文章資訊聲明
本文作者：智研院
4月5日， CPS資訊物理系統專家宣講團第三講“CPS的技術路線”， 由走向智慧研究院執行院長、中國發明協會發明方法研究分會會長、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員趙敏先生網路開講。
“CPS資訊物理系統專家宣講團”
第三講網路直播實錄
為做好資訊物理系統CPS的宣傳貫徹工作， 在工信部信軟司的大力支持下， 中國電子技術標準化研究院、中國資訊物理系統發展論壇、走向智慧研究院組織團結各方力量， 組建“CPS資訊物理系統專家宣講團”， 在網路上發起集中宣傳活動，
在後臺回復“0405趙敏：CPS技術演進及應用落地“完整PDF
在後臺回復“0329寧振波：CPS的精義是這樣的“講座完整PDF， 收聽講座音訊
在後臺回復“0322《資訊物理系統白皮書（2017）內容解讀》“完整PDF全文
在後臺回復“活動”， 即可入群參加下一次宣講
第三講主講專家：
趙敏：走向智慧研究院執行院長、中國發明協會常務理事/發明方法研究分會會長、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員
宣講主題：CPS的技術路線
活動主持人：
蘇明燈：走向智慧研究院執行秘書長、《三體智慧革命》編委
相信我， 2017， 中國製造最大的IP是CPS
以下為本次活動實錄：
主持人：大家好， 我是今晚五十個科技社群同步直播CPS專家宣講團活動的開場主持人蘇明燈，
清明踏青歸來， 今晚大家再次在賽博空間相遇， 還記得上周我們一起為CPS專家宣講團加油的口號麼——“相信我， 2017， 中國製造最大的IP是CPS”。
為做好資訊物理系統CPS的宣傳貫徹工作， 在工信部信軟司的大力支持下， 中國電子技術標準化研究院、中國資訊物理系統發展論壇、走向智慧研究院聯合組織團結各方力量， 組建專家宣講團， 從不同角度， 為政企各屆朋友集中宣傳講解CPS， 推動CPS技術和應用發展。
在前面兩周的同一時間， 我們分別有幸邀請到中航工業集團資訊技術中心首席顧問、兩化融合專家、智慧製造研究專家甯振波研究員，
今晚即將登場的嘉賓， 是走向智慧研究院執行院長、工信部中國資訊物理系統發展論壇副秘書長、中國發明協會發明方法研究分會會長， 國內著名創新方法專家、兩化融合/智慧製造專家、《三體智慧革命》副主編趙敏先生。 在權威的產學研組織中國資訊物理系統發展論壇中， 趙院長也是專家諮詢委員會的重要成員。 可以說， 《CPS白皮書2017》的成稿，
值得一提的是， 我國工業、IT行業若干重要部門、機構、單位、企業對今晚的活動給予重要指導與大力支持。 他們是:
CPS資訊物理系統專家宣講團
指導單位：工業和資訊化部資訊化和軟體服務業司
主辦單位：中國電子技術標準化研究院、中國資訊物理系統發展論壇、走向智慧研究院
支援單位（滾動更新， 不分先後）：中國機電一體化技術應用協會、青島工業軟體研究所(中國科學院軟體研究所青島分部)、全國智慧製造發展聯盟， 中國兩化融合應用推廣聯盟， 中國工業軟體聯盟， 中國兩化融合服務聯盟、中國科技自動化聯盟、北京資訊科技大學自動化學院、機械工業出版社、廣東華南計算技術研究所、華為、PTC、索為系統公司、索為雲網、蘭光創新、英諾維盛、北京聯訊動力、合眾聯恒、深圳昱辰泰克、北京格分維、兮易強企、大馳創新、e-works數位化企業網、工業4.0俱樂部、智慧製造百人會、精益自主研究會、工控兄弟連、物聯網智庫、全國三維數位化創新設計大賽組委會、全國三維數位化技術推服務與教育培訓聯盟、世界綠色設計組織WGDO智慧製造專委會、3D動力、智造家IMEfuture、工業4.0商業共同體等。
接下來， 有請趙院長進入宣講時間， 從CPS的技術發展路線、技術應用路線的角度， 為大家解讀CPS的技術路線， 為企業CPS應用落地提供思路。
【趙敏】在前兩周， 電子標準院軟體工程與評估中心郭楠主任、中航工業集團資訊技術中心寧振波首席顧問已經對CPS做了兩次多角度、多層面的深入解讀， 取得了非常好的解讀效果和聽眾回饋。
今天，我將從CPS的技術發展路線、技術應用路線的角度來進行解讀。
關於CPS的定義，有很多國內外的研究報告都做過。這次工信部標準院領銜發佈的《資訊物理系統白皮書》（以下簡稱“白皮書”）中，融匯了多方面的研究成果，給出了如下的定義。我將按照這個定義，與大家一起探討、一起理解，進行後續的CPS白皮書內容的解讀。
我在以下解讀內容中，參考了一些書中的術語和定義，這些參考書有《三體智慧革命》、《TRIZ進階及實戰》、《工程設計》、《資訊物理系統白皮書》等，還有我前不久寫的幾篇文章。
其實，我個人倒是更喜歡Smart America給出的定義：“CPS是物聯網與系統控制相結合的名稱。因此，CPS不僅僅是能夠“感知”某物在哪裡，還增加了“控制”某物並與其周圍物理世界互動的能力。”
“感知”，“控制”，互聯，互動，這大概是CPS最基本的內涵。
好，按照宣講團的排程，我從CPS的技術路線講起。先講CPS發展演變的技術路線，再講CPS的應用落地的技術路線。
一．CPS發展演變的技術路線
一個新事物的形成，總是很多我們早已熟悉的既有生產要素、也包括已經存在但是我們尚不熟悉的老舊生產要素，在某些機緣的巧合、激發或催化下，共同合成。
CPS（Cyber-Physical Systems）不會憑空誕生。其前置性的技術儲備由來已久。其定義中的大部分要素也並不是新創，而是對既有的多種技術的融合與提升，最終呈現給了我們一個看似全新的概念。
CPS說來說去，從其基本定義中，就離不開它是一個“系統（System）”的本質。既然是系統，而且是工程技術領域的系統，那麼我們就從一個“技術系統”最基本的定義來剖析CPS的基本定義、組成要素、關鍵技術、演進與發展，最終，給出CPS的若干應用模式。
什麼是系統？

錢老的定義，堪稱系統定義的經典。
無論是參考東歐前蘇聯的創新方法論（TRIZ），還是參考西歐德國的《工程設計》經典著作，其中都有對工程技術領域中基本的系統的定義——“技術系統”。與“系統”的定義比較可以看出，“技術系統”完全遵從、延續了“系統”的定義。
技術系統也可以稱作“工程系統”、“產品系統”。但是因為技術系統是一個非常通用化、一般化的基本概念，可以擺脫相對具體的工程系統、產品系統的思維定勢和物理形體約束，因此在討論基本概念時，都採用了技術系統的術語。當然，如果使用者更喜歡工程系統的術語，且同時沒有思維定勢，但用無妨。

在上圖中，虛線方框內就是技術系統的範疇。我們今天只討論這個方框內的諸項要素。
一個技術系統，可以有多種劃分系統要素的視角和方式。其中關於四個基本裝置的劃分方式，是描述這個技術系統如何實現其功能的最基本的劃分。
任何的技術系統，都是為了實現“功能”而構建的。CPS當然也不例外。其基本功能就是：
由C控P，精確執行。
一個技術系統，可以有多種劃分系統要素的視角。

我們重點來講技術系統如何按照“完備性”來劃分系統要素。
技術系統的“完備性”，是一個“剛需”，即一個技術系統在實現預定功能時，技術系統必須是“完整無缺”的，也就是說技術系統的“動力裝置、傳動裝置、執行裝置、控制裝置”這四個子系統必須同時存在，而且協調發揮作用，才能實現技術系統的功能。
實現系統功能——“動力裝置、傳動裝置、執行裝置、控制裝置”——一個都不能少！
四個基本裝置各司其職：“執行裝置”（即執行器）負責發出動作，執行系統的預定功能；“動力裝置”負責產生、轉化能量；“傳動裝置”負責傳遞能量； “控制裝置”負責調控各個子系統的運行參數，讓執行系統儘量精確地做出動作。
如果技術系統不完備，那麼至少要有執行裝置存在。例如筆、改錐、扳手、鑽頭等工具類的產品。
執行裝置是最精簡的P端，它決定了該產品的基本屬性。如汽車的執行裝置是車輪，不管怎麼換動力裝置、傳動裝置和控制裝置來組成各種新概念汽車，但是，只要是車輪還在，它就是利用輪胎與地面的摩擦力在地面上跑的汽車，如果汽車不用車輪來實現運動了，那麼它就不是汽車了。
如技術系統缺失其它某個裝置，須借用外部系統來彌補，否則無法實現預定功能。
舉個例子：一根鑽頭，它自己並不會去執行“鑽孔”這個功能。需要讓它高速旋轉起來，精確定位，才具備了在一個物體上按照某個既定角度鑽一個孔。
怎麼讓這根鑽頭轉起來呢？——需要給鑽頭施加轉動力矩。誰來給鑽頭施加這個轉動呢？過去只能靠人力來完成。

