在多個(gè)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(wàn)物互聯(lián)的需求，因此，針對(duì)不同場(chǎng)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(huì)看到越來(lái)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(dòng)駕駛汽車等特定場(chǎng)景的需求。

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也就是說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是技術(shù)，它還帶來(lái)了方法論層面的變革;更進(jìn)一步，它還是一種新的思維方式，讓我們有機(jī)會(huì)以***的角度認(rèn)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(dòng)百億級(jí)的市場(chǎng);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(dòng)千億級(jí)的市場(chǎng);如果你把物聯(lián)網(wǎng)作為思維方式，有可能改變整個(gè)物理世界的互聯(lián)方式，撬動(dòng)的是不止萬(wàn)億級(jí)的市場(chǎng)。

為了以正宗的姿勢(shì)理解物聯(lián)網(wǎng)這種全新的思維方式，有一個(gè)術(shù)語(yǔ)不得不提：CPS(Cyber-Physical Systems)，中文翻譯為“信息物理系統(tǒng)”。

CPS這個(gè)名詞在2006年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)NSF***提出，并在消費(fèi)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(duì)于CPS的應(yīng)用探索，隨后美國(guó)將其作為搶占全球新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的“種子選手”。

2013年，德國(guó)《工業(yè)4.0實(shí)施建議》將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，在隨后則重點(diǎn)推進(jìn)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(cuò)誤的認(rèn)為CPS僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域，或許對(duì)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(wèn)。因此在本文中，我將嘗試探討以下問(wèn)題：

• 為什么看懂CPS對(duì)于理解物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)尤為重要?
• CPS描繪了怎樣的未來(lái)藍(lán)圖?
• CPS為我們更深的認(rèn)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(rèn)的事實(shí)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(gè)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(guò)于狹隘和短視。

英文Physical不僅是“物理”的意思，更代表蘊(yùn)含在物理實(shí)體背后的客觀規(guī)律。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)NSF對(duì)于CPS的解釋是，按照自然規(guī)則或者人為規(guī)則運(yùn)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(jī)器社群等。

目前我看到的對(duì)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(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等5大功能。

CPS本質(zhì)上是一個(gè)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(gè)核心元素包括通信(communication)、計(jì)算(computation)和控制(control)，值得注意的是，CPS把“通信”放在與“計(jì)算”和“控制”同等的地位上，因?yàn)樵贑PS強(qiáng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的控制精度、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對(duì)象的種類和數(shù)量，特別是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上，可以說(shuō)吊打現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)。

在美國(guó)辛辛那提大學(xué)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(gè)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(wú)人機(jī)反恐打擊為角度切入的戰(zhàn)爭(zhēng)片。電影中，遠(yuǎn)程駕駛的無(wú)人機(jī)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(jìn)行恐怖活動(dòng)后，改為對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)清除任務(wù)。因?yàn)橐u擊目標(biāo)房屋的旁邊有個(gè)小女孩，執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中很有可能會(huì)造成小女孩的傷亡。劇情的沖突點(diǎn)在于，經(jīng)過(guò)計(jì)算，小女孩受傷的概率非常高，所以指揮官與操作手在無(wú)辜生命和有價(jià)任務(wù)之間徘徊、爭(zhēng)執(zhí)、選擇。

在電影的一個(gè)場(chǎng)景中，指揮中心里的分析人員不斷尋找目標(biāo)房屋的射擊點(diǎn)，以便在擊殺恐怖分子的同時(shí)使小女孩被誤傷的風(fēng)險(xiǎn)降到***。這個(gè)微妙決策的誕生，其基礎(chǔ)即為對(duì)狀態(tài)和活動(dòng)的精確評(píng)估及預(yù)測(cè)，涵蓋了CPS的3個(gè)核心元素：

• 通信(communication)：無(wú)人機(jī)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?，而控制指令也能夠?qū)崟r(shí)地傳遞到無(wú)人機(jī)上。
• 計(jì)算(computation)：這里的計(jì)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(zhǔn)點(diǎn)對(duì)襲擊目標(biāo)造成致命打擊的成功率;還有在襲擊過(guò)程中造成房屋邊上的小女孩傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。
• 控制(control)：無(wú)人機(jī)的指揮中心設(shè)置在距離襲擊目標(biāo)數(shù)千英里的亞利桑那州，操作手能夠通過(guò)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)RCS實(shí)現(xiàn)飛行員對(duì)飛機(jī)的一切真實(shí)操作。

