CPS（新一代工業(yè)智能）

\hCPS新一代工業(yè)智能目錄

\h第1章現(xiàn)代工業(yè)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇\h1.1現(xiàn)代工業(yè)遇到了什么挑戰(zhàn)\h1.2生產(chǎn)系統(tǒng)組織關(guān)系的價(jià)值瓶頸\h1.3CPS如何滿足新工業(yè)革命的要求\h第2章CPS的技術(shù)本質(zhì)與內(nèi)涵\h2.1從電影《天空之眼》了解CPS\h2.2CPS的發(fā)展歷程\h2.3CPS的廣義內(nèi)涵與狹義內(nèi)涵\h2.4CPS的實(shí)體空間與賽博空間\h2.5CPS面向工業(yè)智能化的技術(shù)特性\h第3章CPS的技術(shù)體系與工業(yè)智能實(shí)現(xiàn)\h3.1CPS的5C技術(shù)體系架構(gòu)\h3.2從人的智慧方式理解CPS\h3.3CPS用以滿足工業(yè)智能的可成長性\h3.4工業(yè)智能的CPS實(shí)現(xiàn)：“人的智慧”VS“物的智慧”\h第4章CPS的應(yīng)用體系與智能體（agent）實(shí)現(xiàn)\h4.1CPS的應(yīng)用體系\h4.2層級(jí)化CPS的應(yīng)用\h4.3CPS的3個(gè)基本單元：智能控制單元、智能管理單元與認(rèn)知環(huán)境\h4.4CPS的基礎(chǔ)應(yīng)用條件\h第5章CPS的應(yīng)用實(shí)踐案例\h5.1CPS的智能控制單元應(yīng)用：豐田公司智能控制案例\h5.2CPS的智能管理單元應(yīng)用：軸承智能管理\h5.3CPS的智能管理應(yīng)用：智慧風(fēng)場(chǎng)\h5.4CPS的智能體系應(yīng)用：中船集團(tuán)業(yè)態(tài)融合CPS體系實(shí)踐\h第6章CPS為中國產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來的機(jī)會(huì)空間\h6.1中國、美國和德國的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)與轉(zhuǎn)型路徑\h6.2CPS在中國的挑戰(zhàn)與應(yīng)用機(jī)會(huì)\h6.3CPS為中國工業(yè)帶來的啟示與改變\h6.4結(jié)語第1章現(xiàn)代工業(yè)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇“賽博-實(shí)體系統(tǒng)”（Cyber-PhysicalSystem，CPS）又譯為“信息-物理系統(tǒng)”，其作為一個(gè)技術(shù)概念被提升到國家戰(zhàn)略最早可追溯到2007年8月。當(dāng)時(shí)美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）提出了《受到挑戰(zhàn)的領(lǐng)導(dǎo)力：信息技術(shù)在全球競(jìng)爭(zhēng)中的研究和發(fā)展》報(bào)告，報(bào)告中將“網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與實(shí)體世界的連接系統(tǒng)”列在八大核心技術(shù)的首位。報(bào)告提出的背景一方面是美國認(rèn)為其在全球科技競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)正在逐漸失去，需要去尋找和定義具備突破性的技術(shù)領(lǐng)域來保持原有的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；另一方面，美國認(rèn)為其在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（ICT）和計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)明顯，全球信息技術(shù)50強(qiáng)企業(yè)超過一半在美國，并且在微處理器和控制系統(tǒng)方面具有壟斷地位。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和處理器能力的快速發(fā)展，智能化的小型電子系統(tǒng)和大型ICT系統(tǒng)已經(jīng)初顯雛形。歐盟也率先開始了“先進(jìn)嵌入式智能系統(tǒng)技術(shù)”計(jì)劃，在2007~2013年在該領(lǐng)域投入超過70億美元。2012年10月，德國“工業(yè)4.0”工作組正式向德國政府提出了工業(yè)4.0的執(zhí)行建議，并將賽博-物理制造系統(tǒng)（Cyber-PhysicalProductionSystem，CPPS）作為智能制造系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)。受到美國和德國兩個(gè)傳統(tǒng)工業(yè)強(qiáng)國的“青睞”，CPS迅速引起了世界各國的關(guān)注，關(guān)于它的討論也越來越多，甚至將CPS等同于第四次工業(yè)革命。對(duì)于CPS的定義目前存在著許多爭(zhēng)論，大多數(shù)人的論述都試圖從技術(shù)層面對(duì)CPS進(jìn)行定義，把它與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)制造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP等現(xiàn)有的技術(shù)概念聯(lián)系在一起；但卻忽略了一個(gè)最基本的概念，那就是第四次工業(yè)革命并非因?yàn)镃PS或某一個(gè)技術(shù)的出現(xiàn)而到來，正相反，CPS的誕生是應(yīng)第四次工業(yè)革命的需求而出現(xiàn)，它是滿足生產(chǎn)力發(fā)展新需求的使能技術(shù)。若要去定義什么是CPS，需要把關(guān)于CPS技術(shù)定義的討論放到一邊，先去思考以下兩個(gè)問題：為什么第四次工業(yè)革命會(huì)發(fā)生？現(xiàn)在的工業(yè)面臨了哪些挑戰(zhàn)和需求迫使它進(jìn)行技術(shù)的革命性變革？當(dāng)回答出這兩個(gè)問題時(shí)，就自然能夠理解CPS的本質(zhì)了，并不是CPS本來是什么，而是它應(yīng)該是什么。1.1現(xiàn)代工業(yè)遇到了什么挑戰(zhàn)革命的本質(zhì)是生產(chǎn)關(guān)系的變革，背后的根本原因是原有的生產(chǎn)關(guān)系束縛了生產(chǎn)力的發(fā)展。這個(gè)道理在人類社會(huì)中普遍適用，在工業(yè)革命中也同樣適用?；仡櫱叭喂I(yè)革命，我們都能夠發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律，即每一次工業(yè)革命都使生產(chǎn)要素的邊際生產(chǎn)力獲得本質(zhì)的提升，使生產(chǎn)要素的內(nèi)涵發(fā)生本質(zhì)的變化，并改變了生產(chǎn)力的決定性要素。第一次工業(yè)革命發(fā)生的背景是依靠人力為主要力量的生產(chǎn)系統(tǒng)遇到了發(fā)展的瓶頸，受限于人力的邊際生產(chǎn)力，人類社會(huì)在不斷重復(fù)著周期性的增長規(guī)律長達(dá)數(shù)千年后，依然沒有突破生產(chǎn)力發(fā)展的瓶頸，急需新的技術(shù)帶來生產(chǎn)力的解放。于是，以蒸汽機(jī)為代表的新動(dòng)力機(jī)器應(yīng)運(yùn)而生，使勞動(dòng)力的邊際生產(chǎn)力得到本質(zhì)的提升，人類也第一次踏入了工業(yè)時(shí)代的門檻。羅伯特-威爾斯給了機(jī)器如下定義：機(jī)器是勞動(dòng)力與工作之間的媒介，其為了一個(gè)特定的功能將兩者彼此相連。第一次工業(yè)革命后，勞動(dòng)力的邊際生產(chǎn)力就不再是制約人類社會(huì)發(fā)展的瓶頸，這也直接導(dǎo)致馬爾薩斯人口論成為歷史，社會(huì)迎來了人口飛速增長的黃金年代。第一次工業(yè)革命也使得起決定性作用的生產(chǎn)要素從土地和勞動(dòng)力變成了以機(jī)器為代表的資本。過了約一百年以后，生產(chǎn)力的發(fā)展又遇到了新的瓶頸，制約其發(fā)展的原因主要有兩個(gè)方面：離散化的生產(chǎn)效率很低，成本高昂；動(dòng)力（能源）的獲取成本很高。受這兩個(gè)原因的制約，工業(yè)產(chǎn)品并沒有真正成為大眾消費(fèi)品，使更多人享受工業(yè)革命的紅利并釋放這部分的市場(chǎng)潛能成為第二次工業(yè)革命的需求。于是福特發(fā)明了第一條生產(chǎn)線，在生產(chǎn)效率和成本上實(shí)現(xiàn)了汽車的大規(guī)模制造，讓汽車真正成為大眾消費(fèi)品。尼古拉-特斯拉發(fā)明了交流電，使電力成為基礎(chǔ)設(shè)施和公共資源，廉價(jià)而易得的電力開始進(jìn)入千家萬戶，需要電力驅(qū)動(dòng)的工業(yè)產(chǎn)品也成為大眾消費(fèi)品。人對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用，從以輸出勞動(dòng)力為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵M(fèi)需求推動(dòng)為主，以殖民形式掌握人力和土地要素的方式所帶來的收益開始遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及具有強(qiáng)大消費(fèi)能力的市場(chǎng)。這也從根本上造成了幾乎持續(xù)了整個(gè)二十世紀(jì)的國際局勢(shì)和人類社會(huì)組織形式的變革。有一個(gè)值得注意的細(xì)節(jié)，福特設(shè)計(jì)的第一條汽車生產(chǎn)線與現(xiàn)在的完全不一樣，那條生產(chǎn)線要完成鐵礦石制造成汽車的每一個(gè)步驟，所以，福特公司最早的工廠建在河邊，把鐵礦石從河邊運(yùn)到工廠后，從煉鋼開始第一個(gè)生產(chǎn)步驟。這樣的生產(chǎn)模式使得建立工廠成為一項(xiàng)耗資巨大的工程，且每設(shè)計(jì)一個(gè)新的工業(yè)產(chǎn)品所要投入的建設(shè)成本也非常巨大。這也造成了工業(yè)品的創(chuàng)新成本高昂，使得產(chǎn)品的種類單調(diào)，迭代速度也很緩慢。正是這樣的矛盾催生了第二次工業(yè)革命中的另一項(xiàng)變革——“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。雖然很少被提及，但其卻與生產(chǎn)線的發(fā)明有著同樣重要的意義。標(biāo)準(zhǔn)的形成是工業(yè)社會(huì)分工的基礎(chǔ)，分工的形成又從兩個(gè)方面進(jìn)一步提升了生產(chǎn)效率：一方面是各個(gè)分工環(huán)節(jié)上的公司不斷降低產(chǎn)品的成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使得工業(yè)產(chǎn)品的價(jià)格和品質(zhì)不斷進(jìn)步；第二個(gè)方面是為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了基本框架和基礎(chǔ)保障，創(chuàng)新者不必再親自開發(fā)和制造每一個(gè)環(huán)節(jié)，而每一個(gè)環(huán)節(jié)上的創(chuàng)新突破也都可以迅速應(yīng)用到一個(gè)更大的體系中創(chuàng)造價(jià)值。第二次工業(yè)革命從本質(zhì)上改變了組織要素的內(nèi)涵，也使得組織要素的邊際生產(chǎn)力得到革命性的提升。在這一階段，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力改善主要圍繞著管理哲學(xué)和組織制度的創(chuàng)新，其中以日本企業(yè)最具代表性。二十世紀(jì)六十年代，日本意識(shí)到其制造的產(chǎn)品在質(zhì)量上與歐美制造的產(chǎn)品存在巨大差距，為了擺脫其產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上無人問津的窘境，提出了以“全生產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)（TPM）”為核心的生產(chǎn)管理體系。TPM的核心思想可以用“三全”來概括：全效率、全系統(tǒng)和全員參與；目標(biāo)可以用四個(gè)零來概括：零停機(jī)、零廢品、零事故和零效率損失。實(shí)現(xiàn)方式主要包括三個(gè)方面的改善：提高工作技能、改進(jìn)團(tuán)隊(duì)精神和改善工作環(huán)境。這一階段的改革奠定了日本制造業(yè)的精神內(nèi)核，也使日本制造業(yè)在短時(shí)間內(nèi)險(xiǎn)些使美國喪失世界第一制造大國的地位。受到日本制造業(yè)沖擊的美國和歐洲紛紛效仿日本，建立了先進(jìn)的生產(chǎn)管理制度，并完善了流程管理體系。這個(gè)階段為制造系統(tǒng)的進(jìn)步所帶來的影響可以總結(jié)為：利用先進(jìn)的管理制度和組織文化，將生產(chǎn)過程中解決和避免問題的經(jīng)驗(yàn)，以規(guī)范和紀(jì)律的形式融合于生產(chǎn)系統(tǒng)中。到了第三次工業(yè)革命前夕（二十世紀(jì)六十年代~七十年代），隨著工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜性和對(duì)精確度的要求越來越高，原有的、以人的操作為基礎(chǔ)的生產(chǎn)系統(tǒng)在效率、穩(wěn)定性和可靠性方面都出現(xiàn)了瓶頸。于是工業(yè)系統(tǒng)提出了新的需求，即在復(fù)雜的環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)精密的工業(yè)產(chǎn)品。在這個(gè)背景下，以可編程邏輯控制（PLC）和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制為代表的數(shù)字化技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中，自動(dòng)化集成系統(tǒng)開始逐漸代替人的操作。與此同時(shí)，伴隨著越來越精細(xì)的分工和越來越復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，協(xié)作和管理的效率成本成了新的瓶頸。