隨著2013德國工業4.0，美國工業互聯網，和中國的工業2025的興起, 世界開始進入智能計算（Smart Computing）時代。智能計算的提出可追溯到2009 美國的科技咨詢公司Forrester 發表的一份報告“Smart Computing Drives The New Era Of IT Growth”（by Andrew H. Bartels）:

圖1：計算的四大發展階段

其中網絡計算起步約于1995，其中包括客戶端服務器計算（client-servercomputing）、網格計算 （grid computing）、效用計算（utility computing）、服務計算 （service computing），直到今天流行的云計算 （cloud computing）和基于無線網絡的移動計算 （mobile computing）。

網絡計算是基于互聯網（internet）和移動互聯網（mobile internet）。智能計算 （smart computing）可追溯到早期的商業智能(Business Intelligence: BI), smart grid, smart meter， smart phone，等等。對于早期的智能計算，Forrester 的報告指出其具有以下5A’s的特點：

圖2：早期的智能計算5A’s的特點

作為新一代信息技術，物聯網技術將使世界由人人互聯到物物互聯，它將給經濟和人們的生活帶來巨大的變革與創新。2016年物聯網設備達到64億個，據預測, 2020年人均物聯網設備將達到6.58個（2003年為0.08個），到2025年底，將有超過950億物聯網設備。

而TechNavio預測，中國的物聯網市場在2014-2019年間將以32.15%的復合年增長率發展。

隨著物聯網（IoT）的迅猛發展及產業化，和人工智能技術，包括深度學習，智能機器人等的發展及應用，以及工業4.0和工業物聯網(IIoT)的興起，智能計算已發展成為以Cyber-Physical Systems(CPS)為核心技術和物聯網 (IoT)為依托的現代智能計算。

本文主要介紹的是不為大多數人熟悉的CPS，它的特點、概念、發展歷史和趨勢及其幾個重要應用。

1.什么是CPS？

CPS是英文Cyber-Physical Systems的簡稱。CPS有不同的中文翻譯， 例如“信息物理系統”或“網絡物理系統”， 本文采用后者。下面本文將給出一個簡單的CPS定義：

網絡 （Cyber）：計算、通信和控制，是離散的，邏輯的，和可改變的

物理（Physical）：自然和人為的系統由物理定律管理和支配，并連續運行

網絡物理系統是網絡（軟件）系統和物理（硬件）系統的融合系統。因此，它是一個嵌入系統。

從智能計算角度，它不同于一般的嵌入系統，是一個智能系統。它結合網絡功能和物理的功能來解決無論是哪部分都不能單獨解決的問題。如智能制造、智能機器人、智慧城市等。

網絡物理系統的發展決非偶然，它是以下三大科技趨勢的產物。

（1）趨勢1： 數據（包括大數據）/設備按穆爾定律指數增長

圖3：智能設備無處不在

（2）趨勢2： 集成的規模越來越大(信息孤島的成本高)