由上圖可以看出，加了傳動裝置，一個手搖鑽就好用了很多。如果加上電機，變成了手電鑽，就非常省力了。但是在控制鑽頭的角度、深度等參數方面，手控的方式還是力不從心的。於是，當加上了必要的“控制裝置”、發展成了鑽床之後，這些問題就解決了。這是典型的機械式的控制子系統。
技術系統組成要素的演變
技術系統的組成要素是在不斷發展變遷的。

按照上述的工業革命中技術的演變進化趨勢，技術系統中的四個基本裝置（子系統）都在不斷地發展演變，所有的執行裝置一直在結構形式、材料上發展，例如日本人研究出來的現在能夠打穿“最硬合金”的“最硬鑽頭”等。

但是相比較而言，最近三十年技術系統中發展最快的就是其中的控制子系統。CPS的技術形態與其密切相關，因為CPS在一個產品/設備系統中就是專門起著精准控制作用的子系統，就是這個系統的控制裝置之一。這也是為什麼我在本講的開篇要花這麼多的篇幅介紹技術系統的原因。
下面將重點介紹控制裝置的發展變化。控制裝置在核心技術上，基本上走了一條“機械→機電→電子→數位→軟體”的技術發展路線。

從上圖中大家可以看到，諸如前面列舉的早期鑽床，就是一個純機械式的控制裝置，以工作臺、卡具、搖臂等零部件組成了具有控制定位、進給、進深等功能的控制裝置。
按照工業革命的技術發展路徑，機械化→電氣化→數位化，機械式的控制裝置會逐漸增加與“電”有關的內容，控制裝置中的關鍵技術要素，會從類比發展到數位，從數位發展到軟體，甚至從軟體發展到雲。

這張圖很關鍵，嵌入式系統已經將賽博和物理連接在了一起（以紅色虛線區分兩個空間）。整個技術系統的演變進化，其控制裝置部分已經逐漸發展成為了今天我們要深入討論的CPS。
CPS基本模型
這種技術交匯融合、發展演變的結果，就是CPS逐漸發展形成的過程。最終，發展成為了美國國家標準技術研究院（NIST）給出來的CPS基本概念模型。這種基本模型，具備了CPS的四個基本過程：“感知-分析-決策-執行”。

在我們今天宣講的白皮書第9頁裡，認為CPS的本質是“構建一套資訊空間與物理空間之間基於資料自動流動的狀態感知、即時分析、科學決策、精准執行的閉環賦能體系”。而在我們“走向智慧研究院”九位專家合著的《三體智慧革命》書中也提到了判斷智慧系統的“20字箴言”，即：狀態感知、即時分析、自主決策、精准執行、學習提升。從這兩種表述可以看出，對CPS的認識基本相同，白皮書較多地採用了“20字箴言”的總結，同時有新的發展。
感知，就必須有感測器。這是基本要素。沒有狀態感知功能的系統是無法成為智慧系統的。
分析，就需要由晶片以及安裝在其中的軟體演算法來共同實現。
決策，軟體演算法中的知識與推理規則可以擔當此任。
執行，必要的執行器，就是實現系統功能的執行裝置。
“狀態感知、即時分析、科學決策、精准執行”，構成了CPS的基本過程閉環。
感測器、晶片、軟體、網路、執行器等，構成了CPS的基本系統要素。

在明確了CPS的基本模型之後，我們再來從更廣泛的視角上繼續觀察、理解和介紹CPS的技術發展路線。
總體上看，按照技術出現的時序，CPS技術大致發端於以下幾個方面：
1.無線控制技術（第一個里程碑）
2.廣義模擬技術（第二個里程碑）
3.嵌入式系統（第三個里程碑）
4.電腦遊戲（第四個里程碑）
CPS第一個里程碑——無線控制技術
馬可尼在1894年用無線電波打響了10米以外的電鈴，首次實現用電磁波影響某個物體；
尼古拉·特斯拉在1898年發明了世界上第一艘遙控的小船，首次實現用電磁波遙控某個設備；
1955年Zenith發明了第一個“Flashmatic”無線遙控裝置；
NASA 在1992年提出了早期的CPS概念；
2012年NASA對170億公里之外的“旅行者1號”發出遙控指令， 以光速飛行的指令16個小時才到達，讓照相機拍攝地球，並且將照片資料發回來。
使用電磁場（電磁波）實現的無線控制技術是如此之重要！
電磁場能夠改變位於場中的某個被操作物件的狀態、參數、屬性，例如車鑰匙遙控開車門，遙控器調電視節目，地面指揮室遙控衛星變軌搜尋馬航失事飛機殘骸等。生活中，遙控實現的功能比比皆是。最重要的，就是電磁場以各種形式進入了我們的生活。
以“場”控物是第一個里程碑。

CPS第二個里程碑——廣義模擬技術
1960~1970年代，有限元分析FEA開始崛起， CAD嶄露頭角；
FEA不斷被結合到CAD、CAM中，形成了CAE分析技術的框架；
1990年開始CAE技術進入成熟期，快速推廣普及；
• CAD是幾何形體模擬；CAM是加工刀軌模擬；CAE是力學狀態模擬等；
• 早期，物理形體及過程，與數位化模擬結果之間並無資訊交互；
廣義的模擬技術用軟體來模仿自然系統或人造系統的力學狀態，仿得越真越好。而後出現的系統模擬，就是讓實際物理系統的映象——數位化“系統模型”在相應的“人造環境”中模擬。
物理模型與數位模型，從沒有資訊交互到有資訊交互，是第二個里程碑。

CPS第三個里程碑——嵌入式系統
1976年首次出現了嵌入式系統的商業產品，例如Intel推出單片機8048；Motorola推出68HC05；Zilog推出Z80系列；
上世紀90年代末“嵌入式OS”呈現井噴式增加，所有可以用於嵌入式系統的OS都是“嵌入式OS”。
我們可以對比一下通用電腦與嵌入式系統的異同：通用電腦側重高速海量計算，研發重點是擴匯流排，擴容量，通用高效的人機交互介面；嵌入式計系統側重對物件的控制，研發重點是功能精簡，即時回應，控制可靠，可以無交互介面。
知識和演算法嵌入軟體，軟體嵌入晶片，晶片嵌入硬體，形成嵌入式系統，為C端進入P端鋪平了道路。知識嵌入了物理實體，這是第三個里程碑。

CPS第四個里程碑——電腦遊戲
1976年在斯坦福人工智慧實驗室的DonWoods先生用施樂主機編寫了一個小程式，加入了幻想成分和謎題。這個叫做ColossalCaves的程式可能是第一個電腦遊戲軟體。
在上一講中，寧總介紹到，1993年數百名美國特種部隊在索馬里首都摩加迪休軍事行動中被數千名索馬里民兵圍攻，造成19名美軍死亡，73人受傷，事後索馬里民兵將美軍士兵屍體吊在橋上向全世界展示。這是美軍在越戰後首次在戰場上吃了這麼大的虧。美國政府和民間受到很大刺激。於是，美國上下都有一種強烈要求美國軍人非直接進入戰場作戰、但是又能打擊恐怖分子的要求。
在這種情況下。美軍借鑒了基於螢幕交互的遊戲軟體的原理，與第一個里程碑（以電磁場控制場中物體）的技術結合力，開發了專用的作戰軟體。操作者控制螢幕上的虛擬數位彈藥，但是該虛擬數字彈藥與無人機上的物理實體彈藥完全匹配，由C及P，由C控P，在螢幕端瞄準目標，然後實施精確攻擊。人員無需進戰場，作戰完全非接觸。由C及P，由C控P，這是第四個里程碑。

例如，無人機已經鎖定這輛皮卡，隨時可以發動攻擊

相信大家已經看到過很多類似的圖片及視頻資料。支援這種“殺人如同玩遊戲”的技術是什麼？就是上述幾種技術發展融匯出來的CPS技術。

綜上所述，主要在這四大類技術的支援下，物理實體P、數位虛體C開始了幾十年的交匯、集成與融合發展過程，最終形成了今天的CPS。這一張圖的內容，如果仔細講起來，可以講上幾個小時。例如，僅僅對於“數位孿生（DT）”的概念，在英文術語的翻譯上，就有很多不同的解讀。而對於數位孿生體的雙方——物理實體與數位虛體之間的虛實映射對應“逼真度”的關係，也是認識不同。順便說一句，所謂數字孿生這一方的數位虛體，是根據實際工作場景的具體需要來要求其製作細節（“逼真度”）的。例如，如果研究高鐵運營，那麼在數位虛體的運營調度軟體中，一列高鐵列車，就是一條移動的線，甚至就是一個點，因為這種工作場景不要求做出高鐵列車的數位化模型，簡化成一條線即可。但是如果要研究高鐵列車在高速運行中，底盤上轉向架的振動、受力、磨損、疲勞、預測式維護等情況，就一定要把這個轉向架的所有細節特徵都做出數位化模型來，從幾何模型、功能模型到性能模型等，一個都不能少。
前面給出的這個C端與P端的交匯圖是粗略的示意，實際的發展路線也未必完全如此。作為示意性的圖示，輔助大家理解一下就好。
最終，C端與P端的交匯的結果，讓我們提煉出了一個基本的CPS模型。
二．CPS應用落地的技術路線
其實，一個具體的CPS應用場景，可能要求CPS具有多種變化形式，以適應工作場景的具體約束與需求。