因此在數(shù)字化控制系統(tǒng)和通信技術(shù)開始普及的基礎(chǔ)上，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD）、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（RMS）等開始廣泛應(yīng)用。第三次工業(yè)革命帶來了兩項(xiàng)變革，即數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。這兩者的到來使得組織要素不再僅依靠制度和文化，協(xié)作的范圍也從一個(gè)工廠內(nèi)部擴(kuò)展到全球，以信息和自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全流程的管理和執(zhí)行使得組織要素的邊際生產(chǎn)力得到本質(zhì)的提升。于是，人類與社會(huì)的連接從“可見的”實(shí)體世界擴(kuò)展到了“不可見的”網(wǎng)絡(luò)世界，信息成為核心的生產(chǎn)要素。前三次工業(yè)革命發(fā)展的過程帶來的啟示是，每一次工業(yè)革命的根本原因在于原有技術(shù)體系下的生產(chǎn)要素已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)力的發(fā)展要求，在這種需求的推動(dòng)下，新的使能技術(shù)的誕生會(huì)幫助人們突破限制生產(chǎn)力發(fā)展的瓶頸，同時(shí)，伴隨著新的基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，新技術(shù)的紅利得以快速普及。遵循這個(gè)規(guī)律，可以對(duì)前三次工業(yè)革命進(jìn)行如下的總結(jié)，如表1-1所示。表1-1前三次工業(yè)革命的特點(diǎn)和意義如果以相同的思維看待這一次工業(yè)革命，制約生產(chǎn)力發(fā)展的新瓶頸是什么？需要進(jìn)一步釋放的能力和價(jià)值又是什么？在生產(chǎn)力六要素中，有一個(gè)核心要素是“技術(shù)”，技術(shù)要素即包括設(shè)計(jì)、配方、工藝、核心零部件、材料、技術(shù)規(guī)范等可見的要素，也包括生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)知識(shí)等不可見的要素。技術(shù)要素中可見的部分通?？梢酝ㄟ^買賣而獲得，但是不可見的部分，如知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)卻難以定價(jià)和交易。而另一方面，可見的技術(shù)要素歸根結(jié)底來自知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，是這兩者經(jīng)過抽象化和模式化后的表現(xiàn)。我們認(rèn)為當(dāng)前工業(yè)遇到的新瓶頸在于技術(shù)要素的不可見部分，即人的知識(shí)產(chǎn)生和利用效率已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的要求，依靠人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了生產(chǎn)力的邊界，難以使其以最優(yōu)的效率運(yùn)行和協(xié)同。受到知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的限制，以人的決策為驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)系統(tǒng)中有很大一部分價(jià)值并沒有釋放出來。例如，使用同樣的機(jī)床，有的工廠能夠生產(chǎn)出精密的核心部件，而很多工廠卻不行，這就意味著機(jī)床其實(shí)并沒能真正釋放出它們的潛力。而造成這個(gè)差異的原因是工業(yè)系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的缺失，這需要依靠人的日積月累才能獲得，但傳統(tǒng)依靠人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的方式正在遭遇如下瓶頸：（1）系統(tǒng)越是復(fù)雜，人的學(xué)習(xí)曲線就會(huì)越緩慢，而當(dāng)人的學(xué)習(xí)曲線落后于技術(shù)的進(jìn)步時(shí)，人就會(huì)成為制約技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用的瓶頸。（2）隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（ICT）的不斷發(fā)展，獲取信息早已不再是難題，雖然人具有認(rèn)知能力且善于抽象思維，但是并不擅長處理多維信息之間的精確量化分析，因此制約決策質(zhì)量的不再是如何獲取信息，而是對(duì)信息進(jìn)行精確的分析與對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。（3）人的知識(shí)也并沒有被高效和規(guī)?；貞?yīng)用，無論是一個(gè)熟練的操作工人，還是一個(gè)有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的專家，他們的知識(shí)都只能服務(wù)于非常有限的對(duì)象，而這些知識(shí)也會(huì)隨著人的逝去而消失。因此，如果把CPS作為第四次工業(yè)革命的使能技術(shù)，那么它就必須要解決知識(shí)的產(chǎn)生、利用效率以及規(guī)?；钠款i，使得整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)以最優(yōu)化的協(xié)同方式釋放最大的能力，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造的新突破。1.2生產(chǎn)系統(tǒng)組織關(guān)系的價(jià)值瓶頸從上游到下游，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的價(jià)值鏈關(guān)系依次是設(shè)計(jì)創(chuàng)新與需求創(chuàng)造、原材料與基礎(chǔ)使能技術(shù)、關(guān)鍵裝備與核心零部件、生產(chǎn)過程與生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)品和服務(wù)，如圖1-1所示。這樣的價(jià)值鏈?zhǔn)怯傻诙喂I(yè)革命后的分工體系所決定的，并一直延續(xù)至今。圖1-1工業(yè)系統(tǒng)的價(jià)值鏈關(guān)系這種價(jià)值鏈關(guān)系下的生產(chǎn)系統(tǒng)以產(chǎn)品的買賣關(guān)系為主，并由最終用戶對(duì)產(chǎn)品的需求狀態(tài)決定價(jià)值鏈上的話語權(quán)?？蛻魧?duì)產(chǎn)品的需求所遵循的規(guī)律通常是“從無到有”，然后“從有到精”，最終到需求飽和的過程。在“從無到有”的過程中，價(jià)值鏈上的各個(gè)角色在分享市場(chǎng)紅利的同時(shí)，也以產(chǎn)能的制約因素決定話語權(quán)。在“從有到精”的過程中，價(jià)值鏈上各個(gè)角色的市場(chǎng)紅利受到擠壓，由技術(shù)積累形成的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)差異開始顯現(xiàn)，以品質(zhì)和成本的制約因素決定話語權(quán)。而當(dāng)整個(gè)市場(chǎng)對(duì)某個(gè)特定的需求達(dá)到飽和時(shí)，整個(gè)價(jià)值鏈都將會(huì)受到?jīng)_擊，終端客戶的價(jià)格壓力將會(huì)一層一層地傳遞到產(chǎn)業(yè)鏈的上游，這個(gè)時(shí)候，話語權(quán)的掌握者是能夠定義客戶新需求，也能夠?yàn)榭蛻魟?chuàng)造價(jià)值，同時(shí)還能分享紅利的服務(wù)提供者。圖1-2傳統(tǒng)工業(yè)模式下的制造商和使用者之間的利益沖突在傳統(tǒng)的價(jià)值鏈關(guān)系下，價(jià)值鏈上的各個(gè)角色存在著對(duì)利益追逐的根本矛盾（見圖1-2）。在經(jīng)濟(jì)快速增長期，制造企業(yè)和用戶企業(yè)之間的矛盾會(huì)被大量的訂單和充裕的現(xiàn)金流掩蓋，隨著經(jīng)濟(jì)增速放緩，兩者之間的矛盾會(huì)日趨顯著。在市場(chǎng)壓力和資金壓力下，制造企業(yè)勢(shì)必會(huì)采取生產(chǎn)線升級(jí)、管理系統(tǒng)信息化等措施提高生產(chǎn)效率，降低成產(chǎn)成本。然而，無論設(shè)備制造企業(yè)如何提升制造端的智能化，其成本最終都會(huì)轉(zhuǎn)移給用戶，對(duì)于現(xiàn)金流同樣緊張的用戶企業(yè)來說，任何上游生產(chǎn)要素的投入都會(huì)產(chǎn)生成本，也會(huì)向下傳遞到用戶企業(yè)從而增加他們的成本。而對(duì)于用戶來說，對(duì)價(jià)格的期望永遠(yuǎn)是越低越好，當(dāng)最終用戶向制造商提出降價(jià)要求時(shí)，這個(gè)要求會(huì)一層層地傳遞給產(chǎn)業(yè)鏈的上游，彼此在相互擠壓價(jià)值空間后形成新的妥協(xié)。在這種價(jià)值鏈關(guān)系下，“智能制造”或是“工業(yè)4.0”都不應(yīng)該成為最終目的，如何為用戶創(chuàng)造新的需求和價(jià)值才是目的。用戶不會(huì)因?yàn)橐惠v汽車是“工業(yè)4.0”的工廠生產(chǎn)就會(huì)去為多余的價(jià)格買單，他們關(guān)注的是性能、質(zhì)量、時(shí)尚、安全和舒適，還有更重要的如“無憂駕駛”這些不可見的價(jià)值空間。《工業(yè)大數(shù)據(jù)：工業(yè)4.0時(shí)代的工業(yè)轉(zhuǎn)型與價(jià)值創(chuàng)造》這本書中曾經(jīng)用煎蛋模型來比喻產(chǎn)品與服務(wù)之間的關(guān)系，目的是讓人們更貼切地理解以創(chuàng)造價(jià)值為導(dǎo)向的產(chǎn)品思維。一個(gè)核心的產(chǎn)品不僅是產(chǎn)品的這個(gè)實(shí)體本身（蛋黃：產(chǎn)品本身），還有很多以這個(gè)產(chǎn)品為載體的增值服務(wù)（蛋白：服務(wù)衍生的價(jià)值）。這如同煎蛋，每顆蛋黃其實(shí)都差不多，比如一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)如果擋住了品牌標(biāo)識(shí)就很難分辨出是哪個(gè)制造商制造的，同樣功率的風(fēng)機(jī)在外觀上很難看出差異，但運(yùn)行一年后發(fā)電的總量和運(yùn)營的費(fèi)用可能很不一樣，這就是看不見的價(jià)值。這些價(jià)值可能來自對(duì)“智能”的控制，也可能來自“智能”的運(yùn)維，又或是來自集成商與供應(yīng)商之間緊密合作下的質(zhì)量和價(jià)格的優(yōu)化，但是歸根到底是與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用相關(guān)的知識(shí)，這些知識(shí)是用戶所不具備的，同時(shí)也是與這個(gè)產(chǎn)品本身的“蛋黃”緊密相關(guān)的，這部分價(jià)值需要整個(gè)價(jià)值鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合才能實(shí)現(xiàn)。以往面向用戶提供后市場(chǎng)服務(wù)的角色主要是產(chǎn)品的原始設(shè)備制造商（OEM），而提供的服務(wù)大多集中在設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的解決方案和維護(hù)方面。產(chǎn)業(yè)鏈上的其他角色，隨著越接近價(jià)值鏈的上游，為最終用戶服務(wù)的機(jī)會(huì)就越少，但他們也同樣掌握著重要的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。造成這個(gè)現(xiàn)象的最主要原因是產(chǎn)業(yè)鏈的上、下游信息不對(duì)稱，越是上游的角色為最終用戶提供知識(shí)服務(wù)的成本也就越高，其最大的成本來自于信息成本和渠道成本。而以物聯(lián)網(wǎng)為重要元素的CPS，能夠?qū)⒄麄€(gè)價(jià)值鏈上的環(huán)節(jié)相連接，使位于產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)位置的角色能夠以很低的成本直接服務(wù)于用戶，也使得產(chǎn)業(yè)鏈之間在服務(wù)方面的協(xié)作成本降低。未來的新型產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系不再僅僅是制造一個(gè)產(chǎn)品，而是集合整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上的知識(shí)為最終用戶提供增值服務(wù)，通過提供服務(wù)的方式參與到用戶企業(yè)的使用場(chǎng)景中，解決用戶使用場(chǎng)景中的隱性風(fēng)險(xiǎn)、浪費(fèi)和焦慮，共創(chuàng)業(yè)態(tài)融合的分享型價(jià)值鏈關(guān)系（見圖1-3）。圖1-3新工業(yè)革命下的新型價(jià)值鏈關(guān)系這種新型價(jià)值鏈關(guān)系也更加具有可持續(xù)性，因?yàn)樵谝酝哪Ｊ较?，賣產(chǎn)品只能賺一次錢，一旦對(duì)產(chǎn)品的需求開始減少，價(jià)值鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)受到損失，各方為了保證自己利益的最大化，都會(huì)想方設(shè)法擠壓上下游的價(jià)值空間；而在新型價(jià)值鏈關(guān)系下，只要用戶依然在使用產(chǎn)品，創(chuàng)值服務(wù)所帶來的收入就會(huì)源源不斷，而價(jià)值鏈上各個(gè)角色的關(guān)系，也會(huì)從相互擠壓轉(zhuǎn)變成以提升用戶價(jià)值這一共同目的為導(dǎo)向的緊密合作與價(jià)值共享。