導(dǎo)讀

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)字世界之間的互動(dòng)方式。而作為CPS背后一項(xiàng)重要的使能技術(shù)：信息物理計(jì)算（CPC，Cyber-Physical Computing），卻很少有人提及。在這篇文章中，我將圍繞絕少被人提及的信息物理計(jì)算CPC，為你介紹一些物聯(lián)網(wǎng)的前沿研究方向以及最新實(shí)踐。

在《看懂CPS，才能真正撬動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的萬億級(jí)市場(chǎng)》一文中我曾經(jīng)提到，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)的是不止萬億級(jí)的市場(chǎng)。

信息物理系統(tǒng)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)字世界之間的互動(dòng)方式。

而作為CPS背后一項(xiàng)重要的使能技術(shù)：信息物理計(jì)算（CPC，Cyber-Physical Computing），卻很少有人提及。簡(jiǎn)單的說，CPC是一系列計(jì)算技術(shù)的統(tǒng)稱，它們具有相同的特性，都是基于非確定性的動(dòng)態(tài)計(jì)算。從計(jì)算的角度來看，CPC超越了基于馮·諾依曼架構(gòu)的確定性計(jì)算領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)的非確定性自適應(yīng)控制，緊急情況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及時(shí)間敏感條件下的敏捷計(jì)算。

這周剛好看到Fortune的一篇反諷文章《特朗普正在幫助中國(guó)的科學(xué)研究再創(chuàng)輝煌》，不由引發(fā)了我關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)科研現(xiàn)狀的一些思考。有哪些關(guān)于IoT領(lǐng)域的科學(xué)研究還沒有被引起足夠重視？國(guó)外有哪些值得借鑒的科研與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的應(yīng)用實(shí)踐？科研作為市場(chǎng)發(fā)展的領(lǐng)航者之一，會(huì)將物聯(lián)網(wǎng)的下一站引到何處？

因此在這篇文章中，我將圍繞絕少被人提及的信息物理計(jì)算CPC，為你介紹一些物聯(lián)網(wǎng)的前沿研究方向以及最新實(shí)踐。

從CPS信息物理“系統(tǒng)”到CPC信息物理“計(jì)算”

先從一個(gè)例子說起，1927年，當(dāng)林德伯格首次在歷史上成功完成橫跨大西洋的單人不著陸飛行時(shí)，他駕駛的飛機(jī)是單引擎飛機(jī)圣路易斯精神號(hào)，那時(shí)的飛行控制僅僅通過監(jiān)測(cè)幾個(gè)傳感器來實(shí)現(xiàn)，憑借林德伯格一己之力就能完成。而如今的空客A380飛機(jī)，需要監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)量有數(shù)千個(gè)，遠(yuǎn)非人力可及，這就對(duì)控制系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)提出了更高的要求：它須在駕駛員面前隱藏大量設(shè)備的復(fù)雜性，他只需要處理有限數(shù)量的控制指令來駕駛飛機(jī)，而大量的感知數(shù)據(jù)和關(guān)鍵指標(biāo)通過系統(tǒng)的自動(dòng)化程序進(jìn)行處理。

未來CPS系統(tǒng)的復(fù)雜性還會(huì)再度提升，目前物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)各場(chǎng)景對(duì)于大量復(fù)雜計(jì)算的實(shí)時(shí)性、面對(duì)非確定性以及環(huán)境變化多端時(shí)的自適應(yīng)性，都對(duì)處理系統(tǒng)提出了更高的要求，而這一切需要通過CPS背后的重要使能技術(shù)信息物理計(jì)算CPC進(jìn)行滿足。

信息物理系統(tǒng)CPS的各種需求

1、馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是建立在預(yù)先設(shè)定的確定性基礎(chǔ)之上，更適用于經(jīng)典控制和循序計(jì)算，而對(duì)于充滿不確定性以及大量高速計(jì)算的未來場(chǎng)景，馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正在經(jīng)受越來越多的挑戰(zhàn)。