圖4：整合與規模的挑戰

（3）趨勢3： 人類消費（消化和吸收）信息能力的提高與智能設備的指數增長（穆爾定律）不匹配。以致系統越來越多的自主性（人被排除在外）。

圖5：系統越來越多的自主性-智能化發展

為什么CPS能迎合以上三大科技趨勢，它有什么特點？首先，讓我們看看它的好處。CPS的好處包括：

CPS允許我們添加物理系統的能力

通過將計算和通信與物理過程相結合，CPS帶來了許多好處：

更安全和更高效的智能化系統

降低建設和操作系統的成本

構建復雜系統，提供新的功能

技術和經濟的驅動因素：

計算、網絡和傳感的降低成本

計算機和通信是無處不在，使能國家或全球規模效率

社會和經濟力量需要更有效地利用國家基礎設施  

CPS不僅繼承早期的智能計算5A’s的特點，它還具有其新的特點：

新要求和應用驅動的網絡-物理耦合：

每個物理部件的網絡能力

大規模有線和無線聯網

多維度和極端規模的網絡

系統的系統：

新的時空約束

復雜的多時空維度

動態重組/重新配置

非常規計算和允許映射從物理基到突然出現的進程

3C-通信（Communication）/計算（Computation）/控制(Control)之間的新型交互：

自動化程度高，控制回路必須在所有尺度上形成閉環

在控制回路中允許大量非技術精明的用戶

無處不在驅動前所未有的安全和隱私的需要

在某些情況下操作必須可靠并通過認證

下圖描述了CPS平臺作為多種多維度和超規模網絡的中心。CPS之所以能成為中心，是因為它具有上述的智能計算特性。

圖6：CPS平臺

總的來說, CPS是一個非常重要和特具潛力的新型智能技術，以及現代智能計算的核心之一。然而，與其他計算技術相比，特別是物聯網，它是相對年輕的和更復雜的技術。

CPS在基礎定理與設計技術仍然面臨著許多挑戰和問題，如安全性，能耗，大規模集成，“封閉“和“開放“，“靜態”和“動態”的融合， 因此，它仍然是一個計算機科學和工程重要的研究領域。在此文章的最后一部分，您將看到CPS研究獲得美國國家科學基金會和其他機構的不斷資助。

2. CPS 和IoT

2.1 CPS和IoT 的比較

上面我們定義了CPS并描述了CPS的特點。看起來CPS是如此強大，為什么物聯網仍然如此受歡迎和發展如此迅猛。很多人混淆了這兩個概念。以下圖7描述了CPS與物聯網、互聯網、大數據分析、云計算等的關系。

圖7：CPS與物聯網、互聯網、大數據分析、云計算等的關系 （John Soldatos）

在如中國信息物理系統發展論壇的信息物理系統白皮書指出：信息物理系統（CPS）是工業和信息技術范疇內跨學科、跨領域、跨平臺的綜合技術體系所構成的系統，覆蓋廣泛、集成度高、滲透性強、創新活躍，是兩化融合支撐技術體系的集大成。

以上的圖7和以下的圖8揭示了CPS以上的本質。IoT 構建了物理世界中的連通的網絡，CPS在物聯網上面構建了綜合技術體系所構成的系統。

美國國家標準和技術研究院（NIST）指出：除了CPS，有許多單詞和短語（工業互聯網、物聯網（IoT）、機器對機器（M2M）、智能城市、其他）描述相似的或相關的系統和概念。有這些概念之間有明顯的重疊，特別是CPS與物聯網，使得CPS物聯網有時可以互換使用；因此，應認為CPS框架所描述的方法對物聯網是同樣適用的。

在我看來，CPS與物聯網重疊程度最高。大多數CPS系統/應用程序可以很好地歸類為物聯網系統，反之亦然。當然，這一切都取決于對這些術語和技術的定義和看法，CPS和物聯網都是網絡系統，可能涉及物理傳感和/或嵌入式設備，即兩者結合的物理和數字/網絡世界的各個方面。然而，不同的社區將青睞一個或另一個。例如:

工程社區（例如，機械工程，航空航天工程，航空）和嵌入式系統和系統測試和驗證的計算機科學家通常使用CPS（優先于物聯網）。此外，在美國優先CPS在物聯網之上。

電信和網絡社區，包括研究更廣泛的領域下一代網絡和未來的互聯網的計算機科學家一般常用物聯網（優先于CPS）。在歐盟，一般用物聯網比CPS（雖然后者在諸如未來制造,例如，工業4.0中是核心技術）多。

圖8：CPS的本質

下表總結了主要的CPS 和IoT的共性和主要差異：

2.2 CPS和IoT 的融合趨勢

下面的圖9描述了物理和數字世界的融合趨勢。研究者和實踐者正在思考如何使CPS與物聯網可以深入集成為大規模具有二者優點的分布式智能系統。

圖9：物理和數字世界的融合趨勢

下面的圖10表明CPS與物聯網融合的結果將是創新一個超越傳統的技術體系：

圖10：創新超越傳統的技術體系

3.CPS概念圖

以下的圖11是CPS的概念圖它給我們更多關于CPS的詳細信息。此圖是由本文作者將英語翻譯成中文的版本。英文原版圖片一開始源于由NIST S. Shyam Sunder在2012年3月13日在芝加哥的NIST CPS研討會上給出的CPS系統分類。

加州大學伯克利分校的Edward A. Lee把分類法轉換成了一幅圖片，然后開始用各種人的輸入來發展它。英文原版圖片發表在http://cyberphysicalsystems.org的網站上。