這樣的新型價(jià)值鏈關(guān)系也決定了知識(shí)作為生產(chǎn)要素的邊際生產(chǎn)力，如何實(shí)現(xiàn)知識(shí)要素高效率和規(guī)?；睦?，也是CPS所面臨的新要求和新挑戰(zhàn)。1.3CPS如何滿足新工業(yè)革命的要求在前面兩個(gè)小節(jié)中，我們分別從生產(chǎn)要素和價(jià)值關(guān)系兩個(gè)方面闡述了新工業(yè)革命的要求，也說明了如果CPS能夠成為新工業(yè)革命的使能技術(shù)，它必須滿足以下兩個(gè)要求：（1）提升知識(shí)作為核心生產(chǎn)要素的邊際生產(chǎn)力，使知識(shí)的產(chǎn)生、利用和傳承過程中的效率和規(guī)模得到跨越性提升。（2）重新優(yōu)化生產(chǎn)組織要素的價(jià)值鏈關(guān)系，使得整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的各個(gè)環(huán)節(jié)圍繞最終用戶的價(jià)值并以高效的協(xié)同方式為其提供服務(wù)?？傮w來說，CPS需要重新定義生產(chǎn)要素的價(jià)值，在解釋CPS如何實(shí)現(xiàn)這一過程之前，我們先從了解產(chǎn)品價(jià)值的本質(zhì)作為切入點(diǎn)。任何工業(yè)產(chǎn)品的價(jià)值都可以從兩個(gè)方面去理解：作為生產(chǎn)要素的價(jià)值和作為消費(fèi)品的價(jià)值。兩者雖然都需要通過買賣關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)其自身價(jià)值的轉(zhuǎn)換，但兩者在買賣結(jié)束后所起的作用卻是不一樣的。對(duì)于消費(fèi)品來說，用戶得到產(chǎn)品以后就進(jìn)入了該產(chǎn)品的最后消費(fèi)環(huán)節(jié)，通過消費(fèi)該產(chǎn)品滿足其特定需求的程度就是其消費(fèi)價(jià)值。而將產(chǎn)品當(dāng)作生產(chǎn)要素的用戶不是把生產(chǎn)要素用來消費(fèi)的，而是要將其進(jìn)一步投入生產(chǎn)過程中；同時(shí)，生產(chǎn)要素在進(jìn)入生產(chǎn)過程之前僅僅是可能的生產(chǎn)能力，只有在它們進(jìn)入生產(chǎn)過程中并與其他生產(chǎn)要素協(xié)作進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)創(chuàng)造了產(chǎn)品和服務(wù)之后，才變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)價(jià)值。也就是說，只有在這時(shí)，生產(chǎn)要素才能體現(xiàn)其價(jià)值，此時(shí)生產(chǎn)要素的所有者才能獲得相應(yīng)的收入。因此，生產(chǎn)要素所有者所獲得的價(jià)值決定了生產(chǎn)要素的價(jià)值。比如，航空公司購買飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是為了作為生產(chǎn)要素為旅客提供航旅服務(wù)，那么這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)值取決于其服役過程中的使用成本、單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)的旅客數(shù)量，以及為旅客帶來的飛行感受。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也有消費(fèi)價(jià)值，每一次飛行對(duì)其功能的使用都意味著它剩余使用次數(shù)的下降，這些對(duì)其有限的功能性消費(fèi)就是它的消費(fèi)價(jià)值。一個(gè)產(chǎn)品的消費(fèi)價(jià)值受到它自身生產(chǎn)成本的制約，用戶的價(jià)值取決于這個(gè)成本與其功能性價(jià)值之間的差異，因此是可見的且有限的空間。而生產(chǎn)要素價(jià)值則取決于產(chǎn)品使用過程中為用戶創(chuàng)造價(jià)值的能力，只要使用該產(chǎn)品的活動(dòng)存在，這部分價(jià)值就可以不斷被挖掘出來。仍然以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，美國GE公司和羅爾斯·羅伊斯公司的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的銷售價(jià)格其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的成本，但是從后服務(wù)市場(chǎng)的服務(wù)中所獲得的利潤卻相當(dāng)可觀，以至于兩者都推出了出售“飛行能力”的模式，主動(dòng)去承擔(dān)成本的風(fēng)險(xiǎn)，以便分享在使用過程中創(chuàng)造的價(jià)值。由此可見，在討論產(chǎn)品價(jià)格時(shí)所稱的生產(chǎn)要素價(jià)格乃指生產(chǎn)要素的服務(wù)價(jià)格，而非生產(chǎn)要素本身的價(jià)格。要素本身與要素的服務(wù)是不同的。生產(chǎn)要素的服務(wù)是生產(chǎn)要素在生產(chǎn)過程中發(fā)揮的功能，也就是對(duì)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)。經(jīng)濟(jì)學(xué)上有時(shí)候就用生產(chǎn)服務(wù)（productiveservices）一詞代替生產(chǎn)要素使用，以強(qiáng)調(diào)廠商所購買的不是生產(chǎn)要素本身，而是其在生產(chǎn)過程中的價(jià)值貢獻(xiàn)。以前工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)要素價(jià)值主要體現(xiàn)在其可見的功能性上，對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說是最大推力、平均油耗和設(shè)計(jì)壽命等，對(duì)機(jī)床來說則是最高轉(zhuǎn)速、加工精度、多軸聯(lián)動(dòng)、加工速度等。當(dāng)市場(chǎng)的需求是在“從無到有”的過程中時(shí)，客戶對(duì)這些功能性價(jià)值存在著非常巨大的增量需求，所以價(jià)值的核心在于搭載這些功能的產(chǎn)品銷售上面。但是當(dāng)需求開始飽和時(shí)，市場(chǎng)對(duì)價(jià)值的需求開始從對(duì)增量能力的獲得轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)存量能力的應(yīng)用。人類社會(huì)在經(jīng)歷了二百多年的科技革命后，已經(jīng)積累了巨大的存量，工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施和大量基本生產(chǎn)要素，如機(jī)床、電力設(shè)施、動(dòng)力設(shè)施、制造裝備、交通裝備等需求都已逐漸趨于飽和。以德國為例，其工業(yè)出口產(chǎn)值從2006年開始已經(jīng)連續(xù)6年沒有增長，根本原因就在于發(fā)展中國家已逐漸完成工業(yè)化升級(jí)，對(duì)工業(yè)裝備的需求已經(jīng)基本飽和。同樣意識(shí)到這個(gè)問題的還有美國GE公司，他們意識(shí)到裝備銷售過程中的獲利遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及在產(chǎn)品使用過程中的價(jià)值服務(wù)，客戶需要的價(jià)值也遠(yuǎn)不止對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)的保持，更在于如何去使用這些能力來實(shí)現(xiàn)更高效的價(jià)值再創(chuàng)造。對(duì)存量能力的應(yīng)用中，起關(guān)鍵作用的就是知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。使用同樣的機(jī)床，有些企業(yè)能夠以很低的成本生產(chǎn)精密度很高的產(chǎn)品，而有的企業(yè)卻不能，所以受到的限制并不在于可見的功能，而在于不可見的知識(shí)因素。傳統(tǒng)對(duì)知識(shí)的消費(fèi)模式主要有兩種方式，第一種是將知識(shí)固化到設(shè)計(jì)、控制、專家系統(tǒng)和管理制度中，這種模式的問題在于從知識(shí)產(chǎn)生到投入生產(chǎn)的周期非常長，且迭代的靈活性不足，難以適應(yīng)當(dāng)今復(fù)雜動(dòng)態(tài)的工業(yè)環(huán)境。另一種是以人作為知識(shí)服務(wù)的載體，熟練的技工、遠(yuǎn)程專家診斷和專家咨詢服務(wù)等都是這一類模式，雖然能夠滿足需求的靈活性要求，但是效率非常低。以知識(shí)為核心使生產(chǎn)要素發(fā)揮最大的能力，歸根結(jié)底是在精確的狀態(tài)評(píng)估前提下，對(duì)管理和控制活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的決策優(yōu)化，并協(xié)同和調(diào)度相關(guān)的活動(dòng)參與者進(jìn)行高效率執(zhí)行的過程。其中的三個(gè)關(guān)鍵詞分別是“狀態(tài)評(píng)估”“決策優(yōu)化”和“協(xié)同執(zhí)行”，也是實(shí)現(xiàn)上述能力中最大的挑戰(zhàn)。（1）狀態(tài)評(píng)估。要了解活動(dòng)相關(guān)的個(gè)體和環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)，其中許多狀態(tài)是不可測(cè)量的，需要利用建模的手段從可測(cè)的相關(guān)參數(shù)中進(jìn)行預(yù)測(cè)，更重要的是還要對(duì)個(gè)體之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行精確的評(píng)估和預(yù)測(cè)。（2）決策優(yōu)化。要在對(duì)狀態(tài)精確掌握的基礎(chǔ)上，對(duì)各種可能的決策所帶來的影響進(jìn)行精確的分析推演，并在多目標(biāo)并存的環(huán)境下充分考慮之間的交換條件，以實(shí)現(xiàn)整體目標(biāo)價(jià)值的最大化。（3）協(xié)同執(zhí)行。在這個(gè)過程中，則要考慮決策的分發(fā)與實(shí)施的層級(jí)關(guān)系、時(shí)間尺度和順序相關(guān)性，并且要有一定的容錯(cuò)能力。現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述過程時(shí)，將主要精力放在以信息驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的協(xié)同上面，于是有很多的成本投入到數(shù)字系統(tǒng)、信息渠道、管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)上。但是，進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估和決策優(yōu)化的主體依然是人，這些執(zhí)行協(xié)同系統(tǒng)只能夠按照特定的模式和規(guī)則，或是按照人的指令執(zhí)行。這里所說的決策是一個(gè)非常廣義的概念，大到一個(gè)公司戰(zhàn)略的決策，小到一個(gè)工人對(duì)某一個(gè)參數(shù)的調(diào)校或一個(gè)飛行員起飛時(shí)的操作，各種決策無時(shí)無刻不發(fā)生在生產(chǎn)系統(tǒng)中。于是又產(chǎn)生了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，即受制于人對(duì)狀態(tài)評(píng)估精確性的限制，以及對(duì)多維信息源和多決策目標(biāo)分析復(fù)雜度的處理能力不足，人的決策在最優(yōu)性和實(shí)時(shí)性方面都難以適應(yīng)現(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和動(dòng)態(tài)性要求。然而，一些新技術(shù)的產(chǎn)生為解決這個(gè)挑戰(zhàn)帶來了新的機(jī)會(huì)。首先，物聯(lián)網(wǎng)和先進(jìn)傳感技術(shù)的普及使得原本相互獨(dú)立的裝備和個(gè)體連接了起來，獲取信息的廣度、深度和及時(shí)性已經(jīng)不再是難題，更重要的是使數(shù)據(jù)的獲取變得低成本且簡(jiǎn)單。于是，大數(shù)據(jù)環(huán)境在工業(yè)系統(tǒng)中開始逐漸形成，這些數(shù)據(jù)中隱藏著豐富的隱匿性問題的線索和個(gè)體與環(huán)境之間的相關(guān)性關(guān)系，比如經(jīng)歷數(shù)十萬次在各種環(huán)境下進(jìn)行操作行為的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，它的數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏著發(fā)動(dòng)機(jī)油耗效率與環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和操作參數(shù)之間的關(guān)系，在對(duì)這些相關(guān)性進(jìn)行充分挖掘和建模后，就能夠?qū)τ秃倪M(jìn)行更加科學(xué)和透明化的管理。這些技術(shù)也使得人類獲取知識(shí)的途徑產(chǎn)生了革命性的變化。過去，人們?nèi)ダ斫馕锢硎澜缫?guī)律的方式是首先提出假設(shè)，然后從理論上進(jìn)行論證，再通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后對(duì)其中普遍的規(guī)律和限制進(jìn)行總結(jié)，這樣才能夠獲取被認(rèn)為是可用的知識(shí)。從18世紀(jì)的歐洲文藝復(fù)興開始，這一套理解事物和獲取知識(shí)的方式已經(jīng)統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界長達(dá)三百年之久。