干扰与串扰。一个G网，又有2G、3G、4G等不同信号。我一直强调，没有电磁，就没有赛博空间。按照美国军方的定义，赛博空间就是由三种要素构成的，电磁频谱，电子设备，网络基础设备。由此可见电磁的重要性！
我们把电磁分为系统内部和外部的电磁——系统内部：在芯片中，电场决定了晶体管的0和1，磁场决定了存储器的0和1；系统外部，电磁波决定了各种数据信号的传输。具体介绍可以看我的有关文章。
综上所述，电磁波无比重要，堪称第一个最重要的CPS里程碑。
【群友提问】：请问CPS技术如何与我们正在建设的智能工厂有机结合，或者说如何在智能工厂中应用。我们是一家模具生产企业。
【赵敏】：模具生产企业当然也可以应用CPS技术。在模具生产中，如何准确地设计出模具，如何知道模具的整体和边边角角的几何特性、材料特性和功能特性，让模具工作更持久，都是需要深入研究的问题。参照CPS的基本特性，建立模具的数字孪生体，设置必要的传感器，实现“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，实现双向的数据流动，实现预测式维护，就变得很重要了。
【群友提问】请问赵院长，在你眼中，请问CPS究竟是一种技术，还是一种发展技术的思想？这个问题在上周宁总的演讲中也问过，我想听听您的理解。
【赵敏】在目前来看，我认为应该分成两个层面来认识这个问题。我个人认为，第一个层面是在工程领域来理解，按照白皮书的定义，CPS是一套构建智能系统的技术体系。我们绝大部分应用（例如智能制造、工四等），都是在工程范围内的领会、解读与应用。第二个层面，如果把视野放得宽一些，把认识问题的层面提得高一些，那么CPS就可以扩大到更广泛的范围来理解了：如此CPS可以作为认识问题的一种模型，一种方法论。再加上我们在《三体智能革命》书中提出的“三体智能模型”的引导，有助于帮助我们更好的、更全面的看待世界、认识世界和改造世界。
【主持人】谢谢赵院长的精彩解答。下面作一个活动预报。第四讲也是我们CPS专家宣讲团首期活动的最后一讲，定于一周后的4月12日20点开讲。主讲专家：中国船舶工业系统工程研究院海洋装备技术中心主任、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员邱伯华主任，讲座内容为《CPS与船舶工业价值链创造》。
【主持人】感谢赵敏院长、邱伯华主任，谢谢各位群友今晚在手机、电脑、PAD前的守候。我是“CPS专家宣讲团”网络直播活动主持人苏明灯。记住我们的接头暗号“相信我，2017，中国制造最大的IP是CPS”。我们下周再见。
宣讲团行业应用案例互动计划
为更好地宣传贯彻CPS白皮书，CPS专家宣讲团面向各行业、企业征集CPS应用落地的方案与案例，将根据其成熟度邀请CPS权威专家与相关业务领域权威专家进行“1+1+1”点对点指导，并遴选成熟案例及应用进行宣传推介，共同推动CPS的发展。
欢迎广大企业共同参与到CPS的应用推广中。请与加小编微信（zxznlt 或 subright）联系。
欢迎更多专业网络社群参与本次CPS专家宣讲活动，欢迎大家参加。
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直通CPS宣讲团直播群
首期活动预告
3月22日～4月22日，每周三20：00～21：00
时间 | 主讲专家 | 宣讲主题 | |
第一讲 | 3月22日20：00（已结束） | 郭楠：中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心副主任、中国信息物理系统发展论坛秘书长、CPS白皮书撰稿者之一 | CPS白皮书的内容、特色 |
第二讲 | 3月29日20：00（已结束） | 宁振波：中航工业集团信息技术中心首席顾问、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员 | CPS的层级、内涵和沿革 |
第三讲 | 4月5日20：00(已结束) | 赵敏：走向智能研究院执行院长、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员 | CPS的技术路线 |
第四讲 | 4月12日20：00 | 邱伯华：中国船舶工业系统工程研究院海洋装备技术中心主任、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员 | CPS与船舶工业价值链创造 |
直播时间
2017年4月12日周三20点～21点
活动过程
活动形式：文字+图片
首期直播主持人：苏明灯（走向智能研究院执行秘书长,《三体智能革命》编委）
主讲题目及专家：CPS与船舶工业价值链创造
邱伯华：中国船舶工业系统工程研究院海洋装备技术中心主任、中国信息物理系统发展论坛专家咨询委员会委员
参与人员：参与CPS白皮书编制并提供宝贵意见建议的专家、学者、企业家等各界代表。
4月12日20：00：微信直播活动正式启动
5分钟主持人开场词（活动意义、参与人员、现场纪律等）
45分钟由主讲专家讲解宣贯CPS
10分钟主持人串场，交流沟通环节
21：00直播活动结束
1小时后有兴趣的朋友可以继续深入交流沟通互动。
本文转载自微信公众号《走向智能论坛》,工业4.0俱乐部推荐阅读！
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