圖11：CPS的概念圖

從圖11，我們可以看到CPS是一個具有廣泛應用非常復雜的系統。歸納起來：

CPS支持混合模式，并且深度嵌入

CPS包括幾個主要子系統：控制系統(包括智能系統)，通信系統，計算系統, 安全系統, 管理系統

CPS具有與人和物理世界的接口，特別是智能設備

CPS 具有幾個重要的系統質量屬性: 安全性, 高可靠性， 并發性，可擴展性, 異構性, 可控性, 自主性，自適應性，和互操作性

下面， 我們將介紹幾個重要的CPS應用。

4.CPS的應用

下面， 我們將主要介紹CPS在以下三個方面的應用：智能制造和工業4.0，智能供應鏈與物流，智慧城市。

4.1.智能制造和工業4.0

2013年4月德國科學和工程研究院（acatech）發布了其著名的報告“確保德國制造業的未來-實施創新的工業4.0戰略的建議（”Securing the future of German manufacturing industry Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0“）“。

報告指出，工業4.0是一個以CPS為核心技術，服務互聯網為頂層和物聯網為底層的智能產業。 如圖12所示它包括核心的智能工廠及其智能支持和輸出，其中包括智能移動，智能物流，智能電網，智能樓宇，智能產品：

圖12：工業4.0

下面的圖13顯示了智能制造中的CPS系統。它引領工業從自動化轉向智能化。

圖13：CPS是智能制造核心技術

2016年2月美國國家標準和技術研究院（NIST）發布了“智能制造系統的一系列現行標準的概觀（Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems）”。它比較了德國工業4.0和美國工業互聯網, 并指出了網絡物理生產系統 (Cyber-Physical Production Systems)的未來。

本文不會詳細討論工業4.0。我們只是想告訴你CPS是智能制造和工業4.0的核心技術。

4.2.智能供應鏈與物流

4.1 指出了智能供應鏈與物流是智能制造和工業4.0的重要組成部分。國外稱之為logistics4.0(物流4.0)。正如德國弗勞恩霍夫物流研究院院長Michael ten Hompel所說的：“物流是任何行業運作成敗最具決定性的因素，沒有物流就沒有工業4.0，因此工業4.0時代其實就是物流4.0時代”。（http://gongkong.ofweek.com/2016-05/ART-310000-8500-29100341.html）。

在工業4.0時代，生產制造活動的發起點不再是制造企業，而是最終用戶。整個價值鏈由過去企業推動的模式轉變為用戶拉動的模式，即一切生產經營的出發點變成了最終用戶。用戶的需求變得更加個性化、高端化，講究參與感與快速響應。

在這種新的生產模式下，首先受到沖擊的其實正是制造企業的物流部分。智能供應鏈與物流應運而生來滿足用戶定制化、快速響應等要求，達到更具有高柔性的自動化物料配送和根據訂單做出快速響應的能力。顯然，這種智能產品物流是集成在智能制造的CPS的控制系統中。圖14是智慧工廠中的智能倉儲與物流的例子。

圖14：德富萊智能科技股份有限公司的智慧工廠中的智能倉儲與物流

工業4.0時期，物流裝備不僅要求是智能的，且設備之間還要實現聯網，從而實現物流系統的智能化要求。例如德國物流研究院（Fraunhofer IML）自主研發了inBin智能周轉箱技術。通過在周轉箱上加裝感知與智能控制單元，實現了物流單元的智能化。

智能箱既能自主管理箱內的庫存，又能向上級系統及時報告智能箱的狀態，實現自動要貨和補貨的功能。基于智能箱的輸送系統可采用分散控制技術，智能箱不再是被動單元，而是給輸送系統發號施令的“主人”。在智能箱的指揮下，輸送系統可以自動地將箱子送達目的地。

另一方面，可通過智能箱與智能物流設備(如穿梭車)集成，實現面向工業4.0的智能、高效、靈活的物流系統（http://mt.sohu.com/20161224/n476840499.shtml）。

工業4.0和智能制造帶動了智能倉儲和智能運輸與配送的發展。智能機器人被廣泛采用于智能倉庫及配送， 例如亞馬遜和菜鳥的智能倉庫和無人機運輸（圖14）。

圖15：智能倉庫和無人機運輸

CPS是智能倉庫中智能機器人和無人機的一個關鍵的技術。此外，CPS技術帶來的更多是供應鏈的創新與優化，標準化和智能化的流程會極大地提升供應鏈的效率并降低成本。

4.3.智慧城市

國外智慧城市有兩種類型：

ICT類智慧城市（ICT-City）: ICT=信息與通信技術（Information and Communication Technology）

IES類智慧城市(IES-City): IES =互聯網驅動的服務（Internet-Enabled Services），也被稱為物聯網驅動的城市（IES-City is also called as IoT-Enabled City）。