按照馮·諾伊曼的設(shè)計(jì)思想，將計(jì)算機(jī)清晰地分為計(jì)算器、控制器、存儲(chǔ)器（和輸入輸出設(shè)備）幾個(gè)部分，計(jì)算模塊和存儲(chǔ)單元是分離的，CPU在執(zhí)行命令時(shí)必須先從存儲(chǔ)單元中讀取數(shù)據(jù)。

舉個(gè)例子，每一項(xiàng)任務(wù)，如果有10個(gè)步驟，那么CPU會(huì)依次進(jìn)行10次讀取、執(zhí)行、再讀取、再執(zhí)行…這就造成了延時(shí)，以及大量功耗（80%）花費(fèi)在了數(shù)據(jù)讀取上。當(dāng)然，多核、多CPU或一些常用數(shù)據(jù)的就地存儲(chǔ)會(huì)一定程度上緩解這些問題，但這種中心處理的架構(gòu)必然是處理能力提升的一大瓶頸。

因此目前許多人工智能芯片正在嘗試突破馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)善于靈活滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特定處理器。

2、信息物理融合系統(tǒng)是一個(gè)反應(yīng)式自適應(yīng)系統(tǒng)，可以動(dòng)態(tài)修改自身行為和結(jié)構(gòu)，以響應(yīng)變化與環(huán)境，持續(xù)不斷的進(jìn)行從輸入到輸出的交互，應(yīng)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)性和不確定性因素的持續(xù)增長(zhǎng)。

例如，汽車的巡航控制程序就是一個(gè)經(jīng)典的反應(yīng)式計(jì)算實(shí)例，其中的物理設(shè)備要求對(duì)物理量進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，并要求系統(tǒng)能夠持續(xù)的自適應(yīng)演化以應(yīng)對(duì)環(huán)境中的不確定性。傳統(tǒng)的控制理論只關(guān)注連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，而在CPS信息物理系統(tǒng)中組成控制系統(tǒng)的軟件是看似零散的，由可并發(fā)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，它們可能有多種運(yùn)行時(shí)模型，并且能夠與連續(xù)演化的實(shí)際物理設(shè)備進(jìn)行交互。

在現(xiàn)有的研究工作中，基于多智能體和基于模型的自適應(yīng)是廣泛使用的方法。

多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）是由環(huán)境中交互的多個(gè)智能體組成的計(jì)算系統(tǒng)，它是分布式人工智能的一個(gè)重要分支，目標(biāo)是將大而復(fù)雜的系統(tǒng)建設(shè)成小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的，易于管理的系統(tǒng)。

基于運(yùn)行時(shí)模型（models@run.time）的自適應(yīng)方法將模型驅(qū)動(dòng)工程MDE技術(shù)的應(yīng)用從設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)展到運(yùn)行時(shí)，利用軟件模型對(duì)運(yùn)行時(shí)豐富和不確定的信息進(jìn)行管理，以支持自適應(yīng)能力的實(shí)現(xiàn)。

上面這些術(shù)語是不是有些燒腦，我盡量通過鮮活的例子依次進(jìn)行說明。

基于多智能體的自適應(yīng)系統(tǒng)

還記得我曾經(jīng)提到過的那個(gè)“不務(wù)正業(yè)”的公司Festo嗎？最近幾年，F(xiàn)esto總是在德國(guó)漢諾威展會(huì)上“搞事情”，接連推出一系列仿生學(xué)產(chǎn)品，例如：機(jī)器鳥、機(jī)器章魚、機(jī)器昆蟲、機(jī)器大水母之類。而且這些動(dòng)物機(jī)器人“家族”的成員不斷壯大，大有成群結(jié)隊(duì)的趨勢(shì)，比如一群可以協(xié)同工作的機(jī)器螞蟻，以及一批具有昆蟲輕盈性的蝴蝶機(jī)器人。

Festo在一份說明中寫道：“這些仿生機(jī)器人在明確的規(guī)則下一起工作，它們彼此溝通，協(xié)調(diào)行為和動(dòng)作，每個(gè)機(jī)器螞蟻雖然自主決策，但總是服從于共同目標(biāo)，就像自然界的螞蟻一樣。”

