智能制造的基础——CPS的分类和分级

航空工业信息技术中心首席顾问　宁振波

德国“工业4.0”实际上讲的就是CPS赛博物理系统。早在20世纪90年代，美国对CPS技术内核就有了定义：控制、通讯和计算，简称3C。我们必须正确理解智能、智能制造系统和CPS的关系。我认为智能是人类的一种深刻本质，一切生命系统对于自然规律的感应、认知和运用都属于智能范围。人工智能是从计算机学科发展而来的。我们在三体智能理论中，提出一种更加宽泛的智能技术——“人造智能”，就是去研发一套新的智能技术系统，具有类似人的认知能力，有感知、会分析、自决策、善动作，并且在分析与决策过程中善于运用知识，同时学习、积累乃至创造知识的能力，是一种模仿、拓展和超越人类智能的能力。

人造智能系统，有五个典型的特征，包括状态感知、实时分析、自主决策、精准执行，最后是学习提升。智能系统始于感知、精于计算、巧于决策、勤于执行、并善于学习。开放智能系统均具有以上五个典型的智能特征，也是业内基本认可并广为流传的“20字箴言”。 

《三体智能革命》一书描述了主导技术系统变迁的三个核心要素——三体：物理实体、意识人体和数字虚体。每一体都有其从不智能走向智能的内在要求。智能是本源，CPS则是它的最新实现形式。

物理实体，通过长年的演化和发展，按照达尔文的进化论核心观点，宇宙的演进，演变出了植物、动物，而动物的最高形态，就是有智能的意识人体。有智能的意识人体，创造了智能的工具。这些工具反过来帮助人们将物理实体建成了模型，这个模型就是数字虚体。数字虚体有两个作用：第一，指导我们的产品设计；第二，指导我们的产品生产。当然，我们可以把数字虚体嵌入到物理实体中，物理实体就具有智能了。

在物理实体、数字虚体与意识人体的三体中，最重要的就是我们如何把物理实体变成数字虚体，以便指导我们的产品设计、生产线和工厂的设计以及智能化产品的研制。我们把物理实体，通过数学建模映射到数字虚体。实际上这条线上表达得很清楚，具有智能的人，用我们人类开发的智能工具，通过数学建模的方法，将物理实体建模，形成数字虚体。

要深入理解CPS，必须对其最关键的词汇赛博Cyber有所了解。赛博Cyber包含了五个含义，第一控制，第二通讯，第三协同，第四创新，第五虚拟。CPS是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。CPS的功能由计算和物理过程交互实现。我个人认为CPS可以分为广义的CPS和狭义的CPS。广义的CPS，比如说在宇宙中，物质和反物质、暗物质。人类社会中的虚拟经济和实体经济。拿生物体来说，就是人的思想和身体，这就是一个完整的CPS系统。

狭义的CPS系统，主要指的是人造工程，比如说各种产品、建造的各种大坝，以及高铁、机场等。这些人造工程，都是由大量的产品构成。而产品，由实体部分和控制部分组成，控制部分就是赛博Cyber，实体部分就是Physics。产品的制造过程，也分为控制设备和硬件设备，控制设备就是赛博Cyber，硬件设备就是Physics。我们的智能产品，分为软件和硬件，软件是赛博Cyber，Physics就是硬件。

赛博Cyber实质是一种实现控制的特殊结构，是藉由信息来控制物质、能量和信息。有句话描述得非常清晰：虚实精确映射，就是指虚拟世界或者叫赛博Cyber世界和物理世界相互精确映射。然后，赛博Cyber空间控制物理空间。只要具备了这些，就能构成一个最简单的CPS最小单元。

安筱鹏博士在CPS白皮书中讲到了CPS的三个层级。单元级是具有不可分割性的信息物理系统最小单元：可以是一个部件或一个产品，通过“一硬”和“一软”（如嵌入式软件）就可构成“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能。系统级是“一硬、一软、一网”的有机组合。单元级通过工业网络，实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作，进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。系统之系统级（即SOS级）是多个系统级CPS的有机组合，涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SOS级CPS通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。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核心。理解CPS才能理解智能制造。因此，在我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用。

从目前人工智能的进展来看，技术是非常重要的，但是人的作用才是整个智能制造的最为重要的因素，只有把人整体融入到CPS中并和CPS有机结合在一起，才能提升我国制造业的整体发展水平。