本文在工信部最近新發(fā)布的《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》對CPS 三個層次劃分的基礎(chǔ)上，提出了CPS的二維度劃分，并衍生出九種CPS落地方式。

CPS（Cyber－Physical Systems，常見的中文翻譯是信息物理系統(tǒng)）源于美國，卻因為德國工業(yè)4.0而風(fēng)靡全球，并成為工業(yè)4．0的核心技術(shù)。在我國，CPS也得到高度重視，在《中國制造2025》中明確強(qiáng)調(diào)：“基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革”，CPS已經(jīng)成為智能制造的核心支撐技術(shù)。

▲CPS系統(tǒng)

近日，隨著由工信部信軟司指導(dǎo)、“中國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇”編寫的《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》（以下簡稱“白皮書”）的發(fā)布，以及由“走向智能研究院”等單位舉辦的“CPS信息物理系統(tǒng)專家宣講團(tuán)萬人微信在線分享活動”的開展，將CPS再次推向了智能制造領(lǐng)域的浪尖。

白皮書對CPS的內(nèi)涵、架構(gòu)、實現(xiàn)等進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并對CPS進(jìn)行了三個層次的劃分，即單元級、系統(tǒng)級、SOS級（系統(tǒng)之系統(tǒng)），分別以“網(wǎng)”、“平臺”為標(biāo)準(zhǔn)，從功能范圍上界定了CPS的分級，這對規(guī)范大家的認(rèn)識，推動CPS發(fā)展具有非常重要的意義。

但筆者經(jīng)過深入研究后認(rèn)為，這種劃分只是從橫向上進(jìn)行了一維的定義，在指導(dǎo)落地方面尚顯不足，還應(yīng)該從其他維度進(jìn)行定義與劃分，通過多維度定義、組合、演進(jìn)，形成更多落地性強(qiáng)的解決方案，從而更好地指導(dǎo)、促進(jìn)智能制造的發(fā)展。

下面，筆者期望通過自己的一些觀點，起到拋磚引玉的作用，激發(fā)大家對CPS的探索，更好地促進(jìn)CPS的落地與發(fā)展。由于CPS在國內(nèi)外尚處于一個探索階段，不足之處，敬請各位專家批評指正。

1．三個層次清晰揭示CPS演進(jìn)方向

白皮書將CPS分為三個層次，分別是單元級、系統(tǒng)級、SOS級，通過三個層次的劃分，可以清晰地看出CPS的演進(jìn)發(fā)展方向。這種劃分方法其實與美國、德國等國家的相關(guān)定義基本是一致的。

1．1中國白皮書

▲白皮書對CPS三個層次的劃分

白皮書對這三級CPS的定義如下：

單元級CPS：單元級CPS具有不可分割性，其內(nèi)部不能分割出更小CPS單元。單元級CPS能夠通過物理硬件（如傳動軸承、機(jī)械臂、電機(jī)等）、自身嵌入式軟件系統(tǒng)及通信模塊，構(gòu)成含有“感知－分析－決策－執(zhí)行”數(shù)據(jù)自動流動基本的閉環(huán)，實現(xiàn)在設(shè)備工作能力范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。

系統(tǒng)級CPS： 在單元級CPS的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)的引入，可以實現(xiàn)系統(tǒng)級CPS的協(xié)同調(diào)配。在這一層次上，多個單元級CPS及非CPS單元設(shè)備的集成構(gòu)成系統(tǒng)級CPS。

SoS級CPS：在系統(tǒng)級CPS的基礎(chǔ)上，可以通過構(gòu)建CPS智能服務(wù)平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)級CPS之間的協(xié)同優(yōu)化。在這一層次上，多個系統(tǒng)級CPS構(gòu)成了SoS級CPS，如多條產(chǎn)線或多個工廠之間的協(xié)作，以實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期全流程及企業(yè)全系統(tǒng)的整合。

白皮書分別以“網(wǎng)”、“平臺”為標(biāo)準(zhǔn)，將CPS劃分為三級。

1．2美國NIST

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2016年5月發(fā)布了《信息物理系統(tǒng)框架》就是典型的三個層次。分別是人機(jī)協(xié)同下的設(shè)備級、系統(tǒng)級、SOS級，與中國白皮書幾乎是完全一致，或者是說中國白皮書參考了該模型。

1．3德國達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)

德國達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)（Technische Universit?t Darmstadt）Reiner Anderl教授給出了如下的劃分：

分別是在嵌入式系統(tǒng)與智能傳感器等基礎(chǔ)上形成智能系統(tǒng)（包含智能傳感器與執(zhí)行器）、CPS系統(tǒng)及CPPS系統(tǒng)（賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)，也是一種典型的SoS）。

從中美德三國對CPS演進(jìn)的劃分來看，中國白皮書劃分最為清晰（以“網(wǎng)”、“平臺”作為劃分標(biāo)志），美國NIST的最為經(jīng)典，并且突出了“人”的作用，而德國的演進(jìn)路徑突出了德國最擅長的嵌入式技術(shù)、制造技術(shù)等特點。