兩者的主要的區別是:

ICT-City:許多目前的智慧城市ICT部署是基于城市定制系統，這是不可互操作的，便攜式跨城市，可擴展，或符合成本效益的。

IES-City:下一代具有物聯網功能的智慧城市。任何IES-智慧城市的系統應該是可互操作的，便攜式跨城市，可擴展，或符合成本效益的。國外文獻叫PPI=Pivotal Points of Interoperability，中文叫軸心點系統互操作性/協同能力。

目前，我國及許多其他國家的智慧城市多屬于ICT類智慧城市。這類智慧城市“信息孤島”和“重復開發”常常嚴重，特別缺乏跨城市的可互操作性。

基于ICT智慧城市還不夠“智慧”，此外一些新的智慧城市的框架設計工作目前正在進行中（例如ISO/IEC JTC1，IEC，IEEE，ITU等）但尚未融合，從而造成了利益相關者之間對IES-City框架的不確定性。

為了減少這些障礙，美國NIST及其伙伴正在召集一個國際工作組來從這些智慧城市的新框架和城市利益相關者中比較和提取共識的具有公共架構特征的框架，以提供標準的智慧城市解決方案，滿足現代社會的需求。

2017/04/21 NIST發布了一個供討論的IES-城市的框架草案。以下是這個IES-城市框架的時間表：

圖16：CPS智慧城市框架時間表(NIST Dr. Martin J. Burns, 2017)

事實上，CPS技術已被應用到智慧城市的許多方面，如智能電網（智能能源）和智能交通。 IES-城市框架的目標是創建CPS智慧城市框架，支持CPS智慧城市的研究，開發和部署（適用于CPS和物聯網），因此它需要多域透視， 適用于所有CPS域，支持跨CPS域的應用：

圖17：CPS智慧城市框架的目標 （NIST Dr. Edward Griffor, 2016）

圖17表明CPS智慧城市框架嘗試在統一的CPS框架下構建一個跨域的大型智慧城市系統 （Cyber-Physical Social Systems），其中包括智能基礎設施（電網，水，氣，…），智能建筑，智能應急響應，智能醫療，智能制造，智能交通，以及更多。

本文作者認為構建一個跨域的CPS智慧城市框架的做法值得我國智慧城市項目借鑒。

5.    CPS簡短的歷史

5.1 CPS概念的前輩

1926 Nikola Tesla "Teleautomation" (電信)

1948 Norbert Wiener "Cybernetics" (控制論)

1961 Charles Stark Draper "Apollo Guidance Computer" one of the first embedded systems (阿波羅導航計算機-第一個嵌入式系統)

1988 Mark Weiser "Ubiquitous computing" (普適計算或泛在計算)

1999 Kevin Ashton "Internet of Things" (物聯網)

5.2 CPS及其發展

2004 Helen Gill "Cyber-physical systems" （網絡物理系統）

圖18：海倫的CPS的定義

“網絡物理系統是物理、生物和工程系統，其操作被集成、監視和/或由一計算核心控制。每一個物理組成部分在不同維度被網絡化。計算深深嵌入到每一個物理組成部分，甚至可能嵌入到材料。計算核心是一個嵌入式系統，通常需要實時響應，并且是最常見的分布式系統。“ （海倫的CPS的定義中譯本）。

2004年美國NSF（國家自然科學基金）的Helen Gill女士在一個HCSS（High Confidence Software and Systems, 高信譽度的軟件和系統）的研討會上首先提出CPS的概念。

2006年2月發布的《美國競爭力計劃》將CPS列為重要的研究項目。

2007年7月，美國總統科學技術顧問委員會把CPS列出了影響未來變革的八大關鍵的信息技術的首位。

2010年12月美國總統科學技術顧問委員會報告（PCAST）標題為設計數字化的未來：聯邦政府資助的“研究和設計網絡和信息技術的發展“項目要求持續投資CPS研究，因為其科學技術的重要性，以及其對美國安全和許多關鍵部門的重大挑戰的潛在影響。