在上圖中，拉開的線條表示該系統元件可以分離部署，即如果CPS的應用場景確有必要的話，有些CPS的元件可以單獨分離出來，通過有線或無線（移動物聯網）的方式，保持與CPS本體的資料交互。
感測器可以分離部署，單獨部署與發展。我在後面會提示大家，這是一種非常常見的應用落地模式。例如監控攝像頭、雷達可以拉很遠的距離，並不與系統本體集成在一起。
動力裝置可以分離部署，通過有線或無線的方式，與CPS本體進行能量交換。例如現在的無線充電技術，就是通過電磁波的形式來進行的。
如果本地的計算能力不夠，那麼也可以把一部分軟體的計算過程轉移到雲平臺去做，CPS與雲平臺的連接往往以移動物聯網的方式進行。但是，這種技術部署需要強大的網路資料傳輸能力。
執行器也可以分離部署，例如用手機遠端控制家中的門鎖、冰箱的開關、通斷等。
關於系統級別
在白皮書中，給出了CPS在尺度上的層級劃分。單元級、系統級、系統的系統（SoS）級。

對CPS系統級別的理解，可以參照德國的RAMI 4.0（Reference Architectural Model Industry4.0）標準，即工業4.0參考架構模型。因為這是根據多個國際標準長期實踐和融會貫通之後做出來的，結構規範嚴謹，層次感非常好。在“系統級別”維度上，描述了生產設備系統從裝置到企業的不同系統級別。對CPS的解讀，也可以根據這個維度來解析。

單元級CPS
《CPS白皮書）201 7）》指出：“單元級CPS具有不可分割性，其內部不能分割出更小CPS單元。…構成含有“感知-分析-決策-執行”資料自動流動基本的閉環…。”
“單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS 匯流排）構成更高層次的CPS，即系統級CPS。”
我個人理解，單元級CPS在系統級別上屬於RAMI中規定的較小的“裝置（Device）”級別。裝置是有定義的：裝置是指機器、儀器和設備中結構複雜並具有某種獨立功用的物件——它是整機中的一個由多要素組成、有自己特定功能的子系統。
前面已經提到過，以下四個幾個過程是必不可少的：
感知：由各式各樣的感測器或類似感測器的器件來實現，把工況中的各種物理場轉化為便於電腦處理的電信號；
分析：由本地或雲端的計算能力完成，涉及對晶片、軟體、網路、雲的使用；
決策：由本地或雲端的軟體中預置的知識與演算法完成；
執行：由執行器（執行裝置）做出最恰當、精准的功能動作，完成系統功能。
以上者四個過程形成了單元級別的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。
前面也提到，CPS單元可以有多種的落地應用形式，若干系統元件可以分離部署。

下面介紹幾個單元級CPS的典型應用形式。
第一個例子，是汽車中的轎廂溫度控制。車頭有外部環境溫度感測器，轎廂內部有溫度感測器，根據二者的溫度差，來由嵌入式系統中的軟體決定該如何調節溫度。

第二個例子，是如何開發智慧軸承。最簡單的方式，是單獨研發一種專用感測器，然後與現有的PC、平板、智慧手機相結合，組成一個單元級CPS。例如，瑞典軸承公司SKF就開發了這樣的靈活應用的CPS裝置。這種設備，隨時部署使用，靈活方便，但是無法實現永久的線上測量，測量結果的精度也不一定高。

如果是針對大型的、昂貴的軸承設備，就不能採用這個借用外部設備的方法了，可以開發專門的智慧軸承設備。
SKF Insight面向的是更換成本達到上億日元的大型軸承。在軸承中配備感測器和支持2.4GHz頻段工業用無線方式——WirelessHART的無線設備。通過WirelessHART傳輸的資料由集中器接收，並通過移動通信（GPRS）傳給中心設備。中心設備即時監控資料。SKF Insight始終運行著，用來檢測軸承有沒有故障等。（此段內容摘自百度）。
第三個單元級CPS應用例子是汽車的LED矩陣大燈。奧迪公司在A8和Q7上搭載了這種燈光技術。每一組LED燈，都是一個單元級的CPS應用。

系統級CPS
《CPS白皮書）2017）》指出：“在單元級CPS的基礎上，通過網路的引入，可以實現系統級CPS的協同調配。在這一層級上，多個單元級CPS及非CPS單元設備的集成構成系統級CPS，如一條含機械臂和AGV小車的智慧裝配線。”
“在這一層級上，網路聯通（CPS匯流排）至關重要，確保多個單元級CPS能夠交互協作。”
系統級CPS的應用形式可以是：多個單元級CPS通過有線、無線網路設備（CPS匯流排）連接在一起，協同配合，相互感知，彼此呼應。
在系統元件上，可以連接同構CPS單元或者是異構CPS單元。
例如連接汽車發動機、轎廂溫度、輪胎、燈光、路面情況等異構CPS單元。
在系統級CPS中，可以形成系統範圍內的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。而單元級CPS的內部，也還是有自己單元級別的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。


在國內的很多工作場景中，都可以參考這樣的系統CPS模式。例如港口機械的某個塔吊群組之間的協同裝卸貨物，超大型產品裝配車間內部多個吊臂、機械手、AGV之間的協同安裝大型零件等。
第二個例子，是對化學反應釜內溫度的測量與調控。這是南京智中公司做的案例。

如圖所示，多個反應釜同時測溫。熱敏感測器採集一組反應釜內溫度，無線傳輸給讀卡器。讀卡器把資料上傳到雲端，雲端的軟體對運行資料進行分析，自動按照最優模式給出適宜參數，調節反應釜內溫度。如果有運行異常（溫度異常波動），可將運行結果發送到雲端以及現場工作人員的手機App中進行報警，同時自動對反應釜進行調溫處理。

SoS級CPS
《CPS白皮書）2017）》指出：“在系統級CPS的基礎上，可以通過構建CPS智慧服務平臺，實現系統級CPS之間的協同優化。在這一層級上，多個系統級CPS構成了SoS級CPS，如多條產線或多個工廠之間的協作，以實現產品生命週期全流程及企業全系統的整合。”
“CPS智慧服務平臺能夠將多個系統級CPS工作狀態統一監測，即時分析，集中管控。”
SoS，即“系統的系統”。SoS與系統是不一樣的，因此在系統表現上有明顯的五個特徵：
1、Operational Independence of Elements（要素獨立運行）
2、Managerial Independence of Elements（要素獨立管理）
3、Evolutionary Development（嚴謹發展）
4、Emergent Behavior（湧現行為）
5、Geographical Distribution of Elements（要素地理分佈）
因此，SoS中的各分散式系統，獨立運行，獨立管理，具有一定的“湧現”行為，是SoS的常態。
湧現行為是大量個體通過互相作用而達到統一運動目標的集群行為。
湧現是自組織的一項原則，從簡單進化出複雜，從混亂產生出秩序。
每個SoS級CPS有自己的“感知-分析-決策-執行”四個過程的資料閉環，但是SoS級CPS下面的系統級CPS、單元級CPS，也各有自己的“感知-分析-決策-執行”四個過程的資料閉環。這是一種異常複雜的系統形式，也是一種由簡單到複雜、由混亂到秩序的產生湧現的系統要素土壤。在整個大系統內部，一開始可能是秩序含混、運行低效的，但是在各個級別的CPS的不斷的“感知-分析-決策-執行”智慧過程中，最後會較快地趨於秩序，趨於整體上提高效率。
一個SoS級CPS的系統形態如下圖所示。

第一個例子，杭州雅數公司開發了一個“雅數義齒雲平臺”，可算是一個融義齒設計、優化、生產、維護為一體的系統級CPS。
傳統口腔修復採用石膏模實物傳遞義齒資訊，週期長，患者痛苦。
在本SoS級CPS系統中，“P端”包括設置在各醫院的口內掃描設備、設計與優化工作室、加工設備（小型數控機床或3D印表機）、設備維護平臺等。以上不同的系統各自也是系統級CPS，基於雲端智慧服務平臺協同工作。
“C端”包括“雅數義齒雲平臺”、雲存儲、雅數義齒設計CAD軟體、數控加工CAM軟體等。在雲端保存口掃資料、CAD設計模型、訂單資料、NC代碼、加工設備即時影像資料、設備即時參數等諸多資料。
該SoS級CPS的工作原理如下圖所示。

第二個例子，是美軍開發的無人機群。就在剛剛過去的1月份，美國展示了最大軍用無人機群，顯示了SoS級CPS的研發成果。
這些無人機群可自組織出來某些空中的特殊形狀，如下圖所示。