這些“動(dòng)物”的控制與執(zhí)行單元，都搭載了最新一代的數(shù)字式氣動(dòng)運(yùn)控終端。每個(gè)機(jī)器動(dòng)物都包含n個(gè)關(guān)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)n個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)都包括氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪模組、絕對(duì)值編碼器、壓力傳感器、可調(diào)節(jié)軸承等元件。面對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的動(dòng)作，其動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)僅是一套數(shù)字式氣動(dòng)運(yùn)控終端。

內(nèi)行一眼就可以看出，這款產(chǎn)品堪稱革命性的氣動(dòng)運(yùn)控代表，它通過數(shù)字化將連接到各類氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力控制硬件減少、減少、再減少…最終徹底減少到只剩一種。

看“熱鬧”的圍觀群眾估計(jì)會(huì)認(rèn)為它們只是一堆外形奇特的氣動(dòng)“大玩具”，概念和炫技的成分超出了產(chǎn)品本身的實(shí)用價(jià)值，其實(shí)隱藏在這些具有群體智能的仿生機(jī)器人背后的“統(tǒng)帥”就是多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）。

在上周的文章中，我曾經(jīng)提到第2代CPS中包含兩個(gè)交織的計(jì)算周期：

1. 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)

2. 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)

MAS中借鑒了上述兩個(gè)計(jì)算周期的思路，并且將智能工廠中的最底層“車間現(xiàn)場(chǎng)層”分為多類智能體，比如加工智能體（M）代表工廠中執(zhí)行加工或檢測(cè)任務(wù)的機(jī)器，傳輸智能體（C）代表傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引車AGV等運(yùn)輸設(shè)備，產(chǎn)品智能體（P）代表正在加工中的產(chǎn)品，緩沖智能體（S）代表臨時(shí)儲(chǔ)存半成品的銜接設(shè)備…在MAS中，設(shè)計(jì)與定義了這些智能體之間的協(xié)作與談判機(jī)制。

通過合作，這些智能體嘗試自適應(yīng)的調(diào)整行為，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體目標(biāo)。由于受到本地信息不對(duì)稱的限制，單個(gè)智能體做出的決策有可能無法保證系統(tǒng)整體的性能最佳，這時(shí)預(yù)先定義的“協(xié)調(diào)員”（Coordinator）模塊就會(huì)發(fā)揮作用。

協(xié)調(diào)員與多個(gè)智能體通訊，掌握多種狀態(tài)和過程信息，從大量的實(shí)時(shí)信息中提取智能工廠的全局狀態(tài)，并將通過大數(shù)據(jù)分析之后的決策反饋給各個(gè)智能體，協(xié)調(diào)多智能體系統(tǒng)的行為，達(dá)到全局最優(yōu)化。

用于智能制造的多智能體系統(tǒng)

由于MAS既需要確保智能體之間的通訊，還需要確保物理設(shè)備之間的實(shí)時(shí)互聯(lián)，因此IEC 61131-3和IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)是必不可少的底層支持。其中，IEC 61131-3是IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)的第3部分，用于規(guī)范可編程邏輯控制器PLC、過程控制系統(tǒng)DCS、工控機(jī)IPC、數(shù)控機(jī)床CNC和SCADA編程系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)；IEC 61499是用于分布式工業(yè)過程測(cè)量與控制系統(tǒng)功能塊的標(biāo)準(zhǔn)。

多智能體系統(tǒng)與IEC 61131-3結(jié)合使用

作為最新趨勢(shì)，多智能體系統(tǒng)MAS正在朝著自組織的方向邁進(jìn)，同時(shí)由于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA（service-oriented architecture）是構(gòu)造分布式計(jì)算應(yīng)用程序的方法，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)CPS智能工廠和智能生產(chǎn)的最佳技術(shù)途徑，SOA與MAS的融合也成為發(fā)展方向之一。構(gòu)建面向服務(wù)的多智能體系統(tǒng)（SOMAS），不僅服務(wù)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，而且分布式多智能體自動(dòng)滿足SOA原則。

CPS中的自組織多智能體系統(tǒng)

基于運(yùn)行時(shí)模型的自適應(yīng)系統(tǒng)