然而物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)環(huán)境為我們獲取知識(shí)提供了一個(gè)新的途徑，即每一次的使用對(duì)我們來說都是一次有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的環(huán)境也從實(shí)驗(yàn)室移到了真實(shí)世界中，我們可以充分地認(rèn)可和擁抱世界的多元性、豐富性和不確定性，因此并不需要去追求普適和確切性的結(jié)論，更重要的是以使用的目的和價(jià)值為導(dǎo)向，使每一次使用都成為對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)的一次正向反饋。同時(shí)，計(jì)算能力的飛速提升也為我們提供了新的機(jī)會(huì)。過去的幾十年中，人類一直在追求具備人腦認(rèn)知和計(jì)算能力的技術(shù)，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知計(jì)算等算法框架其實(shí)從二十世紀(jì)七十年代就已經(jīng)提出，但在當(dāng)時(shí)卻找不到能夠達(dá)到其運(yùn)算性能要求的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力不但得到了大幅度提升，分布式計(jì)算、云計(jì)算和邊緣計(jì)算等豐富的架構(gòu)形式也增加了計(jì)算資源使用的靈活性。在這些條件下，融合了網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)環(huán)境、普適計(jì)算和管理控制的CPS就有可能去輔助甚至代替人成為精確狀態(tài)評(píng)估和視情決策的主體。在這種情況下，制造企業(yè)才能夠面向最廣大的用戶，尤其是中小企業(yè)用戶，可以以較低成本提供與大型企業(yè)相同的定制化服務(wù)。如今，CPS的核心正是在于“融合”，即賽博（Cyber）系統(tǒng)的價(jià)值是在于對(duì)實(shí)體（Physical）系統(tǒng)的狀態(tài)和活動(dòng)進(jìn)行精確評(píng)估，是在于對(duì)實(shí)體系統(tǒng)之間關(guān)系的挖掘和管理，是在于視情的決策優(yōu)化。在實(shí)體空間與賽博空間融合的過程中，認(rèn)知與決策系統(tǒng)作為CPS的關(guān)鍵組成，是實(shí)現(xiàn)裝備服務(wù)智能化的核心，但恰恰又是傳統(tǒng)信息系統(tǒng)所無法滿足的。對(duì)于大多數(shù)制造企業(yè)來說，感知、控制、管理等信息系統(tǒng)基礎(chǔ)均已具備，認(rèn)知系統(tǒng)與決策系統(tǒng)的建設(shè)才是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造和智能服務(wù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型，對(duì)于制造商而言，既要保持提供實(shí)體產(chǎn)品（蛋黃），更需要提供以合理、高效視情使用的信息服務(wù)系統(tǒng)（蛋白）；從而適應(yīng)最廣大用戶在復(fù)雜環(huán)境下的多樣價(jià)值服務(wù)需求；最終的目標(biāo)即為服務(wù)成本最低、代價(jià)最低，反應(yīng)最敏捷，從而實(shí)現(xiàn)定制化的柔性服務(wù)。第2章CPS的技術(shù)本質(zhì)與內(nèi)涵2.1從電影《天空之眼》了解CPS電影《天空之眼》為我們直觀地感受什么是CPS提供了非常好的素材，在電影中，遠(yuǎn)程駕駛的無人機(jī)原本只需要執(zhí)行空中監(jiān)視的任務(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)過計(jì)算，小女孩受傷的概率非常高，所以指揮官與操作手爭(zhēng)執(zhí)到底要不要以小女孩的生命為代價(jià)來完成這次任務(wù)。電影中的一個(gè)場(chǎng)景值得我們注意（見圖2-1），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)降到最低，而這個(gè)決策過程的基礎(chǔ)即為對(duì)狀態(tài)和活動(dòng)的精確評(píng)估及預(yù)測(cè)，主要分為以下三個(gè)方面：圖2-1無人機(jī)分析精確打擊的傷害半徑（1）系統(tǒng)本身：對(duì)導(dǎo)彈傷害半徑的精確評(píng)估。（2）環(huán)境：房屋周圍的人群，特別是離房屋最近的小女孩；房屋周圍的圍墻對(duì)炸彈爆炸的緩沖能力。（3）對(duì)任務(wù)的理解：打擊馬上將要實(shí)施恐怖襲擊的敵人，以避免更多平民的傷亡；或是放棄這次襲擊以保證小女孩的安全。這部電影為我們分析和理解CPS的概念和意義提供了很好的素材，因?yàn)樗浅Ｐ蜗笊鷦?dòng)地表現(xiàn)了CPS的許多重要元素。從技術(shù)方面來說，CPS的3個(gè)核心技術(shù)元素包括控制（Control）、通信（Communication）和計(jì)算（Computation），這3個(gè)元素都在電影中得到了非常形象的闡述：（1）制：無人機(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。（2）通信：無人機(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)地傳遞到無人機(jī)上。（3）計(jì)算：電影里最突出表現(xiàn)的就是計(jì)算的功能，這種計(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；還有在襲擊過程中造成房屋邊上的小女孩傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。在決策過程中，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。從另一個(gè)方面來看，這部電影也體現(xiàn)出了CPS的根本目的，即通過對(duì)結(jié)果的精確評(píng)估與預(yù)測(cè)進(jìn)行決策支持。決策并不是最終目的，對(duì)決策造成的影響進(jìn)行精確化的評(píng)估與管理才是根本目的，這個(gè)過程中的計(jì)算只是一種手段，對(duì)結(jié)果預(yù)測(cè)的精度、廣度和深度才是核心。除了《天空之眼》，還有另一個(gè)很有名的事件，就是1993年發(fā)生在索馬里的黑鷹事件，這次事件造成了美軍19人死亡，后來拍成了家喻戶曉的電影《黑鷹墜落》。事后對(duì)黑鷹事件的調(diào)查顯示，行動(dòng)過程中使用了錯(cuò)的情報(bào)和舊的地圖，加上因?yàn)榈谝幻勘鴱闹鄙龣C(jī)墜落受傷，導(dǎo)致了總部的指揮和現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)對(duì)過程中出現(xiàn)混亂，使得美軍在撤退的過程中出現(xiàn)了一連串的失誤，在層層錯(cuò)誤決策的疊加影響下造成了最后的悲劇。這起事件引起了美國軍方的深刻反思，從而引發(fā)了美軍一系列的改革舉措。首先是加快了無人機(jī)（UAV）的研發(fā)與部署，使無人機(jī)用于執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)的偵查和打擊活動(dòng)；其次是對(duì)情報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行改革，在網(wǎng)絡(luò)情報(bào)和實(shí)時(shí)地理信息等方面投入大量研發(fā)力量；最后是開始建立美軍國家模擬中心（由美國陸軍作戰(zhàn)參謀部在1993年批準(zhǔn)建立），它具備從兵團(tuán)級(jí)到單兵作戰(zhàn)單位的評(píng)估仿真分析能力，用于制定戰(zhàn)術(shù)的決策支持和訓(xùn)練。最值得注意的一點(diǎn)是，它大量運(yùn)用了當(dāng)時(shí)還處于概念階段的分布式技術(shù)，以遠(yuǎn)程通信、大規(guī)模計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和信息資源的去中心化（隨時(shí)隨地的共享能力），并利用了分布式計(jì)算系統(tǒng)提升了復(fù)雜狀態(tài)評(píng)估和分析的能力。這也使得戰(zhàn)場(chǎng)的指揮從原來的集中式轉(zhuǎn)向分布式的革命性變革，一方面打破了指揮中心與戰(zhàn)地人員信息的不對(duì)稱；另一方面，強(qiáng)大的運(yùn)算能力也能夠通過通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)于每一個(gè)士兵進(jìn)行決策支持，從技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)將軍與士兵的信息完全對(duì)稱。因此，由于人的決策失誤所造成的不必要傷亡和損失就大大降低。這應(yīng)該是CPS概念開始真正系統(tǒng)化發(fā)展的第一個(gè)里程碑，也是目前最大規(guī)模和最成功的實(shí)踐，比美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）正式提出CPS早了十幾年。也正是有了以上的一系列舉措，使美國在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中有了完全不同的表現(xiàn)，從戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制定到戰(zhàn)術(shù)層面的決策支持，國家模擬中心起了巨大的作用。我們不去討論這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)本身的正確性，但是它如同海灣戰(zhàn)爭(zhēng)一樣，在歷史中具有里程碑式的意義。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)是人類歷史上第一次真正意義的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用使得將軍能夠指揮每一個(gè)士兵，使戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性有了革命性的突破。而伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)則是人類歷史上第一次真正意義上的智能化戰(zhàn)爭(zhēng)，因?yàn)橛?jì)算和分析技術(shù)第一次大規(guī)模地取代了人的決策。2008年，美國總統(tǒng)奧巴馬開始執(zhí)政后，提出了將“拯救生命”和“減少不必要的福祉損失”作為政府的核心目標(biāo)，所以CPS的科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)的重點(diǎn)首先放在了醫(yī)療領(lǐng)域，利用CPS技術(shù)在交互式醫(yī)療器械（interoperability）、高可靠醫(yī)療（igh-confidencemedicaldevice）、治療過程建模及場(chǎng)景仿真、無差錯(cuò)醫(yī)療過程（error-freemedicalprocess）和易接入性醫(yī)療系統(tǒng)（plug-to-playmedicalsystem）等方面進(jìn)行改善，同時(shí)開始建立政府公共的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫用于研發(fā)和管理，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、控制、醫(yī)療過程、人機(jī)交互和結(jié)果管理等方面的使能技術(shù)突破。隨后，CPS技術(shù)又運(yùn)用到能源、交通、市政管理和制造等各個(gè)領(lǐng)域。因此，CPS并不是單項(xiàng)技術(shù)，而是一個(gè)豐富的技術(shù)體系，雖然這個(gè)技術(shù)體系中的某些技術(shù)點(diǎn)的內(nèi)涵和定義在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中有所區(qū)別，但是CPS背后的哲學(xué)和思想?yún)s有很強(qiáng)的共性。2.2CPS的發(fā)展歷程1926年，尼古拉-特斯拉在自己的著作《遠(yuǎn)程自動(dòng)化》（Teleautomation）中說道：“當(dāng)無線技術(shù)被大范圍應(yīng)用，整個(gè)地球?qū)⒆兂梢粋€(gè)統(tǒng)一的大腦，復(fù)雜機(jī)器的操作將變得非常簡(jiǎn)單，而交流方式也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)比如今的電話機(jī)更加便捷，能夠小到足以裝進(jìn)自己的口袋”。這大概是對(duì)CPS和移動(dòng)智能最早的預(yù)言，而后者早已被人們司空見慣。而特斯拉也是人類第一個(gè)無人裝置的發(fā)明人，他于1898年設(shè)計(jì)了無人船Telautomaton。1948年，美國數(shù)學(xué)家NobertWiner在自己的著作中第一次使用了“Cybernetics”（控制論）這個(gè)詞，它的來源又可以追溯到希臘詞根“kybernetes”，意為舵手或調(diào)節(jié)器，所以，從Cyber這個(gè)詞的本源來看，其所代表的含義并非是狹義的“網(wǎng)絡(luò)”，而是應(yīng)該理解成像舵手一樣去感知、分析、協(xié)調(diào)和執(zhí)行，只是后來在CPS中主要扮演這個(gè)角色的是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Winer在二戰(zhàn)期間主持了美國新一代自控火炮的研究，為現(xiàn)在的控制理論奠定了基礎(chǔ)，他的理論與后來業(yè)界普遍使用的反饋控制系統(tǒng)非常類似，只是后者大量使用了計(jì)算機(jī)作為計(jì)算工具，而網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)則是四十年以后的事情了。賽博空間（Cyberspace）最早來源于美國科幻小說家WilliamGibson在1984年出版的Neuromancer，指的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所支持的交流環(huán)境。