SoS級的CPS應用，都是在系統要素和系統行為都很複雜的大型複雜系統場景中構建的。這樣的應用，相對於單元級、系統級CPS來說，數量要少得多。在工程領域，還是以單元級CPS的應用為主，佔有絕大多數的比例。其次是系統級別的應用，也佔有一定的比例。SoS級的CPS應用在總體比例上是很少的。在系統要素和行為上，還有很多不是很清楚、值得深入研究的地方。
由簡單到複雜——智慧微塵
其實，以簡單的單元或元件，組成相對複雜的系統，是構建CPS系統的一個基本原則。在單元級、系統級、系統的系統級之間，是可以隨時組合升級與切換的。我列舉一個“智慧微塵”的例子，看如何單元級向系統級、SoS級過渡。

智慧微塵，指集成了電腦、感測器、MEMS（微機電系統）、通信系統、電源等的一種超微型感測器，它可以自動探測周圍環境參數，大量收集環境檢測資料，即時進行計算處理，然後利用雙向無線通訊裝置將收集到的資料在相距300米的微塵器件之間往來傳送。當個別微塵因故障失效後，其它正常微塵能跨過這些故障微塵自動連接。智慧微塵體積大約在幾個立方毫米級別，可以大量、隨意佈置到諸如探測人體生命體征、建築受力、能源用量、土壤溫度、交通地圖、生產效率等資料的現場環境中後，形成一張智慧無線傳感網。
一個智慧微塵，就是一個單元級CPS。
多個智慧微塵，就可以組成一張感測器網路，其實也就是一個系統級CPS。
如果該系統級CPS再與其他的系統級CPS組合在一起，就可以形成SoS級CPS。
美國DARPA期待用智慧微塵來感知戰場狀況。例如，用一架飛機飛過某戰場區域，撒下數千個智慧微塵。該區域中的所有智慧微塵可以構建一個巨大的、可以採集資料的自組織網路，但是這些微塵又相當隱蔽，不易察覺。當敵方的車輛、坦克、部隊等通過該區域時，就可以檢測到這些活動目標的感測器的資料。所有的智慧微塵以“接力”的方式發送資料，直到信號到達採集節點並傳輸給指揮官。此時指揮官可以將資料顯示在螢幕上並即時查看該區域多個目標移動的路線。隨後決定如何進行打擊。
在這個自組織體系中，有單元級CPS智慧微塵，有感測器網路組成的感測器網路（系統級），這個網路再與後方指揮系統、指揮員、操作員組合在一起，形成一個“人在回路”的SoS級CPS。
三．小結
本次解讀重點介紹了CPS的技術發展路線，以及CPS的技術應用路線。
對CPS的基本形態和應用場景做了一定的總結和提煉，讓CPS從抽象變得更加具象，使得大家在與自己的工作場景相結合方面，可以找到一定的對應，找到落地的方法與手段。
我本人對CPS的理解，還不是很深刻，還在繼續學習、領會、理解和加深認識的過程中。越加深理解，越感到自己的知識不夠用，越感到CPS跨界厲害，越感到CPS應用前景、潛力無限。
限於時間和篇幅，關於CPS的很多的內容還沒有展開講。對於在本次解讀圖文資料中可能出現的不準確、有錯誤、有疏漏的地方，還請大家多多包涵。歡迎大家及時向群主回饋收看意見和建議。
謝謝大家！
【主持人】非常精彩的分享。趙院長首先談了自己對於CPS定義和基本內涵的理解，強調感知、控制、互聯、互動。從CPS的組成要素、關鍵技術、演進和發展，為我們梳理了CPS的若干應用模式。理解CPS的本質，首先從“系統”、“技術系統”的角度，強調CPS的基本功能是由C（數字虛體） 控 P（物理實體），精確執行。CPS白皮書中關於CPS的定義與《三體智慧革命》一書中強調智慧系統的狀態感知、即時分析、自主決策、精准執行、學習提升“二十字箴言”，基本相同，同時有新的發展。
趙院長從技術系統的組成要素的發展變遷，為我們勾勒出CPS逐漸發展形成的過程，最終形成CPS的基本概念模型，即具備CPS的四個基本過程：感知-分析-決策-執行。同時，趙院長按照技術出現的時序，給我們講解了CPS技術發端的四個里程碑：無線控制技術、廣義模擬技術、嵌入式系統，以及電腦遊戲，並在這四大類技術支援下，物理實體P、數位虛體C開始了交匯、集成和融合發展過程，最終形成今天的CPS。
趙院長通過豐富的實際案例，諸如智慧微塵、LED矩陣前車燈、協同工作機器人、無人機群等具體的應用案例和場景，給我們展示了單元級、系統級、SoS級CPS的典型應用形式，指導我們廣大企業理解CPS，並推進CPS應用落地。
作為本次活動主持人，請允許我代表參與今晚宣講直播活動的萬名科技界、產業界群友，再次為趙院長送上鮮花和掌聲。
下面，請直播工作人員轉發我們剛剛收到的部分群友提問。
【群友提問】：我來自浙江一家汽車製造企業，您提到CPS技術發展的四個里程碑，感覺很清晰。我想請問一下，在四個里程碑中，哪項技術對於CPS的發展最重要，或者說最關鍵。
【趙敏】：既然是里程碑式的技術，就很難說哪一個里程碑最重要。如果是最重要的話，我認為第一個里程碑是極其重要的。電磁與電磁波，是構成我們這個世界最重要的要素。通俗地說，大家隨手在空氣中抓一把，就有上百種電磁波，G網、C網、電視網、廣播網、WiFi等，還有各種電磁干擾與串擾。一個G網，又有2G、3G、4G等不同信號。我一直強調，沒有電磁，就沒有賽博空間。按照美國軍方的定義，賽博空間就是由三種要素構成的，電磁頻譜，電子設備，網路基礎設備。由此可見電磁的重要性！
我們把電磁分為系統內部和外部的電磁——系統內部：在晶片中，電場決定了電晶體的0和1，磁場決定了記憶體的0和1；系統外部，電磁波決定了各種資料信號的傳輸。具體介紹可以看我的有關文章。
綜上所述，電磁波無比重要，堪稱第一個最重要的CPS里程碑。
【群友提問】：請問CPS技術如何與我們正在建設的智慧工廠有機結合，或者說如何在智慧工廠中應用。我們是一家模具生產企業。
【趙敏】：模具生產企業當然也可以應用CPS技術。在模具生產中，如何準確地設計出模具，如何知道模具的整體和邊邊角角的幾何特性、材料特性和功能特性，讓模具工作更持久，都是需要深入研究的問題。參照CPS的基本特性，建立模具的數位孿生體，設置必要的感測器，實現“感知-分析-決策-執行”的資料閉環，實現雙向的資料流程動，實現預測式維護，就變得很重要了。
【群友提問】請問趙院長，在你眼中，請問CPS究竟是一種技術，還是一種發展技術的思想？這個問題在上周寧總的演講中也問過，我想聽聽您的理解。
【趙敏】在目前來看，我認為應該分成兩個層面來認識這個問題。我個人認為，第一個層面是在工程領域來理解，按照白皮書的定義，CPS是一套構建智慧系統的技術體系。我們絕大部分應用（例如智慧製造、工四等），都是在工程範圍內的領會、解讀與應用。第二個層面，如果把視野放得寬一些，把認識問題的層面提得高一些，那麼CPS就可以擴大到更廣泛的範圍來理解了：如此CPS可以作為認識問題的一種模型，一種方法論。再加上我們在《三體智慧革命》書中提出的“三體智慧模型”的引導，有助於幫助我們更好的、更全面的看待世界、認識世界和改造世界。
【主持人】謝謝趙院長的精彩解答。下面作一個活動預報。第四講也是我們CPS專家宣講團首期活動的最後一講，定于一周後的4月12日20點開講。主講專家：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員邱伯華主任，講座內容為《CPS與船舶工業價值鏈創造》。
【主持人】感謝趙敏院長、邱伯華主任，謝謝各位群友今晚在手機、電腦、PAD前的守候。我是“CPS專家宣講團”網路直播活動主持人蘇明燈。記住我們的接頭暗號“相信我，2017，中國製造最大的IP是CPS”。我們下周再見。
（備註“專家團”更容易通過）
下期活動介紹
1活動預告
3月22日～4月22日，每週三20：00～21：00
時間主講專家宣講主題第一期3月22日20：00（已結束）郭楠：中國電子技術標準化研究院軟體工程與評估中心副主任、中國資訊物理系統發展論壇秘書長、CPS白皮書撰稿者之一CPS白皮書的內容、特色第二期3月29日20：00（已結束）寧振波：中航工業集團資訊技術中心首席顧問、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS的層級、內涵和沿革第三期4月5日20：00（已結束）趙敏：走向智慧研究院執行院長、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS的技術路線第四期4月12日20：00邱伯華：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS與船舶工業價值鏈創造2直播時間
2017年4月12日週三20點～21點
3活動過程
活動形式：文字+圖片
首期直播主持人：蘇明燈（走向智慧研究院執行秘書長,《三體智慧革命》編委）
主講題目及專家：CPS與船舶工業價值鏈創造
邱伯華：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員
參與人員：參與CPS白皮書編制並提供寶貴意見建議的專家、學者、企業家等各界代表。
◆ 5分鐘主持人開場詞（活動意義、參與人員、現場紀律等）
◆ 45分鐘由主講專家講解宣貫CPS
◆ 10分鐘主持人串場，交流溝通環節
◆ 21：00直播活動結束
◆ 1小時後有興趣的朋友可以繼續深入交流溝通互動。
4主辦單位簡介
中國電子技術標準化研究院（工業和資訊化部電子工業標準化研究院，工業和資訊化部電子第四研究院，簡稱“電子標準院”、“電子四院”），是工業和資訊化部直屬事業單位，是國家從事電子資訊技術領域標準化的基礎性、公益性、綜合性研究機構。電子標準院以電子資訊技術標準化工作為核心，通過開展標準科研、檢測、計量、認證、資訊服務等業務，面向政府提供政策研究、行業管理和戰略決策的專業支撐，面向社會提供標準化技術服務。
中國資訊物理系統發展論壇是在工業和資訊化部的指導下，由中國電子技術標準化研究院聯合電子一所、電子五所、賽迪研究院、中航工業資訊技術中心、華為、石化盈科、北航、同濟等單位聯合發起成立。中國資訊物理系統發展論壇致力於通過CPS技術和標準研製，進一步深化製造業與互聯網融合發展，構建一個資訊彙聚的交流和推廣平臺，聚集製造企業、軟體企業、生產性服務業企業等產業鏈代表以及科研院所、專家教授等社會資源，共同研究CPS發展戰略、技術和標準，開展試點示範，推廣優秀的技術、產品和系統解決方案，推動CPS核心技術領域的重大突破。
走向智慧研究院是北京走向智慧科技創新中心興辦的國內首個智慧化綜合創新類研究智庫，研究院以深入研究廣義智慧系統、持續推進技術創新、奠基中國本土新工業革命思想為己任，前身為我國新工業革命與智慧化創新理論專著《三體智慧革命》編委會。
本次CPS網路宣講活動，在工信部信軟司的大力支持下，由中國電子技術標準化研究院、中國資訊物理系統發展論壇、走向智慧研究院主辦，通過組建“CPS資訊物理系統專家宣講團”，在網路上集中開展宣講活動。歡迎更多的企業、社群及網路朋友參與”CPS資訊物理系統專家宣講團“活動。
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取得了非常好的解讀效果和聽眾回饋。今天，我將從CPS的技術發展路線、技術應用路線的角度來進行解讀。
關於CPS的定義，有很多國內外的研究報告都做過。這次工信部標準院領銜發佈的《資訊物理系統白皮書》（以下簡稱“白皮書”）中，融匯了多方面的研究成果，給出了如下的定義。我將按照這個定義，與大家一起探討、一起理解，進行後續的CPS白皮書內容的解讀。
我在以下解讀內容中，參考了一些書中的術語和定義，這些參考書有《三體智慧革命》、《TRIZ進階及實戰》、《工程設計》、《資訊物理系統白皮書》等，還有我前不久寫的幾篇文章。
其實，我個人倒是更喜歡Smart America給出的定義：“CPS是物聯網與系統控制相結合的名稱。因此，CPS不僅僅是能夠“感知”某物在哪裡，還增加了“控制”某物並與其周圍物理世界互動的能力。”
“感知”，“控制”，互聯，互動，這大概是CPS最基本的內涵。
好，按照宣講團的排程，我從CPS的技術路線講起。先講CPS發展演變的技術路線，再講CPS的應用落地的技術路線。
一．CPS發展演變的技術路線
一個新事物的形成，總是很多我們早已熟悉的既有生產要素、也包括已經存在但是我們尚不熟悉的老舊生產要素，在某些機緣的巧合、激發或催化下，共同合成。
CPS（Cyber-Physical Systems）不會憑空誕生。其前置性的技術儲備由來已久。其定義中的大部分要素也並不是新創，而是對既有的多種技術的融合與提升，最終呈現給了我們一個看似全新的概念。
CPS說來說去，從其基本定義中，就離不開它是一個“系統（System）”的本質。既然是系統，而且是工程技術領域的系統，那麼我們就從一個“技術系統”最基本的定義來剖析CPS的基本定義、組成要素、關鍵技術、演進與發展，最終，給出CPS的若干應用模式。
什麼是系統？