普適計(jì)算的興起促使數(shù)字世界與物理世界進(jìn)一步融合，整個(gè)系統(tǒng)尤其是軟件部分的自適應(yīng)能力愈發(fā)重要。具備自適應(yīng)能力的軟件系統(tǒng)能夠在運(yùn)行時(shí)根據(jù)上下文環(huán)境和需求的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為。

自適應(yīng)軟件通常包括被管理元素和管理元素兩個(gè)部分，其中，被管理元素是指自適應(yīng)軟件的應(yīng)用邏輯，這部分可以在運(yùn)行過程中被動(dòng)態(tài)地加以調(diào)整；管理元素是指自適應(yīng)軟件的自適應(yīng)邏輯，這部分通常通過反饋回路對(duì)應(yīng)用邏輯進(jìn)行調(diào)控。一種典型的反饋回路是由IBM提出的MAPE-K回路。該反饋回路包括4個(gè)環(huán)節(jié)，即監(jiān)測(cè)、分析、規(guī)劃和執(zhí)行，以及一個(gè)被各過程共享的知識(shí)庫(kù)。

IBM提出的自治元素參考結(jié)構(gòu)

在基于模型的自適應(yīng)方法中，MAPE-K回路中的各過程都以模型為中心進(jìn)行。由于利用軟件模型來開發(fā)和管理自適應(yīng)軟件系統(tǒng)能夠有效地解決運(yùn)行時(shí)的復(fù)雜性問題，有觀點(diǎn)認(rèn)為模型驅(qū)動(dòng)工程（Model DrivenEngineering，MDE）將成為CPS開發(fā)的主流，是一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域，基于運(yùn)行時(shí)計(jì)算模型（models@run.time）的自適應(yīng)方法利用并擴(kuò)展了模型驅(qū)動(dòng)工程MDE中的模型和技術(shù)。

基于模型驅(qū)動(dòng)工程MDE的CPS開發(fā)流程

這里所說的一個(gè)模型，是一個(gè)與系統(tǒng)有因果聯(lián)系的系統(tǒng)的抽象表示，從問題空間的角度對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為或需求進(jìn)行了刻畫，下面視頻中的路燈控制系統(tǒng)就是基于MDE的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例。

基于運(yùn)行時(shí)計(jì)算模型（models@run.time）的自適應(yīng)方法對(duì)傳統(tǒng)的模型驅(qū)動(dòng)工程中的模型進(jìn)行了擴(kuò)展，將模型的應(yīng)用從設(shè)計(jì)階段擴(kuò)展到運(yùn)行階段。與模型驅(qū)動(dòng)工程中的模型類似，運(yùn)行時(shí)模型也是與系統(tǒng)有因果聯(lián)系的系統(tǒng)的抽象表示，刻畫了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為或者目標(biāo)。因?yàn)檫@樣的因果聯(lián)系，模型可以提供及時(shí)和明確的信息以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的自適應(yīng)分析和規(guī)劃，在模型層次做出的自適應(yīng)規(guī)劃也可以被追蹤到系統(tǒng)中。

Model@run.time機(jī)理

與模型驅(qū)動(dòng)工程MDE中的模型從解決方案空間出發(fā)不同，運(yùn)行時(shí)模型（models@run.time）從問題空間的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行刻畫。該模型可以被視為一個(gè)在運(yùn)行時(shí)仍然活動(dòng)的開發(fā)模型，通常支持動(dòng)態(tài)演化、在線推理、動(dòng)態(tài)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)行為觀察、制品的自動(dòng)生成、設(shè)計(jì)決策的新增等。

新舊系統(tǒng)的逐步遷移是必須考慮的一環(huán)

作為落地實(shí)踐中的重要步驟，如果不考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的遷移問題，就無法將上述提及的MAS、SOMAS、MDE、models@run.time等范例滲透到現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)環(huán)境當(dāng)中。

目前的絕大多數(shù)系統(tǒng)遵循ISA 95企業(yè)參考架構(gòu)規(guī)范（www.isa95.org）進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在不遠(yuǎn)的將來，傳統(tǒng)的金字塔架構(gòu)將成為歷史。更高的連接性和更強(qiáng)的靈活性需求，正在觸發(fā)金字塔架構(gòu)向平展化的趨勢(shì)演進(jìn)。