自此，Cyber這一前綴才統(tǒng)指與計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)以及后來互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的事物。1988年，時(shí)任XeroxPARC實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家的MarkWiser首次提出了普適計(jì)算（ubiquitouscomputing）的概念，與當(dāng)時(shí)盛行的桌面計(jì)算環(huán)境（臺(tái)式機(jī)）不同，普適計(jì)算強(qiáng)調(diào)的是人們可以隨時(shí)隨地在任意設(shè)備中使用計(jì)算資源，支撐普適計(jì)算的底層技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、中間件、操作系統(tǒng)、高移植性編程語言、微處理器和新一代交互方式。普適計(jì)算是真正意義上革命性的變革，也是后來的移動(dòng)智能、云計(jì)算、嵌入式智能、邊緣計(jì)算和新一代交互形式等技術(shù)的基礎(chǔ)。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的氧氣計(jì)劃（ProjectOxygen，其目的是讓計(jì)算像氧氣一樣隨處可得）對(duì)普適計(jì)算做了非常形象的闡述：“在未來，計(jì)算將以人為核心，它像空氣一樣隨處可得。可配置的通用計(jì)算裝置，無論是便攜式的或嵌入式的，將在我們需要的時(shí)候提供易得的計(jì)算能力。這些計(jì)算裝置將自動(dòng)適配我們的個(gè)人信息，并充分尊重我們的隱私和信息安全。我們與它們的交互也將更加自然，正如我們與人交流需表達(dá)意圖時(shí)所使用的自然語言和肢體語言一樣”?？膳渲玫耐ㄓ糜?jì)算裝置聽起來像是很高深的技術(shù)，其實(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)非常普遍了。例如，我們無論在哪一個(gè)手機(jī)上登錄微信都可以迅速將我們的信息“移植”，并獲得完全相同的功能，這就是高靈活度的個(gè)性化計(jì)算服務(wù)。現(xiàn)在，我們距離通用計(jì)算還有最后一道屏障，即這些計(jì)算還必須依附在一個(gè)移動(dòng)設(shè)備和APP上，未來可能只需要一個(gè)統(tǒng)一資源定位符（URL）我們就可以通過無處不在的交互接口訪問所有的信息和計(jì)算資源了。說到這里，其實(shí)已經(jīng)將CPS產(chǎn)生的歷史背景和它的3個(gè)核心技術(shù)元素（控制、通信、計(jì)算）的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了較為詳細(xì)的梳理，為接下來討論CPS的含義提供一些背景信息。大部分文獻(xiàn)將Cyber-PhysicalSystem翻譯成“信息-物理系統(tǒng)”，但我們認(rèn)為這個(gè)翻譯并不準(zhǔn)確，容易引起對(duì)CPS內(nèi)涵的曲解。首先Cyber并不單指信息，更不是泛信息化或信息科技（IT）的概念，其內(nèi)涵包括了感知、分析、記憶、優(yōu)化、決策、協(xié)作和執(zhí)行等許多要素；其次，Physical也不僅僅是“物理”的意思，更重要的含義是“規(guī)律”，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）對(duì)CPS的解釋是在自然或人為定義的規(guī)律中運(yùn)行的系統(tǒng)（Systemundernatureorhuman-madelaw），包括了物理、環(huán)境、相關(guān)性、社群等更加廣泛的含義，但物理模型只是用來管理這些規(guī)律的手段之一。因此，我們認(rèn)為，CPS譯為“賽博-實(shí)體系統(tǒng)”或許更加合適，實(shí)體系統(tǒng)代表的是對(duì)功能性的管理和建模，而賽博系統(tǒng)則是對(duì)實(shí)體、環(huán)境和活動(dòng)之間關(guān)系性的管理和建模。實(shí)際上，CPS是一個(gè)復(fù)雜性很高的系統(tǒng)，是多領(lǐng)域?qū)W科不同技術(shù)發(fā)展融合的結(jié)果。不同領(lǐng)域的研究者對(duì)CPS理解的側(cè)重點(diǎn)也各不相同，這不僅體現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域之間的差異，甚至CPS的技術(shù)切入點(diǎn)都不盡相同，所以很難完全達(dá)成共識(shí)并給出一個(gè)精確而權(quán)威的定義。企圖給CPS一個(gè)準(zhǔn)確和能被廣泛接受的定義，難免會(huì)陷入泛學(xué)術(shù)化的技術(shù)流派間的爭(zhēng)論，這對(duì)CPS的發(fā)展和應(yīng)用并不會(huì)起積極作用。所以，CPS到底是什么技術(shù)并不重要，理解CPS的意義和目的更加重要。2.3CPS的廣義內(nèi)涵與狹義內(nèi)涵2006年，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）舉辦了第一屆CPS研討會(huì)，會(huì)上第一次對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行了闡述：CPS是賽博空間（Cyberspace）中的通信（Communication）、計(jì)算（Computation）和控制（Control）與實(shí)體系統(tǒng)在所有尺度內(nèi)的深度融合。這個(gè)闡述給出了CPS的3個(gè)核心技術(shù)元素，也就是我們最常提到的3C技術(shù)元素。下面，我們從狹義和廣義上對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行解讀。1.CPS的狹義內(nèi)涵：實(shí)體系統(tǒng)里面的物理規(guī)律以信息的方式來表達(dá)CPS的3C技術(shù)元素從功能性上定義了CPS的狹義內(nèi)涵，也是目前最常用的對(duì)CPS的定義方式，但是這個(gè)狹義的內(nèi)涵并不能給我們太多的啟發(fā)和參考意義。正如之前所提到的Cybernetics這個(gè)詞的本源是像舵手一樣去感知、分析、協(xié)作和執(zhí)行，如果要從更加廣義的層面去理解CPS，還應(yīng)關(guān)注另外3個(gè)C的元素：（1）Comparison（比較性）：多個(gè)層次的比較，既有相似性的比較，也有差異性的比較。比較的維度既可以是在時(shí)間維度上與自身狀態(tài)的比較，也可以是在集群維度上與其他個(gè)體的比較。這種比較分析能夠幫助我們將龐大的個(gè)體信息進(jìn)行分類，為接下來尋找相似中的普適性規(guī)律和差異中的因果關(guān)系奠定基礎(chǔ)。（2）Correlation（相關(guān)性）：在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，有許多的傳感器和信息源，彼此相互關(guān)聯(lián)。在相同的時(shí)間窗口里面，這些信號(hào)的相關(guān)性可以用來作為特征。相關(guān)性是記憶的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單地將信息存儲(chǔ)下來并不能稱為記憶，通過信息之間的關(guān)聯(lián)性對(duì)信息進(jìn)行管理和啟發(fā)式的聯(lián)想才是記憶的本質(zhì)。相關(guān)性同時(shí)也提高了人腦管理和調(diào)用信息的效率，我們?cè)诨叵胍粋€(gè)畫面或是場(chǎng)景時(shí)，往往并不是去回憶每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是有一個(gè)如線頭一樣的線索，去牽引它從而引出整個(gè)場(chǎng)景。這樣的類似記憶式的信息管理方式運(yùn)用在工業(yè)智能中，就是一種更加靈活高效的數(shù)據(jù)管理方式。舉一些利用相關(guān)性進(jìn)行信息管理的例子。一輛車在通過某個(gè)區(qū)域時(shí)，遇到一段坑洼的道路，如果這輛車在通過時(shí)探測(cè)到路面情況之后，將這個(gè)信息與地理位置聯(lián)系在一起，就可以提醒其他的車輛避讓。又如系統(tǒng)的輸入和輸出特性，建立這種相關(guān)性后可以作為狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗與環(huán)境狀態(tài)、控制參數(shù)和健康狀態(tài)有關(guān)，在建立這種關(guān)系后就可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)幫助飛機(jī)節(jié)省燃油。環(huán)境的相關(guān)性也十分重要，無人機(jī)在建立地形模型時(shí)，在春夏秋冬不同季節(jié)地貌會(huì)變化，但是物體之間位置的相關(guān)性不會(huì)改變。當(dāng)這種相關(guān)性建立起來后，即使這種地貌發(fā)生了變化，依然能夠精確識(shí)別目標(biāo)。生產(chǎn)系統(tǒng)中的自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)（AOI）大部分都是檢查質(zhì)量的結(jié)果，但是如果把結(jié)果與產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑（processpath）聯(lián)系起來，就能夠?qū)θ毕莸漠a(chǎn)生過程進(jìn)行精確的分析和回溯。而當(dāng)關(guān)系建立起來后，我們也能夠知道監(jiān)控哪些過程參數(shù)可以預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的質(zhì)量?？偨Y(jié)來說，物聯(lián)網(wǎng)是可見世界的連接，而所連接對(duì)象之間的相關(guān)性則是不可見世界的連接。（3）Consequence（目的關(guān)聯(lián)性）：在制定一個(gè)特定的決策時(shí)，其所帶來的結(jié)果和影響應(yīng)該同等地分析。例如，在電影《天空之眼》中，在完成任務(wù)的同時(shí)，也要考慮完成這個(gè)任務(wù)所帶來的損失，不僅需考慮精確度，還需考慮破壞度；再比如說在能源領(lǐng)域中的智能電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)，如何迅速將破壞因素隔離，并快速而精確地恢復(fù)狀態(tài)；當(dāng)一棵樹倒下砸中電網(wǎng)時(shí)，如何把影響控制在最小的范圍內(nèi)，而不造成整個(gè)區(qū)域停電；北京周圍的工廠在生產(chǎn)時(shí)如何把效能提升到最高，把產(chǎn)生霧霾的可能性降到最低等。因此，CPS的所有活動(dòng)都應(yīng)具有很強(qiáng)的目的性，即把目標(biāo)精度最大化，把破壞度最小化的“結(jié)果管理”?！敖Y(jié)果管理”的基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)，在現(xiàn)在的制造系統(tǒng)中，如果我們可以預(yù)測(cè)到設(shè)備性能的減退對(duì)質(zhì)量的影響，以及對(duì)下一個(gè)工序質(zhì)量的影響，就可以在制造過程中對(duì)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行補(bǔ)償和管理?！稄拇髷?shù)據(jù)到智能制造》一書提到過誤差流（SOV）分析這個(gè)案例，里面對(duì)比較性和相關(guān)性兩個(gè)方面都有深刻的體現(xiàn)，但如果這個(gè)誤差流能夠預(yù)測(cè)，那么就為誤差的補(bǔ)償提供基礎(chǔ)，制造系統(tǒng)的彈性和強(qiáng)韌性就會(huì)增加。2.CPS的廣義內(nèi)涵：對(duì)實(shí)體系統(tǒng)內(nèi)變化性、相關(guān)性和參考性規(guī)律的建模、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和管理CPS廣義內(nèi)涵中的3C元素其實(shí)是從分析手段方面給了CPS更加廣泛的意義，即這3個(gè)C分別對(duì)應(yīng)了實(shí)體空間中的對(duì)象、環(huán)境和任務(wù)的運(yùn)行基礎(chǔ)，并可以用3個(gè)R來概括（見圖2-2）：圖2-2CPS中的賽博空間與實(shí)體空間之間的交互基礎(chǔ)（1）Resource（來源）：數(shù)據(jù)來源可以是歷史的數(shù)據(jù)、傳感器的數(shù)據(jù)或是人的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以用一種邏輯的方式形成一種知識(shí)模型。同時(shí)，Resource也是比較性的基礎(chǔ)。（2）Relationship（關(guān)系）：基于比較和相關(guān)性的分析，挖掘顯性和隱性的關(guān)系。例如，半導(dǎo)體的過程監(jiān)測(cè)中有上百個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，但是可以從歷史報(bào)警的信息中，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立傳感器的關(guān)系圖譜，最后發(fā)現(xiàn)上百個(gè)傳感器與5個(gè)傳感器有強(qiáng)相關(guān)性，只用這5個(gè)傳感器的組合就可以管理所有傳感器數(shù)據(jù)所代表的狀態(tài)。又比如，在了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中氣壓和空氣密度與燃燒溫度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系后，美國GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)通過建模優(yōu)化能夠提高1%的燃油效率。（3）Reference（參考）：參考性有兩個(gè)方面，一個(gè)是比較的參考，另一個(gè)是執(zhí)行的參考，也可分為主動(dòng)的參考和被動(dòng)的參考，同時(shí)，參考也是記憶的基礎(chǔ)。