錢老的定義，堪稱系統定義的經典。
無論是參考東歐前蘇聯的創新方法論（TRIZ），還是參考西歐德國的《工程設計》經典著作，其中都有對工程技術領域中基本的系統的定義——“技術系統”。與“系統”的定義比較可以看出，“技術系統”完全遵從、延續了“系統”的定義。
技術系統也可以稱作“工程系統”、“產品系統”。但是因為技術系統是一個非常通用化、一般化的基本概念，可以擺脫相對具體的工程系統、產品系統的思維定勢和物理形體約束，因此在討論基本概念時，都採用了技術系統的術語。當然，如果使用者更喜歡工程系統的術語，且同時沒有思維定勢，但用無妨。

在上圖中，虛線方框內就是技術系統的範疇。我們今天只討論這個方框內的諸項要素。
一個技術系統，可以有多種劃分系統要素的視角和方式。其中關於四個基本裝置的劃分方式，是描述這個技術系統如何實現其功能的最基本的劃分。
任何的技術系統，都是為了實現“功能”而構建的。CPS當然也不例外。其基本功能就是：
由C控P，精確執行。
一個技術系統，可以有多種劃分系統要素的視角。

我們重點來講技術系統如何按照“完備性”來劃分系統要素。
技術系統的“完備性”，是一個“剛需”，即一個技術系統在實現預定功能時，技術系統必須是“完整無缺”的，也就是說技術系統的“動力裝置、傳動裝置、執行裝置、控制裝置”這四個子系統必須同時存在，而且協調發揮作用，才能實現技術系統的功能。
實現系統功能——“動力裝置、傳動裝置、執行裝置、控制裝置”——一個都不能少！
四個基本裝置各司其職：“執行裝置”（即執行器）負責發出動作，執行系統的預定功能；“動力裝置”負責產生、轉化能量；“傳動裝置”負責傳遞能量； “控制裝置”負責調控各個子系統的運行參數，讓執行系統儘量精確地做出動作。
如果技術系統不完備，那麼至少要有執行裝置存在。例如筆、改錐、扳手、鑽頭等工具類的產品。
執行裝置是最精簡的P端，它決定了該產品的基本屬性。如汽車的執行裝置是車輪，不管怎麼換動力裝置、傳動裝置和控制裝置來組成各種新概念汽車，但是，只要是車輪還在，它就是利用輪胎與地面的摩擦力在地面上跑的汽車，如果汽車不用車輪來實現運動了，那麼它就不是汽車了。
如技術系統缺失其它某個裝置，須借用外部系統來彌補，否則無法實現預定功能。
舉個例子：一根鑽頭，它自己並不會去執行“鑽孔”這個功能。需要讓它高速旋轉起來，精確定位，才具備了在一個物體上按照某個既定角度鑽一個孔。
怎麼讓這根鑽頭轉起來呢？——需要給鑽頭施加轉動力矩。誰來給鑽頭施加這個轉動呢？過去只能靠人力來完成。

由上圖可以看出，加了傳動裝置，一個手搖鑽就好用了很多。如果加上電機，變成了手電鑽，就非常省力了。但是在控制鑽頭的角度、深度等參數方面，手控的方式還是力不從心的。於是，當加上了必要的“控制裝置”、發展成了鑽床之後，這些問題就解決了。這是典型的機械式的控制子系統。
技術系統組成要素的演變
技術系統的組成要素是在不斷發展變遷的。

按照上述的工業革命中技術的演變進化趨勢，技術系統中的四個基本裝置（子系統）都在不斷地發展演變，所有的執行裝置一直在結構形式、材料上發展，例如日本人研究出來的現在能夠打穿“最硬合金”的“最硬鑽頭”等。

但是相比較而言，最近三十年技術系統中發展最快的就是其中的控制子系統。CPS的技術形態與其密切相關，因為CPS在一個產品/設備系統中就是專門起著精准控制作用的子系統，就是這個系統的控制裝置之一。這也是為什麼我在本講的開篇要花這麼多的篇幅介紹技術系統的原因。
下面將重點介紹控制裝置的發展變化。控制裝置在核心技術上，基本上走了一條“機械→機電→電子→數位→軟體”的技術發展路線。

從上圖中大家可以看到，諸如前面列舉的早期鑽床，就是一個純機械式的控制裝置，以工作臺、卡具、搖臂等零部件組成了具有控制定位、進給、進深等功能的控制裝置。
按照工業革命的技術發展路徑，機械化→電氣化→數位化，機械式的控制裝置會逐漸增加與“電”有關的內容，控制裝置中的關鍵技術要素，會從類比發展到數位，從數位發展到軟體，甚至從軟體發展到雲。

這張圖很關鍵，嵌入式系統已經將賽博和物理連接在了一起（以紅色虛線區分兩個空間）。整個技術系統的演變進化，其控制裝置部分已經逐漸發展成為了今天我們要深入討論的CPS。
CPS基本模型
這種技術交匯融合、發展演變的結果，就是CPS逐漸發展形成的過程。最終，發展成為了美國國家標準技術研究院（NIST）給出來的CPS基本概念模型。這種基本模型，具備了CPS的四個基本過程：“感知-分析-決策-執行”。