這種從傳統(tǒng)的分層管理到扁平化分布式控制的遷移過程充滿諸多挑戰(zhàn)，一方面服務(wù)提供商和服務(wù)消費(fèi)者的角色會(huì)有一定程度的交替，另一方面需要打破過去由企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)造成的人為邊界。

歐洲創(chuàng)新項(xiàng)目IMC-AESOP中，充分利用了SOA和云平臺(tái)等現(xiàn)代架構(gòu)來提升企業(yè)的運(yùn)營(yíng)能力，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的遷移問題進(jìn)行了有益的探索。

IMC-AESOP兼顧ISA 95中金字塔架構(gòu)中的各種元素，同時(shí)將其與扁平化的現(xiàn)代系統(tǒng)趨勢(shì)相輔相成，通過工程實(shí)踐增強(qiáng)兩者之間的可集成性。IMC-AESOP將ISA 95規(guī)范中的功能拆解為可以在邊緣側(cè)或者云端提供的服務(wù)模塊。最終用戶可以輕松的將特定場(chǎng)景所需的功能和服務(wù)進(jìn)行搭配，免除了ISA 95各個(gè)層級(jí)中系統(tǒng)集成的困擾。

IMC-AESOP項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)CPS的系統(tǒng)遷移視圖

如圖所示，IMC-AESOP提出了一種面向服務(wù)的架構(gòu)，通過將流程服務(wù)化，業(yè)務(wù)軟件云化，更好的滿足最終用戶的應(yīng)用需求，同時(shí)保留了傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、操作、管理等方面的各種有益特性，快速部署和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代快節(jié)奏的工業(yè)環(huán)境下所需的創(chuàng)新應(yīng)用。此外，模塊化和基于服務(wù)的基礎(chǔ)架構(gòu)充分考慮了靈活性的需求，可以隨時(shí)間推移逐步演變，以便適應(yīng)未來的潛在需求。

目前，在CPC信息物理計(jì)算領(lǐng)域，科研和應(yīng)用的彼此結(jié)合越來越緊密，與IMC-AESOP相仿的創(chuàng)新項(xiàng)目還有許多，它們各自在SOA、MAS、自適應(yīng)生產(chǎn)管理、models@run.time等領(lǐng)域進(jìn)行著持續(xù)的嘗試。

本文所述的研究工作大多圍繞打造系統(tǒng)的自適應(yīng)能力開展，因?yàn)樵诔錆M非確定性的現(xiàn)實(shí)世界，自適應(yīng)能力是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分自治，完成自主響應(yīng)，滿足業(yè)務(wù)環(huán)境靈活性與多變性的必備手段。無論是CPS還是CPC，都需要來自跨越產(chǎn)、學(xué)、研、用等多個(gè)領(lǐng)域，跨越電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等多種學(xué)科的企業(yè)與資源互相合作，才能取得學(xué)術(shù)突破以及實(shí)踐反哺。希望本文能為你揭開物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)核心新技術(shù)的一葉視角。

最后，由衷感謝阿里智聯(lián)網(wǎng)首席科學(xué)家丁險(xiǎn)峰在成文過程中對(duì)我的大力支持。

本文小結(jié)：

1.信息物理計(jì)算（CPC，Cyber-PhysicalComputing）是CPS背后一項(xiàng)重要的使能技術(shù)，它是一系列計(jì)算技術(shù)的統(tǒng)稱，共性是基于非確定性的動(dòng)態(tài)計(jì)算。

2.由于CPS系統(tǒng)的復(fù)雜性快速顯著提升，對(duì)于大量復(fù)雜計(jì)算的實(shí)時(shí)性、面對(duì)非確定性以及環(huán)境變化多端時(shí)的自適應(yīng)性，都提出了更高的要求，多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）和基于運(yùn)行時(shí)模型（models@run.time）的自適應(yīng)計(jì)算是CPC的重要分支。