如果是以結(jié)果作為參考，那么目的就是去定義其發(fā)生的根本原因；如果是以過程作為參考，那么目的就是去尋找避免問題的途徑。古語云：“以銅為鑒，可以正衣冠；以古為鑒，可以知興替；以人為鑒，可以明得失”，這句話蘊(yùn)含了深刻的哲理，也總結(jié)了參考性的三個(gè)維度，即以傳感器（銅鏡）所反映的自身狀態(tài)為參考、以歷史數(shù)據(jù)中的相關(guān)性和因果性為參考，還有以集群中的其他個(gè)體作為參考。把上述的觀點(diǎn)總結(jié)一下，我們可以對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行系統(tǒng)性的闡述，如圖2-3所示。圖2-3CPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)CPS的基礎(chǔ)在可見的世界中包括物聯(lián)網(wǎng)、普適計(jì)算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們定義了實(shí)體系統(tǒng)的功能性，是感知和反饋的基礎(chǔ)。在不可見世界中的來源（Resource）、關(guān)系（Relationship）和參考（Reference）構(gòu)成了實(shí)體系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是CPS在賽博空間中的管理目標(biāo)。CPS中的通信（Communication）、計(jì)算（Computation）和控制（Control）是管理可見世界的技術(shù)手段，而建立面向?qū)嶓w空間內(nèi)的比較性（Comparison）、關(guān)系性（Correlation）和目的關(guān)聯(lián)性（Consequence）的對(duì)稱性管理是核心的分析手段。而CPS的最終目標(biāo)，是在賽博空間中對(duì)實(shí)體空間中3V的精確管理，即可視性（Visualizability）、差異性（Variation）和價(jià)值性（Value）?？偨Y(jié)而言，CPS以多源數(shù)據(jù)的建模為基礎(chǔ)，以智能連接（Connection）、智能分析（Conversion）、智能網(wǎng)絡(luò)（Cyber）、智能認(rèn)知（Cognition）和智能配置與執(zhí)行（Configuration）的5C體系為構(gòu)架，建立虛擬與實(shí)體系統(tǒng)之間關(guān)系性、因果性和風(fēng)險(xiǎn)性的對(duì)稱管理，以持續(xù)優(yōu)化決策系統(tǒng)的可追蹤性、預(yù)測(cè)性、精確性和強(qiáng)韌性，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)活動(dòng)的全局協(xié)同優(yōu)化。2.4CPS的實(shí)體空間與賽博空間基于上文對(duì)于CPS的內(nèi)涵解讀，我們可以試圖再從CPS空間結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行闡述。顧名思義，CPS是賽博（Cyber）空間與實(shí)體（Physical）空間融合、“虛實(shí)結(jié)合”的產(chǎn)物。從構(gòu)型上描述，CPS的空間實(shí)現(xiàn)在于：從實(shí)體空間對(duì)象、環(huán)境、活動(dòng)大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、建模、分析、挖掘、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同，并與對(duì)象的設(shè)計(jì)、測(cè)試和運(yùn)行性能表征相結(jié)合，產(chǎn)生與實(shí)體空間深度融合、實(shí)時(shí)交互、互相耦合、互相更新的賽博空間（包括個(gè)體空間、環(huán)境空間、群體空間、活動(dòng)空間與推演空間等的結(jié)合）；通過賽博空間知識(shí)的綜合利用指導(dǎo)實(shí)體空間的具體活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的積累、組織、成長與應(yīng)用；進(jìn)而通過自感知、自記憶、自認(rèn)知、自決策、自重構(gòu)和智能支持等能力促進(jìn)工業(yè)資產(chǎn)的全面智能化。對(duì)于CPS的虛實(shí)結(jié)合，可以用日常生活中常見事物來解釋。正如人們?cè)贔acebook里建立的各種關(guān)系在物理世界里是不可見的，但卻可以從中得出這個(gè)人的生活社群、行為習(xí)慣、過往經(jīng)歷等。同樣，任何產(chǎn)品都有實(shí)體和虛擬兩個(gè)世界（譬如蘋果手機(jī)是實(shí)體，但是APPs是虛體），如何將虛擬世界里的關(guān)系透明化，正是智能4.0時(shí)代需要做的。未來產(chǎn)品如機(jī)床、飛機(jī)、汽車等都應(yīng)該有實(shí)體與虛擬的價(jià)值接合。實(shí)體空間是構(gòu)成真實(shí)世界的各類要素和活動(dòng)個(gè)體，包括環(huán)境、設(shè)備、系統(tǒng)、集群、社區(qū)、人員活動(dòng)等。而賽博空間是上述要素和個(gè)體的精確同步和建模，實(shí)現(xiàn)CPS的鏡像基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鏡像空間動(dòng)態(tài)反映實(shí)體狀態(tài)，通過個(gè)體空間、群體空間、環(huán)境空間、活動(dòng)空間與推演空間的建立，模擬個(gè)體之間、群體之間和環(huán)境之間的關(guān)系，記錄實(shí)體空間隨時(shí)間的變化，并結(jié)合活動(dòng)目標(biāo)，可以對(duì)實(shí)體空間的活動(dòng)進(jìn)行模擬、評(píng)估、推演與預(yù)測(cè)，形成決策知識(shí)，并構(gòu)成完整的知識(shí)應(yīng)用與知識(shí)發(fā)現(xiàn)體系。賽博空間的成長需要依靠實(shí)體空間活動(dòng)所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，在CPS的自成長體系下，賽博空間的價(jià)值和能力將不斷得到提升。因此，實(shí)體空間和賽博空間是相互指導(dǎo)和相互映射的關(guān)系。在圖2-4所示的CPS空間相互指導(dǎo)與相互映射過程中：圖2-4CPS空間構(gòu)型關(guān)系（1）個(gè)體空間：在實(shí)體空間獲取對(duì)象機(jī)理數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)理關(guān)聯(lián)對(duì)象，通過使用數(shù)據(jù)建立定量化的分析模型，以較小的成本解決多樣性和個(gè)體差異性的問題。（2）群體空間：在實(shí)體空間獲取集群運(yùn)行數(shù)據(jù)，從大量對(duì)象在不同環(huán)境下使用的數(shù)據(jù)中挖掘普適性規(guī)律，在原有控制、信息、管理等傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性和協(xié)同性的決策機(jī)制。（3）環(huán)境空間：在實(shí)體空間獲取內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)不同環(huán)境下的使用數(shù)據(jù)，建立環(huán)境與個(gè)體/群體效能之間的量化關(guān)系，解決任務(wù)多樣性和環(huán)境復(fù)雜性。（4）活動(dòng)空間：在實(shí)體空間獲取任務(wù)活動(dòng)數(shù)據(jù)，針對(duì)對(duì)象在環(huán)境中的活動(dòng)狀態(tài)，提取群體對(duì)象中的活動(dòng)特征并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，面向多層級(jí)、多維度的任務(wù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體/群體在環(huán)境中活動(dòng)的協(xié)同優(yōu)化。（5）推演空間：結(jié)合個(gè)體空間、群體空間、環(huán)境空間與活動(dòng)空間之間的關(guān)系模型，面向多模型空間協(xié)作目標(biāo)，根據(jù)內(nèi)外部需求，以對(duì)不同決策造成結(jié)果的預(yù)測(cè)與評(píng)估為基礎(chǔ)，形成多模型協(xié)同知識(shí)推演規(guī)則，實(shí)現(xiàn)有效的認(rèn)知與決策執(zhí)行支持。最終，賽博空間通過實(shí)體空間活動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，能夠追溯個(gè)體與群體對(duì)象在環(huán)境中的活動(dòng)狀態(tài)歷史，對(duì)個(gè)體與群體對(duì)象在環(huán)境中的當(dāng)前客觀狀態(tài)進(jìn)行精確定量評(píng)估，分析環(huán)境對(duì)個(gè)體與群體對(duì)象效能與任務(wù)目標(biāo)的影響，推演與預(yù)測(cè)個(gè)體與群體對(duì)象在環(huán)境中的未來發(fā)展趨勢(shì)，可根據(jù)推演結(jié)果，以協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)個(gè)體與群體活動(dòng)的認(rèn)知與決策支持，從而將指導(dǎo)實(shí)體空間活動(dòng)的信息反饋至實(shí)體空間，完成賽博空間與實(shí)體空間的融合過程。而整個(gè)CPS體系更加強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)分析能力，其形態(tài)可以是以軟件為主體，適當(dāng)增加必要的硬件設(shè)施，面向?qū)崿F(xiàn)用戶、對(duì)象、環(huán)境與集群之間的關(guān)系管理整合現(xiàn)有設(shè)備的信息系統(tǒng)。也正因如此，CPS實(shí)質(zhì)上是一種多維度的智能技術(shù)體系，以大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)與海量計(jì)算為依托，通過核心的智能感知、分析、挖掘、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同等技術(shù)手段，將計(jì)算、通信、控制有機(jī)融合與深度協(xié)作，做到涉及對(duì)象機(jī)理、環(huán)境、群體的賽博空間與實(shí)體空間的深度融合?？梢哉f，CPS的核心正是在于：以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的建模手段，分析物在環(huán)境中活動(dòng)的結(jié)果與目標(biāo)的差異，并動(dòng)態(tài)尋找協(xié)同優(yōu)化的解決方案；最終，通過自省性、自預(yù)測(cè)性和自重構(gòu)性的智能支持促進(jìn)工業(yè)的智能化發(fā)展。2.5CPS面向工業(yè)智能化的技術(shù)特性作為工業(yè)智能化發(fā)展的一種支撐系統(tǒng)，CPS又擁有哪些技術(shù)特性？現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)在近百年的發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了集成化、自動(dòng)化和信息化三個(gè)階段，如今，以控制理論為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng)已經(jīng)能夠勝任非常復(fù)雜的工作了。然而，傳統(tǒng)技術(shù)手段下的智能系統(tǒng)正在逐漸遇到瓶頸。首先，這些系統(tǒng)更加側(cè)重功能性的設(shè)計(jì)，解決的大多是可見世界的問題。系統(tǒng)以預(yù)期與實(shí)際之間的誤差作為反饋控制的依據(jù)，而所謂的預(yù)期，取決于驅(qū)動(dòng)這個(gè)控制系統(tǒng)的模型。也就是說，我們所能進(jìn)行智能控制的都是能夠被建模的事物。然而，真實(shí)世界中的環(huán)境和目標(biāo)都有很大的未知和不確定性，我們的模型如果不能夠去管理和避免這些不確定性，就不能夠稱為真正的智能。這些不確定性不僅來自環(huán)境和任務(wù)，也來自系統(tǒng)本身，如系統(tǒng)衰退和系統(tǒng)特性的變化等?？傊覀兯媾R的是充滿不確定性和變化的世界，而一切企圖用不變的手段去管理變化世界的努力終將遇到瓶頸。未來的工業(yè)系統(tǒng)將面對(duì)更多不確定性和多變的環(huán)境與系統(tǒng)（環(huán)境的不確定性、自身的不確定性和任務(wù)的不確定性），因此，智能化的工業(yè)系統(tǒng)需要具備4個(gè)基本的概念：（1）面向環(huán)境的智能：感知和預(yù)測(cè)環(huán)境的變化及不確定性。（2）面向狀態(tài)的智能：對(duì)自身狀態(tài)的變化和影響性能及風(fēng)險(xiǎn)性的因素進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。（3）面向集群的智能：包括與環(huán)境中其他個(gè)體之間的配合和協(xié)同，以及從其他個(gè)體的活動(dòng)中學(xué)習(xí)新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。（4）面向任務(wù)的智能：從“如果，那么”到假設(shè)場(chǎng)景做出應(yīng)對(duì)的過度，不僅要完成目標(biāo)，還要懂得預(yù)測(cè)和管理所引起的不良結(jié)果。同時(shí)，CPS面向工業(yè)智能，將具有以下幾個(gè)特性：第一，具備自省性的能力，感知和預(yù)測(cè)自身狀態(tài)的變化使設(shè)備具備“自省性”（self-aware）和“自預(yù)測(cè)性”（self-predict）的能力，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)面向狀態(tài)的智能基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)不同，自省性面向的對(duì)象是工業(yè)系統(tǒng)中的不可見問題，這些對(duì)象包括設(shè)備性能衰退、精度缺失、易耗件的磨損、工藝參數(shù)的不穩(wěn)定等。