在我們今天宣講的白皮書第9頁裡，認為CPS的本質是“構建一套資訊空間與物理空間之間基於資料自動流動的狀態感知、即時分析、科學決策、精准執行的閉環賦能體系”。而在我們“走向智慧研究院”九位專家合著的《三體智慧革命》書中也提到了判斷智慧系統的“20字箴言”，即：狀態感知、即時分析、自主決策、精准執行、學習提升。從這兩種表述可以看出，對CPS的認識基本相同，白皮書較多地採用了“20字箴言”的總結，同時有新的發展。
感知，就必須有感測器。這是基本要素。沒有狀態感知功能的系統是無法成為智慧系統的。
分析，就需要由晶片以及安裝在其中的軟體演算法來共同實現。
決策，軟體演算法中的知識與推理規則可以擔當此任。
執行，必要的執行器，就是實現系統功能的執行裝置。
“狀態感知、即時分析、科學決策、精准執行”，構成了CPS的基本過程閉環。
感測器、晶片、軟體、網路、執行器等，構成了CPS的基本系統要素。

在明確了CPS的基本模型之後，我們再來從更廣泛的視角上繼續觀察、理解和介紹CPS的技術發展路線。
總體上看，按照技術出現的時序，CPS技術大致發端於以下幾個方面：
1.無線控制技術（第一個里程碑）
2.廣義模擬技術（第二個里程碑）
3.嵌入式系統（第三個里程碑）
4.電腦遊戲（第四個里程碑）
CPS第一個里程碑——無線控制技術
馬可尼在1894年用無線電波打響了10米以外的電鈴，首次實現用電磁波影響某個物體；
尼古拉·特斯拉在1898年發明了世界上第一艘遙控的小船，首次實現用電磁波遙控某個設備；
1955年Zenith發明了第一個“Flashmatic”無線遙控裝置；
NASA 在1992年提出了早期的CPS概念；
2012年NASA對170億公里之外的“旅行者1號”發出遙控指令， 以光速飛行的指令16個小時才到達，讓照相機拍攝地球，並且將照片資料發回來。
使用電磁場（電磁波）實現的無線控制技術是如此之重要！
電磁場能夠改變位於場中的某個被操作物件的狀態、參數、屬性，例如車鑰匙遙控開車門，遙控器調電視節目，地面指揮室遙控衛星變軌搜尋馬航失事飛機殘骸等。生活中，遙控實現的功能比比皆是。最重要的，就是電磁場以各種形式進入了我們的生活。
以“場”控物是第一個里程碑。

CPS第二個里程碑——廣義模擬技術
1960~1970年代，有限元分析FEA開始崛起， CAD嶄露頭角；
FEA不斷被結合到CAD、CAM中，形成了CAE分析技術的框架；
1990年開始CAE技術進入成熟期，快速推廣普及；
• CAD是幾何形體模擬；CAM是加工刀軌模擬；CAE是力學狀態模擬等；
• 早期，物理形體及過程，與數位化模擬結果之間並無資訊交互；
廣義的模擬技術用軟體來模仿自然系統或人造系統的力學狀態，仿得越真越好。而後出現的系統模擬，就是讓實際物理系統的映象——數位化“系統模型”在相應的“人造環境”中模擬。
物理模型與數位模型，從沒有資訊交互到有資訊交互，是第二個里程碑。

CPS第三個里程碑——嵌入式系統
1976年首次出現了嵌入式系統的商業產品，例如Intel推出單片機8048；Motorola推出68HC05；Zilog推出Z80系列；
上世紀90年代末“嵌入式OS”呈現井噴式增加，所有可以用於嵌入式系統的OS都是“嵌入式OS”。
我們可以對比一下通用電腦與嵌入式系統的異同：通用電腦側重高速海量計算，研發重點是擴匯流排，擴容量，通用高效的人機交互介面；嵌入式計系統側重對物件的控制，研發重點是功能精簡，即時回應，控制可靠，可以無交互介面。
知識和演算法嵌入軟體，軟體嵌入晶片，晶片嵌入硬體，形成嵌入式系統，為C端進入P端鋪平了道路。知識嵌入了物理實體，這是第三個里程碑。

CPS第四個里程碑——電腦遊戲
1976年在斯坦福人工智慧實驗室的DonWoods先生用施樂主機編寫了一個小程式，加入了幻想成分和謎題。這個叫做ColossalCaves的程式可能是第一個電腦遊戲軟體。
在上一講中，寧總介紹到，1993年數百名美國特種部隊在索馬里首都摩加迪休軍事行動中被數千名索馬里民兵圍攻，造成19名美軍死亡，73人受傷，事後索馬里民兵將美軍士兵屍體吊在橋上向全世界展示。這是美軍在越戰後首次在戰場上吃了這麼大的虧。美國政府和民間受到很大刺激。於是，美國上下都有一種強烈要求美國軍人非直接進入戰場作戰、但是又能打擊恐怖分子的要求。
在這種情況下。美軍借鑒了基於螢幕交互的遊戲軟體的原理，與第一個里程碑（以電磁場控制場中物體）的技術結合力，開發了專用的作戰軟體。操作者控制螢幕上的虛擬數位彈藥，但是該虛擬數字彈藥與無人機上的物理實體彈藥完全匹配，由C及P，由C控P，在螢幕端瞄準目標，然後實施精確攻擊。人員無需進戰場，作戰完全非接觸。由C及P，由C控P，這是第四個里程碑。

例如，無人機已經鎖定這輛皮卡，隨時可以發動攻擊

相信大家已經看到過很多類似的圖片及視頻資料。支援這種“殺人如同玩遊戲”的技術是什麼？就是上述幾種技術發展融匯出來的CPS技術。

綜上所述，主要在這四大類技術的支援下，物理實體P、數位虛體C開始了幾十年的交匯、集成與融合發展過程，最終形成了今天的CPS。這一張圖的內容，如果仔細講起來，可以講上幾個小時。例如，僅僅對於“數位孿生（DT）”的概念，在英文術語的翻譯上，就有很多不同的解讀。而對於數位孿生體的雙方——物理實體與數位虛體之間的虛實映射對應“逼真度”的關係，也是認識不同。順便說一句，所謂數字孿生這一方的數位虛體，是根據實際工作場景的具體需要來要求其製作細節（“逼真度”）的。例如，如果研究高鐵運營，那麼在數位虛體的運營調度軟體中，一列高鐵列車，就是一條移動的線，甚至就是一個點，因為這種工作場景不要求做出高鐵列車的數位化模型，簡化成一條線即可。但是如果要研究高鐵列車在高速運行中，底盤上轉向架的振動、受力、磨損、疲勞、預測式維護等情況，就一定要把這個轉向架的所有細節特徵都做出數位化模型來，從幾何模型、功能模型到性能模型等，一個都不能少。
前面給出的這個C端與P端的交匯圖是粗略的示意，實際的發展路線也未必完全如此。作為示意性的圖示，輔助大家理解一下就好。
最終，C端與P端的交匯的結果，讓我們提煉出了一個基本的CPS模型。
二．CPS應用落地的技術路線
其實，一個具體的CPS應用場景，可能要求CPS具有多種變化形式，以適應工作場景的具體約束與需求。

在上圖中，拉開的線條表示該系統元件可以分離部署，即如果CPS的應用場景確有必要的話，有些CPS的元件可以單獨分離出來，通過有線或無線（移動物聯網）的方式，保持與CPS本體的資料交互。
感測器可以分離部署，單獨部署與發展。我在後面會提示大家，這是一種非常常見的應用落地模式。例如監控攝像頭、雷達可以拉很遠的距離，並不與系統本體集成在一起。
動力裝置可以分離部署，通過有線或無線的方式，與CPS本體進行能量交換。例如現在的無線充電技術，就是通過電磁波的形式來進行的。
如果本地的計算能力不夠，那麼也可以把一部分軟體的計算過程轉移到雲平臺去做，CPS與雲平臺的連接往往以移動物聯網的方式進行。但是，這種技術部署需要強大的網路資料傳輸能力。
執行器也可以分離部署，例如用手機遠端控制家中的門鎖、冰箱的開關、通斷等。
關於系統級別
在白皮書中，給出了CPS在尺度上的層級劃分。單元級、系統級、系統的系統（SoS）級。

對CPS系統級別的理解，可以參照德國的RAMI 4.0（Reference Architectural Model Industry4.0）標準，即工業4.0參考架構模型。因為這是根據多個國際標準長期實踐和融會貫通之後做出來的，結構規範嚴謹，層次感非常好。在“系統級別”維度上，描述了生產設備系統從裝置到企業的不同系統級別。對CPS的解讀，也可以根據這個維度來解析。