3.作為落地實(shí)踐中的重要步驟，新舊系統(tǒng)的逐步遷移是必須考慮的一環(huán)，面向服務(wù)的架構(gòu)兼顧ISA 95中金字塔架構(gòu)中的各種元素，同時(shí)將其與扁平化的現(xiàn)代系統(tǒng)趨勢(shì)相輔相成，最終用戶可以輕松的將特定場(chǎng)景所需的功能和服務(wù)進(jìn)行搭配，免除了ISA 95各個(gè)層級(jí)中系統(tǒng)集成的困擾。

參考文獻(xiàn)：

【1】Towards Smart Factory for Industry 4.0: A Self-organized Multi-agentSystem with Big Data Based Feedback and Coordination

【2】Self-adaptation for Internet of Things applications

【3】Patterns for Self-Adaptation in Cyber-PhysicalSystems

【4】A Comprehensive Technological Survey onDependable Self-Managing CPS:The Decade ofResearches on Correctness and Dependability

【5】Industrial automation based on cyber-physical systemstechnologies:Prototype implementations and challenges

【6】A review of design principles for smart cyber-physicalsystems forrun-time adaptation:Learned lessons and open issues

【7】Order beyond chaos: introducing the notion of generation tocharacterize the continuously evolving implementation of cyber-physical systems

【8】A Methodology Based on Model-Driven Engineering for IoT ApplicationDevelopment

【9】Runtime model based approach to IoT application development

【10】Cyber Physical Computing for IoT-driven Services

【11】MDE4IoT-Supporting the Internet of Things with Model-DrivenEngineering

【12】Beyond Discrete Modeling-Continuous and Efficient Models@Run.timefor IoT

【13】Model-driven Development of Adaptive IoT Systems

【14】Runtime Model Based Approach to Smart Home System Development

【15】Facilitating Modeling and Simulationof Complex SystemsThroughInteroperable Software

看懂CPS，才能真正撬動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的萬億級(jí)市場(chǎng)

作者：物女王（彭昭）

物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù) 原創(chuàng)

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導(dǎo) 讀

在本文中，我將嘗試探討以下問題：

為什么看懂CPS對(duì)于理解物聯(lián)網(wǎng)的未來尤為重要？

CPS描繪了怎樣的未來藍(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？

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。

也就是說，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是技術(shù)，它還帶來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)以前所未有的角度認(rèn)知物理世界、前所未有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首次提出，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。因此在本文中，我將嘗試探討以下問題：

為什么看懂CPS對(duì)于理解物聯(lián)網(wǎng)的未來尤為重要？

CPS描繪了怎樣的未來藍(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），給人的第一印象是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最好的解釋是，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在無辜生命和有價(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)降到最低。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)娇刂浦行模刂浦噶钜材軌驅(qū)崟r(shí)地傳遞到無人機(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；還有在襲擊過程中造成房屋邊上的小女孩傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

控制（control）：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。

在這個(gè)實(shí)例的決策過程中，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。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。

過去我們解決已知和可見問題的前提假設(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再通過原來的手段將各個(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)過程中，工業(yè)4.0的核心是第2代CPS。

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，這些不確定性來自于環(huán)境和任務(wù)，也來自于系統(tǒng)本身，因此便有了CPS的如下演進(jìn)路徑。

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)到最優(yōu)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。

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將在最佳模式下運(yùn)行。控制模式和推理算法在設(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)。

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)耐评怼Ｗ哉J(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。

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程。目前對(duì)于第4代CPS，尚無法給出明確的界定。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：

1. 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)

2. 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，通過深度學(xué)習(xí)得出來的推理模型對(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)萬變。

至此，通過對(duì)于CPS的四個(gè)世代和兩個(gè)周期的說明，輔以兩張圖片，我將關(guān)于CPS的最新進(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。

最后，由衷感謝阿里智聯(lián)網(wǎng)首席科學(xué)家丁險(xiǎn)峰在成文過程中對(duì)我的大力支持。

本文小結(jié)：

1.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)從前所未有的角度認(rèn)知物理世界、改造物理世界。

2.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。

3.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。

參考資料：

《CPS新一代工業(yè)智能》

A review of design principles for smartcyber-physical systems for run-time adaptation: Learned lessons and open issues

Order beyond chaos: introducing the notionof generation to characterize the continuously evolving implementation ofcyber-physical systems