2010年美國國家科學基金會資助CPS研究：從小型項目（20萬美元/年為期三年），中等項目（$ 50萬 /每年為期三年），大型項目（高達$ 100萬 /年長達五年）

2012年美國聯邦網絡和信息技術的研究和發展（NITRD）CPS高級督導組發表了CPS Vision Statement。

2013年4月德國科學和工程研究院（acatech）發布了其著名的報告“確保德國制造業的未來-實施創新的工業4.0戰略的建議”- CPS 為工業4.0的核心技術

2014年美國國家標準和技術研究院（NIST）建立了CPS公開工作組（CPS PWG）匯集了廣泛的CPS專家在一個開放的公共論壇來幫助定義和形成CPS關鍵特性，以便更好地管理開發和實施跨多個“智能”的CPS應用領域，包括智能制造、交通運輸、能源、和醫療保健。

2014年Horizon（地平線）2020是有史以來最大的歐盟研究和創新計劃，近800億歐元的資金超過7年（2014至2020），智能網絡物理系統是其中最重要的一個投資項目。創新者的創新行動將體現在兩個不同主題的價值鏈：     

朝向平臺和生態系統：支持將走向開放和合作CPS參考架構和平臺的發展。

邁向“智能無處不在”的社會：我們的目標是建立嵌入式系統設計中心的歐洲網絡，幫助企業提高他們的產品和服務的質量與創新的嵌入式ICT組件和系統。

2015年美國國家標準和技術研究院（NIST）發布了”Framework of Cyber-Physical Systems”(網絡物理系統框架)草案。

2016年1月美國-德國舉行了物聯網/ CPS研討會，美國與德國聯手開展多項關于物聯網/ CPS的問題研究，如：  

物聯網/ CPS混合建模框架      

物聯網/ CPS的工程過程            

物聯網/ CPS工具支持的概念         

物聯網/ CPS的可靠性工程        

物聯網/ CPS安全          

物聯網和CPS架構     

群系統

2016年5月美國國家標準和技術研究院（NIST）發布了”Framework of Cyber-Physical Systems”(網絡物理系統框架)第一個版本。

2017年4月 美國國家標準和技術研究院（NIST）發布了”IES-City Framework”(CPS 為核心技術的智慧城市框架)草案。

2017 美國10家研究機構和政府機構：美國國家科學基金會 ，美國國土安全部科學技術局，美國聯邦公路管理局，美國國家航空航天局，美國國立衛生研究院，美國國立生物醫學影像與生物工程研究所，美國國家癌癥研究所，美國國家推進翻譯科學中心，美國農業部，和美國國家食品和農業研究所聯合基金持續投資CPS研究。

2017年3月1日，中國電子技術標準化研究院在北京舉辦了《信息物理系統白皮書（2017）》發布會。中國信息物理系統白皮書的發布標志著中國將大舉進軍這個研究領域，CPS 技術將在中國工業2025中大放異彩。

參考文獻：

1. Andrew H. Bartels， Smart Computing Drives The New Era Of           IT Growth， 2009

2. Helen Gill，A Continuing Vision: Cyber-Physical Systems， 2008

3. https://www.nist.gov/el/cyber-physical-systems

4. https://www.nsf.gov

5. http://www.innovation4.cn/library/r14012

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Cyber-physical_system

7. 信息物理系統白皮書， 2017

8. http://www.b-padynamics.com/

9. http://www.acatech.de/

10. http://cyberphysicalsystems.org

11. L. Wang, G. Wang，Big Data in Cyber-Physical Systems, Digital        Manufacturing and Industry4.0，I.J. Engineering and                        Manufacturing, 2016, 4, 1-8

12. Cyber-Physical Systems From Theory to Practice，Edited by            Danda B. Rawat，Joel J.P.C. Rodrigues，Ivan Stojmenovic, CRC          Press, 2016

13. 劉軍，閻芳，和楊璽， 物聯網和物流管控一體化，China Forture Press， 2017

作者 | 唐隆基博士，羅克博物流研究院特聘專家，曾任職于美國IBM,卡特彼勒和聯邦快遞，現湖南大學信息科學與工程學院兼職教授、廣州捷世通物流股份有限公司戰略副總裁和CIO。