單元級CPS
《CPS白皮書）201 7）》指出：“單元級CPS具有不可分割性，其內部不能分割出更小CPS單元。…構成含有“感知-分析-決策-執行”資料自動流動基本的閉環…。”
“單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS 匯流排）構成更高層次的CPS，即系統級CPS。”
我個人理解，單元級CPS在系統級別上屬於RAMI中規定的較小的“裝置（Device）”級別。裝置是有定義的：裝置是指機器、儀器和設備中結構複雜並具有某種獨立功用的物件——它是整機中的一個由多要素組成、有自己特定功能的子系統。
前面已經提到過，以下四個幾個過程是必不可少的：
感知：由各式各樣的感測器或類似感測器的器件來實現，把工況中的各種物理場轉化為便於電腦處理的電信號；
分析：由本地或雲端的計算能力完成，涉及對晶片、軟體、網路、雲的使用；
決策：由本地或雲端的軟體中預置的知識與演算法完成；
執行：由執行器（執行裝置）做出最恰當、精准的功能動作，完成系統功能。
以上者四個過程形成了單元級別的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。
前面也提到，CPS單元可以有多種的落地應用形式，若干系統元件可以分離部署。

下面介紹幾個單元級CPS的典型應用形式。
第一個例子，是汽車中的轎廂溫度控制。車頭有外部環境溫度感測器，轎廂內部有溫度感測器，根據二者的溫度差，來由嵌入式系統中的軟體決定該如何調節溫度。

第二個例子，是如何開發智慧軸承。最簡單的方式，是單獨研發一種專用感測器，然後與現有的PC、平板、智慧手機相結合，組成一個單元級CPS。例如，瑞典軸承公司SKF就開發了這樣的靈活應用的CPS裝置。這種設備，隨時部署使用，靈活方便，但是無法實現永久的線上測量，測量結果的精度也不一定高。

如果是針對大型的、昂貴的軸承設備，就不能採用這個借用外部設備的方法了，可以開發專門的智慧軸承設備。
SKF Insight面向的是更換成本達到上億日元的大型軸承。在軸承中配備感測器和支持2.4GHz頻段工業用無線方式——WirelessHART的無線設備。通過WirelessHART傳輸的資料由集中器接收，並通過移動通信（GPRS）傳給中心設備。中心設備即時監控資料。SKF Insight始終運行著，用來檢測軸承有沒有故障等。（此段內容摘自百度）。
第三個單元級CPS應用例子是汽車的LED矩陣大燈。奧迪公司在A8和Q7上搭載了這種燈光技術。每一組LED燈，都是一個單元級的CPS應用。

系統級CPS
《CPS白皮書）2017）》指出：“在單元級CPS的基礎上，通過網路的引入，可以實現系統級CPS的協同調配。在這一層級上，多個單元級CPS及非CPS單元設備的集成構成系統級CPS，如一條含機械臂和AGV小車的智慧裝配線。”
“在這一層級上，網路聯通（CPS匯流排）至關重要，確保多個單元級CPS能夠交互協作。”
系統級CPS的應用形式可以是：多個單元級CPS通過有線、無線網路設備（CPS匯流排）連接在一起，協同配合，相互感知，彼此呼應。
在系統元件上，可以連接同構CPS單元或者是異構CPS單元。
例如連接汽車發動機、轎廂溫度、輪胎、燈光、路面情況等異構CPS單元。
在系統級CPS中，可以形成系統範圍內的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。而單元級CPS的內部，也還是有自己單元級別的“感知-分析-決策-執行”資料閉環。


在國內的很多工作場景中，都可以參考這樣的系統CPS模式。例如港口機械的某個塔吊群組之間的協同裝卸貨物，超大型產品裝配車間內部多個吊臂、機械手、AGV之間的協同安裝大型零件等。
第二個例子，是對化學反應釜內溫度的測量與調控。這是南京智中公司做的案例。

如圖所示，多個反應釜同時測溫。熱敏感測器採集一組反應釜內溫度，無線傳輸給讀卡器。讀卡器把資料上傳到雲端，雲端的軟體對運行資料進行分析，自動按照最優模式給出適宜參數，調節反應釜內溫度。如果有運行異常（溫度異常波動），可將運行結果發送到雲端以及現場工作人員的手機App中進行報警，同時自動對反應釜進行調溫處理。

SoS級CPS
《CPS白皮書）2017）》指出：“在系統級CPS的基礎上，可以通過構建CPS智慧服務平臺，實現系統級CPS之間的協同優化。在這一層級上，多個系統級CPS構成了SoS級CPS，如多條產線或多個工廠之間的協作，以實現產品生命週期全流程及企業全系統的整合。”
“CPS智慧服務平臺能夠將多個系統級CPS工作狀態統一監測，即時分析，集中管控。”
SoS，即“系統的系統”。SoS與系統是不一樣的，因此在系統表現上有明顯的五個特徵：
1、Operational Independence of Elements（要素獨立運行）
2、Managerial Independence of Elements（要素獨立管理）
3、Evolutionary Development（嚴謹發展）
4、Emergent Behavior（湧現行為）
5、Geographical Distribution of Elements（要素地理分佈）
因此，SoS中的各分散式系統，獨立運行，獨立管理，具有一定的“湧現”行為，是SoS的常態。
湧現行為是大量個體通過互相作用而達到統一運動目標的集群行為。
湧現是自組織的一項原則，從簡單進化出複雜，從混亂產生出秩序。
每個SoS級CPS有自己的“感知-分析-決策-執行”四個過程的資料閉環，但是SoS級CPS下面的系統級CPS、單元級CPS，也各有自己的“感知-分析-決策-執行”四個過程的資料閉環。這是一種異常複雜的系統形式，也是一種由簡單到複雜、由混亂到秩序的產生湧現的系統要素土壤。在整個大系統內部，一開始可能是秩序含混、運行低效的，但是在各個級別的CPS的不斷的“感知-分析-決策-執行”智慧過程中，最後會較快地趨於秩序，趨於整體上提高效率。
一個SoS級CPS的系統形態如下圖所示。

第一個例子，杭州雅數公司開發了一個“雅數義齒雲平臺”，可算是一個融義齒設計、優化、生產、維護為一體的系統級CPS。
傳統口腔修復採用石膏模實物傳遞義齒資訊，週期長，患者痛苦。
在本SoS級CPS系統中，“P端”包括設置在各醫院的口內掃描設備、設計與優化工作室、加工設備（小型數控機床或3D印表機）、設備維護平臺等。以上不同的系統各自也是系統級CPS，基於雲端智慧服務平臺協同工作。
“C端”包括“雅數義齒雲平臺”、雲存儲、雅數義齒設計CAD軟體、數控加工CAM軟體等。在雲端保存口掃資料、CAD設計模型、訂單資料、NC代碼、加工設備即時影像資料、設備即時參數等諸多資料。
該SoS級CPS的工作原理如下圖所示。

第二個例子，是美軍開發的無人機群。就在剛剛過去的1月份，美國展示了最大軍用無人機群，顯示了SoS級CPS的研發成果。
這些無人機群可自組織出來某些空中的特殊形狀，如下圖所示。


SoS級的CPS應用，都是在系統要素和系統行為都很複雜的大型複雜系統場景中構建的。這樣的應用，相對於單元級、系統級CPS來說，數量要少得多。在工程領域，還是以單元級CPS的應用為主，佔有絕大多數的比例。其次是系統級別的應用，也佔有一定的比例。SoS級的CPS應用在總體比例上是很少的。在系統要素和行為上，還有很多不是很清楚、值得深入研究的地方。
由簡單到複雜——智慧微塵
其實，以簡單的單元或元件，組成相對複雜的系統，是構建CPS系統的一個基本原則。在單元級、系統級、系統的系統級之間，是可以隨時組合升級與切換的。我列舉一個“智慧微塵”的例子，看如何單元級向系統級、SoS級過渡。