所有顯性問題都是隱性問題積累到一定程度后引發(fā)的，這些問題利用一般的統(tǒng)計(jì)科學(xué)或是單個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)很難進(jìn)行有效的判斷，需要更加先進(jìn)的分析和建模手段，建立能夠?qū)㈦[性問題顯性化的預(yù)測(cè)模型。在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)環(huán)境中，自省性可以對(duì)提高設(shè)備的效能起到至關(guān)重要的作用。以生產(chǎn)系統(tǒng)為例，擁有自省性的系統(tǒng)可以運(yùn)用生產(chǎn)線上的控制系統(tǒng)來自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，修正誤差。同時(shí)也可以提供系統(tǒng)的當(dāng)前生產(chǎn)狀況、剩余壽命等幫助工作人員制訂生產(chǎn)和機(jī)器維修計(jì)劃，準(zhǔn)備物料和人手配件，來及時(shí)有效地解決生產(chǎn)系統(tǒng)的異常，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少預(yù)測(cè)外的故障停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。第二，為工業(yè)設(shè)備賦予“EQ”，實(shí)現(xiàn)設(shè)備活動(dòng)的協(xié)同智能評(píng)判工業(yè)系統(tǒng)的智能化能力要從“IQ”（智商）和“EQ”（情商）兩個(gè)維度來定義：“IQ”是系統(tǒng)（或設(shè)備）解決問題的能力，而“EQ”則是這個(gè)系統(tǒng)（或設(shè)備）放在由相似個(gè)體的集群所構(gòu)成的更大系統(tǒng)中，是否能夠與其他的個(gè)體很好地配合，實(shí)現(xiàn)全局系統(tǒng)層面最優(yōu)化的能力。這與人的“IQ”和“EQ”是一樣的，“IQ”側(cè)重于理解問題的準(zhǔn)確性，決定了所能解決問題的深度；而“EQ”更加注重對(duì)結(jié)果的管理，擴(kuò)展了解決問題的廣度?！癊Q”的另一層含義是如何與其他個(gè)體協(xié)作和交往。一個(gè)機(jī)器人做一項(xiàng)復(fù)雜的工作并不難，但是100個(gè)機(jī)器人相互配合去做一項(xiàng)工作就會(huì)很難。比如讓機(jī)器人踢足球，機(jī)器人可能在力量、速度和精準(zhǔn)度上勝于人類，但是現(xiàn)在的技術(shù)依然很難讓機(jī)器人像真正的球員那樣進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，所以在足球運(yùn)動(dòng)這類團(tuán)隊(duì)競(jìng)技比賽中，機(jī)器戰(zhàn)勝人還有很長的路要走。再舉一個(gè)離工業(yè)更近的例子：工廠的機(jī)器人，國產(chǎn)的與國外的在單機(jī)的性能上并沒有太大的差別，但是當(dāng)上百臺(tái)機(jī)器人相互協(xié)同工作時(shí)，國產(chǎn)機(jī)器的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行能力就差了很多，這里有技術(shù)可靠性的問題，但是更重要的原因在于集成控制方面對(duì)機(jī)器“EQ”的管理差距。CPS為工業(yè)裝備賦予“EQ”需要以集群環(huán)境為基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）以集群中的其他個(gè)體為參照，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身狀態(tài)的精確評(píng)估。對(duì)自身狀態(tài)的評(píng)估離不開對(duì)基線狀態(tài)的精確建模，但是當(dāng)足夠的數(shù)據(jù)和專家知識(shí)同時(shí)缺失時(shí)，基線狀態(tài)模型就無從建立。這時(shí)如果在相似的環(huán)境中有相同的個(gè)體集群存在，就可以將其他個(gè)體的狀態(tài)特征作為參考，建立整個(gè)集群的狀態(tài)基線模型，這樣設(shè)備自身狀態(tài)的變化就可以從與集群的差異性上體現(xiàn)出來。（2）在集群環(huán)境中建立大規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)性學(xué)習(xí)的環(huán)境，使集群中每一個(gè)實(shí)體的活動(dòng)信息共同作為認(rèn)知學(xué)習(xí)的樣本，加快學(xué)習(xí)的周期和知識(shí)積累的速度。（3）集群的協(xié)同性和強(qiáng)韌性，當(dāng)系統(tǒng)中的某一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化而不能夠滿足任務(wù)的需求時(shí)，集群中的其他設(shè)備能夠一起補(bǔ)充這個(gè)缺口，直到這個(gè)設(shè)備的狀態(tài)恢復(fù)為止。例如，制程上游的裝備出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定的情況時(shí)，在維護(hù)資源就緒之前，能不能在下游的制程中進(jìn)行補(bǔ)償，使整個(gè)系統(tǒng)不至于停機(jī)或出現(xiàn)大規(guī)模次品？再如自動(dòng)駕駛同樣也離不開“EQ”，因?yàn)轳{駛并不是單純對(duì)汽車的控制，更重要的是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)和對(duì)道路上其他成員關(guān)系的管理。就如同在行駛道路上有的人駕駛強(qiáng)勢(shì)一些，就自然有人駕駛得謙讓一些，這種此消彼長的關(guān)系是一種自然形成的并且可動(dòng)態(tài)自我調(diào)整的過程?？梢姷氖瞧嚕豢梢姷氖邱{車人的駕駛習(xí)慣。一輛汽車的自動(dòng)駕駛并不難，但是一個(gè)區(qū)域數(shù)百輛汽車的協(xié)同就很有難度，而如果未來道路上有無人駕駛和人工駕駛的汽車同時(shí)存在，這種關(guān)系的管理就更加困難了。駕駛并不是目的，安全行駛才是目的，只有“IQ”的“自動(dòng)駕駛”并不能解決問題，兼?zhèn)洹癐Q”和“EQ”的“無憂駕駛”才是我們所需要的。第三，從對(duì)已有知識(shí)的管理和利用中獲得新的知識(shí)工業(yè)智能化的另一個(gè)重要特征是對(duì)知識(shí)的管理?！稄拇髷?shù)據(jù)到智能制造》一書曾系統(tǒng)性地闡述了大數(shù)據(jù)與智能制造之間的關(guān)系，我們可以在這里進(jìn)一步進(jìn)行深入的探討。制造系統(tǒng)中的知識(shí)產(chǎn)生過程通常遵循一個(gè)閉環(huán)的過程：發(fā)現(xiàn)問題→根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析問題→制定解決問題的決策→根據(jù)結(jié)果的反饋積累經(jīng)驗(yàn)→把經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抽象總結(jié)并用于解決未來相似性問題。在這個(gè)閉環(huán)的過程中，日本通過對(duì)人的不斷訓(xùn)練將知識(shí)固化在人的身上，于是就形成了“工匠文化”。而德國則通過對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)和裝備的持續(xù)改善和集成化設(shè)計(jì)，將知識(shí)固化在了生產(chǎn)系統(tǒng)中，于是就形成了“器匠文化”。然而，無論是“工匠文化”還是“器匠文化”，發(fā)展到今天都遇到了嚴(yán)重的瓶頸：日本工匠文化的核心是人，但是以傳統(tǒng)全生產(chǎn)系統(tǒng)管理（TPM）和精益管理的方式將知識(shí)固化在人的身上已經(jīng)慢慢變得不可持續(xù)。一方面這個(gè)過程往往要經(jīng)歷很長的時(shí)間，隨著新知識(shí)產(chǎn)生的速度越來越快，其效率已經(jīng)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；另一方面，以人作為知識(shí)的載體，對(duì)知識(shí)的利用效率也非常低，因?yàn)槿说木痛笠?guī)模并行處理多個(gè)問題的能力非常有限。最后，人終歸是要消失的，很多的知識(shí)也會(huì)隨著人的消失而失去。隨著日本老齡化問題愈發(fā)嚴(yán)重，尤其是選擇制造業(yè)的年輕從業(yè)者數(shù)量急劇下降，日本制造的“工匠文化”可持續(xù)性正在面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而德國的“器匠文化”在利用效率和可復(fù)制性方面都勝于“工匠文化”，所以德國的制造系統(tǒng)能夠變成一種產(chǎn)品成為德國出口的重要引擎。但是“器匠文化”的一個(gè)突出弱點(diǎn)是，在使用這些智能裝備的過程中，人自身的技能卻在慢慢退化。德國的雙元制教育模式雖然受到許多國家的推崇，但是在德國內(nèi)部卻越來越少的被年輕人所選擇，所以德國正在逐漸喪失高水平的工程師和技術(shù)人員?，F(xiàn)在的德國汽車工廠內(nèi)，已經(jīng)有超過一半的工人是移民。以取代人作為結(jié)果的“器匠文化”也面臨可持續(xù)性的挑戰(zhàn)。無論是工匠還是器匠的模式，都是為了獲得知識(shí)這一制造領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。知識(shí)的定義是對(duì)已發(fā)生事情的內(nèi)在邏輯進(jìn)行洞察過程，并能夠?qū)⑵渥鳛橐罁?jù)去管理未來相似的事情。在實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自成長過程中，我們?nèi)砸钛a(bǔ)一些技術(shù)上的缺口，首先是認(rèn)知科學(xué)方面的突破，從算法層面實(shí)現(xiàn)比較性學(xué)習(xí)（comparativelearning）、競(jìng)爭(zhēng)性學(xué)習(xí)（competitivelearning）與邏輯性學(xué)習(xí)（logisticcognition）的內(nèi)在機(jī)制。另一方面，是要理解知識(shí)的本質(zhì)目的，CPS在知識(shí)管理方面的目的是幫助人而非取代人，在與人的交互過程中去幫助人獲得知識(shí)，通過人在回路（Human-in-loop）的方式使人的智慧與機(jī)器的智能相互啟發(fā)地增長。內(nèi)在是認(rèn)知學(xué)習(xí)算法的突破，外在是新的人機(jī)交互形式的產(chǎn)生。所以去評(píng)價(jià)阿爾法狗（AlphaGo）的成功并不能僅局限在它能夠戰(zhàn)勝人類，更在于它能否幫助人類在圍棋中領(lǐng)會(huì)更深的哲學(xué)。第四，CPS實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能的根本價(jià)值：無憂的環(huán)境我們?cè)凇豆I(yè)大數(shù)據(jù)：工業(yè)4.0時(shí)代的工業(yè)轉(zhuǎn)型與價(jià)值創(chuàng)造》一書中提到了可見世界和不可見世界的概念，也強(qiáng)調(diào)了對(duì)不可見世界進(jìn)行管理的重要性。對(duì)不可見世界的管理，其目的是對(duì)“焦慮（worry）”的管理。舉個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子，有一些城市的公交站臺(tái)會(huì)顯示下一班車到達(dá)本站的時(shí)間，這一個(gè)信息本身并不會(huì)提升公交車到站的速度和運(yùn)行的效率，但是通過對(duì)“到站時(shí)間”這一個(gè)原本不可見信息的透明化，讓等公交車的乘客少了一份焦慮。同樣的例子，滴滴打車軟件中顯示出租車的位置和到達(dá)乘客地點(diǎn)的時(shí)間，也是為了起到對(duì)顧客“焦慮”管理的作用。工業(yè)系統(tǒng)中的問題分為可見的問題和不可見的問題，我們對(duì)待問題的方式既可以是等問題發(fā)生后去解決，也可以是在問題發(fā)生前去避免。人們的焦慮往往不是來自于失敗所造成結(jié)果，而是來自于不明白什么時(shí)候失敗會(huì)發(fā)生、會(huì)造成什么后果以及為什么會(huì)發(fā)生。當(dāng)我們能夠很清楚地回答這三個(gè)問題時(shí)，失敗也就沒有那么可怕了，因?yàn)槲覀冎涝撊绾稳ス芾硎≡斐傻拇鷥r(jià)，何時(shí)該采取措施，以及未來如何避免其再次發(fā)生。我們所心向往之的智能工業(yè)系統(tǒng)，是建立在對(duì)不可見問題深入對(duì)稱管理的基礎(chǔ)上，最根本的價(jià)值是去避免可見的問題，最終實(shí)現(xiàn)“無憂”的環(huán)境。IMS中心的會(huì)員公司日本株式會(huì)社電裝（DENSO）在美國田納西州生產(chǎn)汽車啟動(dòng)器的工廠里，每100萬個(gè)產(chǎn)品中只有1.5個(gè)次品，對(duì)質(zhì)量的管理已經(jīng)達(dá)到了8個(gè)Sigma以外。DENSO的目標(biāo)是打造“無人可及”的工廠，工廠的每一個(gè)步驟都經(jīng)過精細(xì)的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的管理。即便是這樣，他們?nèi)匀挥X得有提升的空間和動(dòng)力。他們的負(fù)責(zé)人在與IMS中心合作時(shí)曾說：“即便100萬個(gè)產(chǎn)品中只有一個(gè)失敗了，我們?nèi)匀幌胍浪鼮槭裁磿?huì)失敗，只有這樣我們才能夠?qū)W會(huì)如何去不斷地成功?！边@句話反映了非常深刻的制造哲學(xué)：在智能的工業(yè)系統(tǒng)中，成功并不是目的，關(guān)鍵是如何不斷地成功；失敗也并不可怕，關(guān)鍵在于我們是不是能夠知道為什么會(huì)失敗。圖2-5CPS的本質(zhì)與目的總結(jié)而言，CPS實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)智能化的技術(shù)本質(zhì)可以用以圖2-5來表示。