通過這些劃分，我們可以很清晰地看到CPS由簡單到復(fù)雜、由低級到高級的演進(jìn)路徑。

2．一維只能界定屬性，二維才能更利于CPS落地

但筆者認(rèn)為，這種橫向一維的劃分只是對系統(tǒng)屬性進(jìn)行界定，對指導(dǎo)CPS如何落地尚顯不足，如果加上縱向的智能程度屬性，形成二維的定義將更有利于對CPS的理解，并可更好地促進(jìn)CPS的落地。

2．1 智能系統(tǒng)的三個層級

在筆者共同編著的《三體智能革命》一書中，我們將人造系統(tǒng)的智能根據(jù)“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升”的5大特征（簡稱“20字箴言”）劃分了三個縱向的層級，分別是：

　　初級智能系統(tǒng)：具備狀態(tài)感知、自動決策、即刻執(zhí)行，即有感知、自決策、善動作的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由工業(yè)裝置自身即可實現(xiàn)。

　　恒定智能系統(tǒng)：具備狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的四個特征，在初級智能的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的分析與決策能力。

　　開放智能系統(tǒng)：具備智能的5個全部特征，狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升。系統(tǒng)具有一定的認(rèn)知能力，并具備了自我改善、學(xué)習(xí)提升的持續(xù)發(fā)展能力。

　　這三類智能可用下面的圖示表示。

2．2 “二維九格”衍生九種CPS落地方案

　　通過橫向的三個智能層級與縱向的三個屬性層級，我們可衍生出9種CPS落地方案。下面，我們逐一進(jìn)行簡述。

　　根據(jù)以上劃分，共有三組單元級的CPS，他們的特點是最小的CPS單元，具有不可分割性。

　　初級智能／單元級：如冰箱恒溫裝置。該裝置可感知溫度，在溫度超出一定范圍后，能自動決策，即刻啟停制冷開關(guān)。這是CPS一種最基本的初級智能、單元級的應(yīng)用。

　　恒定智能／單元級：如機(jī)床自適應(yīng)切削系統(tǒng)。機(jī)床可根據(jù)主軸負(fù)載變化，基于知識的決策，在較小載荷的情況下自動增大進(jìn)給速率，在較大載荷的情況下減少進(jìn)給速率，達(dá)到縮短加工周期、提高加工效率和提升加工質(zhì)量的目的。系統(tǒng)具有實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的特點，并且具有不可再分割的特點，所以是一種恒定智能／單元級系統(tǒng)。

　　開放智能／單元級：典型的例子如阿爾法圍棋程序系統(tǒng)（AlphaGo）。AlphaGo除了具有實時分析、自主決策等功能以外，還具有學(xué)習(xí)認(rèn)知的能力，并由于具有不可再分割性，因此，這是一種開放智能／單元級系統(tǒng)。

　　下面是三組系統(tǒng)級CPS的例子，特點是引入了“網(wǎng)絡(luò)”的概念。

　　初級智能／系統(tǒng)級：如賓館火災(zāi)煙霧自動監(jiān)控報警系統(tǒng)。每個房間的感煙探測器感應(yīng)到煙霧后，將信號通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到中央控制室，啟動報警設(shè)施，并自動啟動噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火。這是一種通過網(wǎng)絡(luò)、具有實時感知、自動決策、即刻執(zhí)行特點的初級智能系統(tǒng)級CPS。

　　恒定智能／系統(tǒng)級：如智能車間／產(chǎn)線。在蘭光創(chuàng)新研發(fā)的蘭光智能車間系統(tǒng)中，通過設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)實現(xiàn)所有數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化通訊、遠(yuǎn)程實時狀態(tài)采集、大數(shù)據(jù)分析與可視化展現(xiàn)，并通過MES系統(tǒng)對計劃、排產(chǎn)、派工、物料、質(zhì)量進(jìn)行智能化管理，設(shè)備、物料、質(zhì)量等出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動通知相關(guān)人員，甚至采取相應(yīng)措施，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程等的狀態(tài)感知、實時分析、自主決策（部分自主決策，有些需要相關(guān)人員根據(jù)決策數(shù)據(jù)進(jìn)行人為決策）與精準(zhǔn)執(zhí)行，可以算是一種恒定智能的系統(tǒng)級CPS。

　　開放智能／系統(tǒng)級：這種系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自認(rèn)知功能，如設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過實時采集設(shè)備狀態(tài)，通過歷史數(shù)據(jù)，以及與其他類似設(shè)備的比較，能通過自學(xué)習(xí)的方式推理、判斷即將發(fā)生的故障，達(dá)到進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)的目的。

SoS級具有“平臺”概念，并實現(xiàn)了多CPS系統(tǒng)之間的協(xié)同優(yōu)化，是比較復(fù)雜、相對高級的CPS系統(tǒng)，以下是從智能層級方面對SoS的劃分。