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在這個(gè)實(shí)例的決策過(guò)程中，對(duì)目標(biāo)要求的完成程度和達(dá)成目標(biāo)所要付出的代價(jià)，這兩者之間的精確預(yù)測(cè)和權(quán)衡是計(jì)算的內(nèi)容和目的。決策不是最終目的，對(duì)決策造成的影響進(jìn)行精確化的評(píng)估和管理才是目的。

CPS將整個(gè)物理世界的規(guī)則進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)、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(duì)數(shù)字世界的營(yíng)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(gè)物理世界的一項(xiàng)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(dòng)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(dòng)方式。

CPS的4個(gè)發(fā)展世代

CPS其實(shí)并不復(fù)雜，縱覽關(guān)于CPS的多篇文獻(xiàn)，看懂CPS，只需讀懂兩張架構(gòu)圖。

過(guò)去我們解決已知和可見問(wèn)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(rèn)知和被模擬。前幾次產(chǎn)業(yè)革命都是基于這種認(rèn)為世界是確定性的思維方式，通過(guò)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(gè)新的臺(tái)階。

但是這一次，當(dāng)我們?cè)噲D再通過(guò)原來(lái)的手段將各個(gè)產(chǎn)業(yè)帶入新的階段時(shí)，發(fā)現(xiàn)不是單純提升生產(chǎn)力的問(wèn)題那么簡(jiǎn)單，人類對(duì)自身的認(rèn)知以有了合理的“回落”，即：如果不能正視真實(shí)世界的非確定性，將很難取得突破。面對(duì)充滿不確定性的多變世界，原有的計(jì)算基礎(chǔ)和思維方式將會(huì)受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)真實(shí)世界的不確定性，就要從根本上改變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念和方法，而不僅僅是簡(jiǎn)單改造外界，如提升設(shè)備性能。

從發(fā)展階段上來(lái)看，根據(jù)智能化和自組織的等級(jí)，CPS分為四代。目前我們正在從第1代向第2、3代的演進(jìn)過(guò)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(dòng)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(jìn)行控制的封閉系統(tǒng)，不能對(duì)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(jì)，解決的是已知或者可見的問(wèn)題，系統(tǒng)以預(yù)期和實(shí)際之間的差異作為負(fù)反饋控制的依據(jù)。但是在真實(shí)世界中，環(huán)境和目標(biāo)都有很大的未知和不確定性，這些不確定性來(lái)自于環(huán)境和任務(wù)，也來(lái)自于系統(tǒng)本身，因此便有了CPS的如下演進(jìn)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(rèn)的操作方式在方案設(shè)計(jì)階段被定義和確定，在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期中不會(huì)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(jìn)行干預(yù)和調(diào)整。

系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)軟件或者網(wǎng)絡(luò)的一些非確定性，比如通信和計(jì)算中的時(shí)鐘抖動(dòng)，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(duì)非確定性做出相應(yīng)地預(yù)測(cè)。

實(shí)例：數(shù)控機(jī)床。

3. 第2代CPS：自感知與自適應(yīng)

第2代CPS可以應(yīng)對(duì)已知模式的變化，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了多個(gè)可替代的控制模式，在運(yùn)行時(shí)CPS將在***模式下運(yùn)行?？刂颇Ｊ胶屯评硭惴ㄔ谠O(shè)計(jì)階段進(jìn)行預(yù)定義，在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化。來(lái)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(jìn)行切換。

此處CPS系統(tǒng)的自感知并不等同于人類心理學(xué)層面的自我感知，CPS的自感知對(duì)應(yīng)人腦中的初級(jí)思維功能，包括對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)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(shí)別，不同情境對(duì)系統(tǒng)影響的判斷，特定場(chǎng)景中的操作理解，以及上下文語(yǔ)義識(shí)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(qiáng)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(shí)例：運(yùn)作在多模式下的飛行控制系統(tǒng)。

4. 第3代CPS：自認(rèn)知與自進(jìn)化

對(duì)于準(zhǔn)已知的變化，第3代CPS可以應(yīng)對(duì)，它是一個(gè)可以自我成長(zhǎng)的智能體，其價(jià)值和能力會(huì)隨著使用的不斷積累而增強(qiáng)。具備自學(xué)習(xí)能力的CPS可以在預(yù)定義的范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際約束條件進(jìn)行自組織與自調(diào)整。