智慧微塵，指集成了電腦、感測器、MEMS（微機電系統）、通信系統、電源等的一種超微型感測器，它可以自動探測周圍環境參數，大量收集環境檢測資料，即時進行計算處理，然後利用雙向無線通訊裝置將收集到的資料在相距300米的微塵器件之間往來傳送。當個別微塵因故障失效後，其它正常微塵能跨過這些故障微塵自動連接。智慧微塵體積大約在幾個立方毫米級別，可以大量、隨意佈置到諸如探測人體生命體征、建築受力、能源用量、土壤溫度、交通地圖、生產效率等資料的現場環境中後，形成一張智慧無線傳感網。
一個智慧微塵，就是一個單元級CPS。
多個智慧微塵，就可以組成一張感測器網路，其實也就是一個系統級CPS。
如果該系統級CPS再與其他的系統級CPS組合在一起，就可以形成SoS級CPS。
美國DARPA期待用智慧微塵來感知戰場狀況。例如，用一架飛機飛過某戰場區域，撒下數千個智慧微塵。該區域中的所有智慧微塵可以構建一個巨大的、可以採集資料的自組織網路，但是這些微塵又相當隱蔽，不易察覺。當敵方的車輛、坦克、部隊等通過該區域時，就可以檢測到這些活動目標的感測器的資料。所有的智慧微塵以“接力”的方式發送資料，直到信號到達採集節點並傳輸給指揮官。此時指揮官可以將資料顯示在螢幕上並即時查看該區域多個目標移動的路線。隨後決定如何進行打擊。
在這個自組織體系中，有單元級CPS智慧微塵，有感測器網路組成的感測器網路（系統級），這個網路再與後方指揮系統、指揮員、操作員組合在一起，形成一個“人在回路”的SoS級CPS。
三．小結
本次解讀重點介紹了CPS的技術發展路線，以及CPS的技術應用路線。
對CPS的基本形態和應用場景做了一定的總結和提煉，讓CPS從抽象變得更加具象，使得大家在與自己的工作場景相結合方面，可以找到一定的對應，找到落地的方法與手段。
我本人對CPS的理解，還不是很深刻，還在繼續學習、領會、理解和加深認識的過程中。越加深理解，越感到自己的知識不夠用，越感到CPS跨界厲害，越感到CPS應用前景、潛力無限。
限於時間和篇幅，關於CPS的很多的內容還沒有展開講。對於在本次解讀圖文資料中可能出現的不準確、有錯誤、有疏漏的地方，還請大家多多包涵。歡迎大家及時向群主回饋收看意見和建議。
謝謝大家！
【主持人】非常精彩的分享。趙院長首先談了自己對於CPS定義和基本內涵的理解，強調感知、控制、互聯、互動。從CPS的組成要素、關鍵技術、演進和發展，為我們梳理了CPS的若干應用模式。理解CPS的本質，首先從“系統”、“技術系統”的角度，強調CPS的基本功能是由C（數字虛體） 控 P（物理實體），精確執行。CPS白皮書中關於CPS的定義與《三體智慧革命》一書中強調智慧系統的狀態感知、即時分析、自主決策、精准執行、學習提升“二十字箴言”，基本相同，同時有新的發展。
趙院長從技術系統的組成要素的發展變遷，為我們勾勒出CPS逐漸發展形成的過程，最終形成CPS的基本概念模型，即具備CPS的四個基本過程：感知-分析-決策-執行。同時，趙院長按照技術出現的時序，給我們講解了CPS技術發端的四個里程碑：無線控制技術、廣義模擬技術、嵌入式系統，以及電腦遊戲，並在這四大類技術支援下，物理實體P、數位虛體C開始了交匯、集成和融合發展過程，最終形成今天的CPS。
趙院長通過豐富的實際案例，諸如智慧微塵、LED矩陣前車燈、協同工作機器人、無人機群等具體的應用案例和場景，給我們展示了單元級、系統級、SoS級CPS的典型應用形式，指導我們廣大企業理解CPS，並推進CPS應用落地。
作為本次活動主持人，請允許我代表參與今晚宣講直播活動的萬名科技界、產業界群友，再次為趙院長送上鮮花和掌聲。
下面，請直播工作人員轉發我們剛剛收到的部分群友提問。
【群友提問】：我來自浙江一家汽車製造企業，您提到CPS技術發展的四個里程碑，感覺很清晰。我想請問一下，在四個里程碑中，哪項技術對於CPS的發展最重要，或者說最關鍵。
【趙敏】：既然是里程碑式的技術，就很難說哪一個里程碑最重要。如果是最重要的話，我認為第一個里程碑是極其重要的。電磁與電磁波，是構成我們這個世界最重要的要素。通俗地說，大家隨手在空氣中抓一把，就有上百種電磁波，G網、C網、電視網、廣播網、WiFi等，還有各種電磁干擾與串擾。一個G網，又有2G、3G、4G等不同信號。我一直強調，沒有電磁，就沒有賽博空間。按照美國軍方的定義，賽博空間就是由三種要素構成的，電磁頻譜，電子設備，網路基礎設備。由此可見電磁的重要性！
我們把電磁分為系統內部和外部的電磁——系統內部：在晶片中，電場決定了電晶體的0和1，磁場決定了記憶體的0和1；系統外部，電磁波決定了各種資料信號的傳輸。具體介紹可以看我的有關文章。
綜上所述，電磁波無比重要，堪稱第一個最重要的CPS里程碑。
【群友提問】：請問CPS技術如何與我們正在建設的智慧工廠有機結合，或者說如何在智慧工廠中應用。我們是一家模具生產企業。
【趙敏】：模具生產企業當然也可以應用CPS技術。在模具生產中，如何準確地設計出模具，如何知道模具的整體和邊邊角角的幾何特性、材料特性和功能特性，讓模具工作更持久，都是需要深入研究的問題。參照CPS的基本特性，建立模具的數位孿生體，設置必要的感測器，實現“感知-分析-決策-執行”的資料閉環，實現雙向的資料流程動，實現預測式維護，就變得很重要了。
【群友提問】請問趙院長，在你眼中，請問CPS究竟是一種技術，還是一種發展技術的思想？這個問題在上周寧總的演講中也問過，我想聽聽您的理解。
【趙敏】在目前來看，我認為應該分成兩個層面來認識這個問題。我個人認為，第一個層面是在工程領域來理解，按照白皮書的定義，CPS是一套構建智慧系統的技術體系。我們絕大部分應用（例如智慧製造、工四等），都是在工程範圍內的領會、解讀與應用。第二個層面，如果把視野放得寬一些，把認識問題的層面提得高一些，那麼CPS就可以擴大到更廣泛的範圍來理解了：如此CPS可以作為認識問題的一種模型，一種方法論。再加上我們在《三體智慧革命》書中提出的“三體智慧模型”的引導，有助於幫助我們更好的、更全面的看待世界、認識世界和改造世界。
【主持人】謝謝趙院長的精彩解答。下面作一個活動預報。第四講也是我們CPS專家宣講團首期活動的最後一講，定于一周後的4月12日20點開講。主講專家：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員邱伯華主任，講座內容為《CPS與船舶工業價值鏈創造》。
【主持人】感謝趙敏院長、邱伯華主任，謝謝各位群友今晚在手機、電腦、PAD前的守候。我是“CPS專家宣講團”網路直播活動主持人蘇明燈。記住我們的接頭暗號“相信我，2017，中國製造最大的IP是CPS”。我們下周再見。
（備註“專家團”更容易通過）
下期活動介紹
1活動預告
3月22日～4月22日，每週三20：00～21：00
時間主講專家宣講主題第一期3月22日20：00（已結束）郭楠：中國電子技術標準化研究院軟體工程與評估中心副主任、中國資訊物理系統發展論壇秘書長、CPS白皮書撰稿者之一CPS白皮書的內容、特色第二期3月29日20：00（已結束）寧振波：中航工業集團資訊技術中心首席顧問、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS的層級、內涵和沿革第三期4月5日20：00（已結束）趙敏：走向智慧研究院執行院長、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS的技術路線第四期4月12日20：00邱伯華：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員CPS與船舶工業價值鏈創造2直播時間
2017年4月12日週三20點～21點
3活動過程
活動形式：文字+圖片
首期直播主持人：蘇明燈（走向智慧研究院執行秘書長,《三體智慧革命》編委）
主講題目及專家：CPS與船舶工業價值鏈創造
邱伯華：中國船舶工業系統工程研究院海洋裝備技術中心主任、中國資訊物理系統發展論壇專家諮詢委員會委員
參與人員：參與CPS白皮書編制並提供寶貴意見建議的專家、學者、企業家等各界代表。
◆ 5分鐘主持人開場詞（活動意義、參與人員、現場紀律等）
◆ 45分鐘由主講專家講解宣貫CPS
◆ 10分鐘主持人串場，交流溝通環節
◆ 21：00直播活動結束
◆ 1小時後有興趣的朋友可以繼續深入交流溝通互動。
4主辦單位簡介
中國電子技術標準化研究院（工業和資訊化部電子工業標準化研究院，工業和資訊化部電子第四研究院，簡稱“電子標準院”、“電子四院”），是工業和資訊化部直屬事業單位，是國家從事電子資訊技術領域標準化的基礎性、公益性、綜合性研究機構。電子標準院以電子資訊技術標準化工作為核心，通過開展標準科研、檢測、計量、認證、資訊服務等業務，面向政府提供政策研究、行業管理和戰略決策的專業支撐，面向社會提供標準化技術服務。
中國資訊物理系統發展論壇是在工業和資訊化部的指導下，由中國電子技術標準化研究院聯合電子一所、電子五所、賽迪研究院、中航工業資訊技術中心、華為、石化盈科、北航、同濟等單位聯合發起成立。中國資訊物理系統發展論壇致力於通過CPS技術和標準研製，進一步深化製造業與互聯網融合發展，構建一個資訊彙聚的交流和推廣平臺，聚集製造企業、軟體企業、生產性服務業企業等產業鏈代表以及科研院所、專家教授等社會資源，共同研究CPS發展戰略、技術和標準，開展試點示範，推廣優秀的技術、產品和系統解決方案，推動CPS核心技術領域的重大突破。
走向智慧研究院是北京走向智慧科技創新中心興辦的國內首個智慧化綜合創新類研究智庫，研究院以深入研究廣義智慧系統、持續推進技術創新、奠基中國本土新工業革命思想為己任，前身為我國新工業革命與智慧化創新理論專著《三體智慧革命》編委會。
本次CPS網路宣講活動，在工信部信軟司的大力支持下，由中國電子技術標準化研究院、中國資訊物理系統發展論壇、走向智慧研究院主辦，通過組建“CPS資訊物理系統專家宣講團”，在網路上集中開展宣講活動。歡迎更多的企業、社群及網路朋友參與”CPS資訊物理系統專家宣講團“活動。
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