通過對(duì)實(shí)體系統(tǒng)和人的知識(shí)在賽博系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)稱建模管理，使人與實(shí)體系統(tǒng)通過賽博空間建立認(rèn)知與交互。進(jìn)而通過賦予實(shí)體系統(tǒng)自省性和自預(yù)測(cè)能力實(shí)現(xiàn)面向狀態(tài)的智能、自比較與自組織能力實(shí)現(xiàn)面向集群的智能、自適應(yīng)與自調(diào)整能力實(shí)現(xiàn)面向環(huán)境的智能、自重構(gòu)與自協(xié)同能力實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的智能。最后，通過對(duì)實(shí)體系統(tǒng)中關(guān)系性的認(rèn)知與建模實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自成長，使知識(shí)得以可持續(xù)和規(guī)?；睦?。第3章CPS的技術(shù)體系與工業(yè)智能實(shí)現(xiàn)3.1CPS的5C技術(shù)體系架構(gòu)我們?cè)谏弦徽轮刑岬?，CPS并不是某個(gè)單獨(dú)的技術(shù)，而是一個(gè)有明顯體系化特征的技術(shù)框架，即以多源數(shù)據(jù)的建模為基礎(chǔ)，并以智能連接（Connection）、智能分析（Conversion）、智能網(wǎng)絡(luò)（Cyber）、智能認(rèn)知（Cognition）和智能配置與執(zhí)行（Configuration）作為其5C技術(shù)體系架構(gòu)（見圖3-1）。本節(jié)將詳細(xì)介紹CPS體系中每一個(gè)層級(jí)的功能及實(shí)現(xiàn)方式。圖3-1CPS的5C技術(shù)體系架構(gòu)第一層：智能連接層（smartconnectionlevel）從機(jī)器或部件級(jí)出發(fā)，第一件事是如何以高效和可靠的方式獲取數(shù)據(jù)。它可能包括一個(gè)本地代理（用于數(shù)據(jù)記錄、緩存和精簡(jiǎn)），并用來發(fā)送來自本地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程中央服務(wù)器的通信協(xié)議。基于眾所周知的束縛、自由通信方式，包括ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、UWB等，以前的研究已經(jīng)調(diào)查并設(shè)計(jì)堅(jiān)固的工廠網(wǎng)絡(luò)方案來使機(jī)器系統(tǒng)更智能，因此，數(shù)據(jù)的透明化絕對(duì)是第一步?？梢哉f，智能連接的核心在于按照活動(dòng)目標(biāo)和信息分析的需求進(jìn)行選擇性和有所側(cè)重的數(shù)據(jù)采集。由于外部環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，在智能連接層的感知過程中，如果不加以側(cè)重和篩選，屏蔽掉無用信息和噪聲，同時(shí)強(qiáng)化關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的收集，則會(huì)嚴(yán)重影響分析的效率和準(zhǔn)確性。我們可以將智能連接與人的感知進(jìn)行類比，人的感知就具有很強(qiáng)的選擇性，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①對(duì)待與自身安全和活動(dòng)目標(biāo)相關(guān)的感知會(huì)增強(qiáng)；②對(duì)待同一環(huán)境中發(fā)生變化的事物的感知會(huì)增強(qiáng)。同時(shí)，由于人的經(jīng)歷、活動(dòng)目標(biāo)、記憶和對(duì)價(jià)值認(rèn)識(shí)的不同，往往不同的人對(duì)同一個(gè)環(huán)境所獲取和關(guān)注的信息也不相同，這說明人類的感知系統(tǒng)具有很強(qiáng)的目的性，其作用是幫助我們提高數(shù)據(jù)獲取分析的效率，以便更快速地應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化。與之相比，已有智能系統(tǒng)的連接感知其實(shí)并不是智能的，因?yàn)槠洳⒉痪邆湟阅繕?biāo)為導(dǎo)向的柔性數(shù)據(jù)采集的特征，而是將傳感器布置，之后就不加選擇地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸。與傳統(tǒng)的傳感體系有本質(zhì)不同的是，在CPS體系中對(duì)于設(shè)備的“自感知”能夠改變現(xiàn)有的被動(dòng)式傳感與通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)智能化與自主化的數(shù)據(jù)采集。所謂智能化與自主化的按需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，是在相同的傳感與傳輸條件下，針對(duì)日常監(jiān)控、狀態(tài)變化、決策需求變化以及相關(guān)活動(dòng)目標(biāo)和分析需求，自主調(diào)整數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臄?shù)量、頻率等屬性，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式、應(yīng)激式傳感與傳輸模式。這樣的數(shù)據(jù)采集模式能夠提高數(shù)據(jù)感知的效率、質(zhì)量、敏捷度，達(dá)成對(duì)實(shí)體空間對(duì)象、環(huán)境、活動(dòng)的智能“自感知”。形成“自感知”能力的核心是數(shù)據(jù)采集的自適應(yīng)管理與控制。自主式和應(yīng)激式的傳感采集主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）以事件為導(dǎo)向的采集策略。在不同的操作工況、外部環(huán)境和活動(dòng)目標(biāo)的情況下，尤其是當(dāng)上述狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，按照不同的采集規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。例如，當(dāng)設(shè)備在穩(wěn)定工況下可按照較低的頻率采集或僅僅使用EDS數(shù)據(jù)，而在設(shè)備變化工況的過渡階段，則提高采樣頻率并增大數(shù)據(jù)采集范圍，以便及時(shí)把握可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。（2）以活動(dòng)目的為導(dǎo)向的采集策略。為了實(shí)現(xiàn)特定的分析目標(biāo)而進(jìn)行的有針對(duì)性的數(shù)據(jù)采集，其激發(fā)過程可以是人為控制或是按照系統(tǒng)目標(biāo)的變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)CPS懷疑某一關(guān)鍵部件出現(xiàn)了狀態(tài)異常，為了確認(rèn)和診斷該故障，與此部件相關(guān)的傳感器將提高采樣頻率。（3）以設(shè)備健康為導(dǎo)向的采集策略。對(duì)設(shè)備的健康評(píng)估和故障識(shí)別所需要的數(shù)據(jù)量差別很大，在系統(tǒng)判斷設(shè)備健康狀態(tài)正常時(shí)，以較低的采樣間隔和采樣頻率，采集部分?jǐn)?shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)變化。而只有在健康狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)才對(duì)故障診斷所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且在最后的監(jiān)控中縮短數(shù)據(jù)的采樣間隔，以便更加準(zhǔn)確和及時(shí)地把握設(shè)備健康狀態(tài)的變化態(tài)勢(shì)。一個(gè)典型的智能連接層的工作流程如圖3-2所示，在這個(gè)過程中最核心的部分是“數(shù)據(jù)采集管理控制系統(tǒng)”，其功能是根據(jù)事件信息、活動(dòng)目標(biāo)和設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)產(chǎn)生符合信息分析需求的數(shù)據(jù)采樣控制信號(hào)，并將此信號(hào)輸送到數(shù)采設(shè)備控制傳感器的信息采集部分。此外，對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)和中央管理系統(tǒng)這一類具有自身固定采樣規(guī)則的集成系統(tǒng)，從其數(shù)據(jù)庫中按照需求調(diào)取所需數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要建立一套兼顧運(yùn)算邏輯、機(jī)理模型、操作原理、運(yùn)行目的和信號(hào)處理等要求的控制模型。圖3-2智能連接層流程因此，從智能連接層的實(shí)現(xiàn)路徑來看，其可能的技術(shù)支撐可包含：（1）核心：自感知系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與集成、應(yīng)激式自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集管理與控制系統(tǒng)等技術(shù)。（2）關(guān)鍵：數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)、自意識(shí)傳感等技術(shù)。（3）相關(guān)：傳感器、緩存器、數(shù)據(jù)傳輸、信息編碼、抗干擾等技術(shù)。這一層可在實(shí)體空間中完成，對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)控制部分在賽博空間中完成，由此形成賽博-實(shí)體空間的數(shù)據(jù)按需獲取。第二層：數(shù)據(jù)到信息轉(zhuǎn)換層（data-to-informationconversionlevel），即智能分析層在工業(yè)環(huán)境中，數(shù)據(jù)可能來自不同的資源，包括控制器、傳感器、制造系統(tǒng)（ERP，MES，SCM和CRM系統(tǒng)）、維修記錄等。這些數(shù)據(jù)或信號(hào)代表所監(jiān)視機(jī)器的系統(tǒng)狀況，但是，該數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成可用于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用程序的有意義的信息，包括健康評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等。在這里，我們也可將智能分析層與人的記憶與分析進(jìn)行類比，人的記憶與分析并非單純感知到實(shí)體世界的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，或者是實(shí)體世界鏡像的映射，而是通過篩選、存儲(chǔ)、關(guān)聯(lián)、融合、索引、調(diào)用等形式將數(shù)據(jù)變?yōu)閷?duì)人有用的信息，是人類思維與行為的基礎(chǔ)，并具有以下特征：（1）選擇性：僅僅記憶與自身的活動(dòng)和思維相關(guān)的信息，和對(duì)熟悉環(huán)境中變化的部分印象更加深刻。（2）抽象性：從數(shù)據(jù)中提取特征進(jìn)行記憶，并通過分析將狀態(tài)和語義相互對(duì)應(yīng)（情節(jié)+語義式的記憶模式）。（3）歸納性：記憶的聚類過程，并與特定活動(dòng)相關(guān)聯(lián)，是學(xué)習(xí)過程的基礎(chǔ)。（4）關(guān)聯(lián)性：即形成A→B的映射關(guān)系，是信息到判斷結(jié)論的映射過程。（5）時(shí)序性：新的記憶更加鮮明，舊的記憶逐漸淡去，使記憶的調(diào)用與分析更加高效。由此，我們可以將智能分析層的核心比作是物的記憶與分析，即定義為“自記憶”，即能夠按照信息分析的頻率和重點(diǎn)重新進(jìn)行自適應(yīng)的、動(dòng)態(tài)的“數(shù)據(jù)-信息”轉(zhuǎn)換，并解決海量信息的持續(xù)存儲(chǔ)、多層挖掘、層次化聚類調(diào)用，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)到信息的智能篩選、存儲(chǔ)、融合、關(guān)聯(lián)、調(diào)用，形成“自記憶”能力。智能分析層的自記憶特性與實(shí)現(xiàn)手段如表3-1所示，這些特性之間也具有關(guān)聯(lián)性和邏輯關(guān)系。如抽象性的主要目的是利用特征提取手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的特征矩陣具有更高的價(jià)值和信息密度，隨后再比較當(dāng)前特征與歷史特征的相似程度或以某一個(gè)事件的發(fā)生為依據(jù)判斷該條信息的價(jià)值。在對(duì)信息的價(jià)值進(jìn)行確認(rèn)后，可以根據(jù)該特征矩陣與某一聚類數(shù)據(jù)的相似程度，判斷該條信息應(yīng)該被歸類存儲(chǔ)到哪一組聚類數(shù)據(jù)中，也就是“貼標(biāo)簽”的過程。聚類的過程可以依據(jù)不同的特征，比如按照工況聚類，按照健康相關(guān)特征聚類，或按照活動(dòng)目標(biāo)聚類等，因此也就要求聚類算法與分析目標(biāo)具有很好的匹配性和靈活性，同時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多標(biāo)簽數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)自重構(gòu)索引過程。關(guān)聯(lián)性的分析與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)工具有很多相似性，即挖掘不同數(shù)據(jù)集群內(nèi)部