相比自感知，自認(rèn)知是一種更高級(jí)的認(rèn)知模式，需要結(jié)合各種經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，對(duì)陌生的情況做出適當(dāng)?shù)耐评?。自認(rèn)知在部件級(jí)、單機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)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(rèn)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(kuò)展。自感知使得CPS在特定情況下可以針對(duì)物理世界建立有效的模型，自認(rèn)知使得CPS可以從多個(gè)不同角度建立物理世界的多種模型。自認(rèn)知本身具有一定的不確定性，不同的情景和上下文語(yǔ)境，有可能讓系統(tǒng)從不同角度提出多種模型。

自進(jìn)化表現(xiàn)為CPS從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)展到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力，以便響應(yīng)需求、任務(wù)、目標(biāo)和環(huán)境的變化。目前在設(shè)計(jì)階段，充分預(yù)測(cè)各種運(yùn)行場(chǎng)景和功能變得越來(lái)越困難，因此讓CPS具有自進(jìn)化的能力變得非常迫切，當(dāng)前的各種系統(tǒng)還遠(yuǎn)未達(dá)到被期待的自進(jìn)化水平。

示例：自學(xué)習(xí)機(jī)器人。

5. 第4代CPS：自我意識(shí)和自我復(fù)制

第4代CPS可以應(yīng)對(duì)未知變化，人不再必須參與控制過(guò)程。目前對(duì)于第4代CPS，尚無(wú)法給出明確的界定。全面的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能，包括機(jī)器感知、情景感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、自主認(rèn)知等能力，被認(rèn)為是第3代和第4代CPS的主要區(qū)別。

對(duì)于什么是智能，什么是系統(tǒng)智能，智能水平如何評(píng)級(jí)，不同的機(jī)構(gòu)與組織之間存在頗多爭(zhēng)論，也可能本不存在確定答案。

CPS中兩個(gè)交織的計(jì)算周期

當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)方案普遍處于向第2代CPS邁進(jìn)的階段，在這里形成了兩個(gè)交織的計(jì)算周期：

• 基本周期：包括從傳感à監(jiān)控à決策à推理à計(jì)劃à執(zhí)行à效用的閉環(huán)
• 增強(qiáng)周期：包括從推理à學(xué)習(xí)à適應(yīng)à進(jìn)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(gè)模型基于“設(shè)備畫像”或者“物模型”進(jìn)行提煉。設(shè)備畫像形成了一種設(shè)備維度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步分析不同場(chǎng)景中使用的配置，做到知識(shí)的復(fù)用。

企業(yè)通過(guò)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(zhǔn)度。它可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的沉淀，打造數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)的能力，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和構(gòu)建設(shè)備的特征庫(kù)。

在基本周期中，經(jīng)由模型驅(qū)動(dòng)，以萬(wàn)變應(yīng)不變。

在增強(qiáng)周期中，考慮到真實(shí)世界的不確定性和多變性，通過(guò)深度學(xué)習(xí)得出來(lái)的推理模型對(duì)基本模型進(jìn)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(qiáng)其適應(yīng)不同任務(wù)、環(huán)境和場(chǎng)景的能力。

CPS的智能性很大程度上取決于推理機(jī)制，由其感知和預(yù)測(cè)環(huán)境的變化及不確定性，并對(duì)自身狀態(tài)的變化和風(fēng)險(xiǎn)性因素進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

在增強(qiáng)周期中，經(jīng)由規(guī)則驅(qū)動(dòng)，以不變應(yīng)萬(wàn)變。

至此，通過(guò)對(duì)于CPS的四個(gè)世代和兩個(gè)周期的說(shuō)明，輔以兩張圖片，我將關(guān)于CPS的***進(jìn)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(lái)發(fā)展之路。把“通信”、“計(jì)算”和“控制”置于同等地位的CPS，值得花時(shí)間細(xì)細(xì)琢磨，掌握了它，將讓我們更好的認(rèn)知和“駕馭”充滿不確定性的真實(shí)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(xué)家丁險(xiǎn)峰在成文過(guò)程中對(duì)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(jī)會(huì)從***的角度認(rèn)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(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)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(gè)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(dòng)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(dòng)方式。