　　初級智能／SoS級：如共享單車。單車通過GPS等定位單車位置，通過APP獲知客戶信息，通過云端發(fā)送過來的開鎖信息進(jìn)行電控鎖的開關(guān)。具備了狀態(tài)感知、自動決策、即刻執(zhí)行的特點，并且是基于云平臺的一種運營模式，是一種單個系統(tǒng)的初級智能、多系統(tǒng)之間的協(xié)同，可以算是一種最簡單的初級智能SoS級CPS。

　　恒定智能／SoS級：如導(dǎo)航軟件。具備位置、路況等的狀態(tài)感知，通過實時分析形成最優(yōu)路線，并根據(jù)實時路況給出最優(yōu)的路線，具有典型的狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的四個特征，這些數(shù)據(jù)是基于云平臺上眾多汽車采集的信息并進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的，是一種中級智能（恒定智能）、平臺級的SoS級CPS。

　　開放智能／SoS級：系統(tǒng)既具有自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)等高級智能特點，還具有多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的特點，典型的如海陸空天賽博五域作戰(zhàn)指揮協(xié)同系統(tǒng)等。這是相對復(fù)雜、相對高級的CPS系統(tǒng)。

　　這種從橫向?qū)傩?、縱向智能兩個維度進(jìn)行定義CPS，并衍生出九種CPS落地方案的方法，筆者稱之為“二維九格”CPS定義法。

　　通過上述定義，我們就可以很清楚地界定、細(xì)化各CPS系統(tǒng)的屬性、智能程度、基本特點等，使CPS系統(tǒng)更容易落地，很好地支持企業(yè)創(chuàng)新的發(fā)展，甚至衍生出新的商業(yè)模式，比如：軟硬結(jié)合的初級智能單元級CPS以及共享單車這類個體初級智能的SoS級CPS，通過不同的元素組合，就可以形成不同的商業(yè)模式。企業(yè)把自己清晰地定位在某一格或某幾格，重點突破，形成自己的競爭優(yōu)勢。

　　可以說，“二維九格”CPS定義法對當(dāng)今“雙創(chuàng)”（大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新）也是很有指導(dǎo)價值的。

2．3 從國外經(jīng)驗來看，CPS的二維定義迫在眉睫

　　現(xiàn)在，工業(yè)4.0已經(jīng)成為影響全球智能制造的戰(zhàn)略，成為德國非常成功的一次國家級營銷。但假如說，德國對工業(yè)4．0的描述只是停留在一個核心—— CPS系統(tǒng)，三項集成（縱向集成、端對端集成、橫向集成）的水平上，大家也只能對工業(yè)4．0有個模糊概念而已，如果對工業(yè)4．0如何落地，如何衍生新的商業(yè)模式仍然是一頭霧水，就很難推動工業(yè)4．0的實現(xiàn)。但聰明的德國人從三個維度進(jìn)行了設(shè)計，通過“工業(yè)4．0參考框架（RAMI4．0）”這個模型，工業(yè)4．0的各種落地方案、商業(yè)模式就呼之欲出了。

　　德國工業(yè)4．0參考框架

　　德國用一個三維模型清晰地表達(dá)了工業(yè)4．0的框架，美國GE則用一個二維的定義將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行闡述，機(jī)器——設(shè)備——組織——網(wǎng)絡(luò)，智能設(shè)備——智能系統(tǒng)——智能決策，從哪開始做，做成什么樣子，都清清楚楚地表達(dá)出來了。

　　可以說，CPS傳統(tǒng)一維的定義，只能比較清晰地界定了系統(tǒng)的屬性，不能明確地指導(dǎo)系統(tǒng)的落地，筆者認(rèn)為，盡快完善CPS二維甚至多維的定義，將有助于CPS在我國的快速發(fā)展，在中國制造急需向中國智造轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時刻，這項任務(wù)顯得尤為重要與迫切。

3．結(jié)束語

CPS作為智能制造的核心支撐技術(shù)，必將在中國智能制造轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮重要的價值?，F(xiàn)在，即便是全球的范圍內(nèi)，對CPS的認(rèn)知還不完全統(tǒng)一，甚至沒有一個統(tǒng)一的權(quán)威定義。工信部近期發(fā)布的白皮書，在規(guī)范大家對CPS的認(rèn)知、厘清CPS的特點、層級、實現(xiàn)等方面都具有積極的推動作用。筆者認(rèn)為，我們對CPS的認(rèn)知也應(yīng)該是一個不斷迭代的過程，我們既要肯于研究國外的先進(jìn)理念，更好地理解CPS精髓，又要不拘泥于別人的說法，結(jié)合中國實際情況，敢于提出自己的認(rèn)知，衍生出指導(dǎo)CPS的各種落地理念、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)中國智能制造的快速發(fā)展。

“二維九格”CPS定義法是筆者經(jīng)過深入思考后的結(jié)果，對CPS的細(xì)化與落地具有一定的參考價值，但未必一定完全正確，希望通過本次的拋磚引玉，能對大家起到一定的啟發(fā)作用，為更好地推進(jìn)CPS在中國的發(fā)展而共同努力，敬請各位專家批評指正！