在多個產業環節，原有的通用性芯片的發展思路顯然不能滿足萬物互聯的需求，因此，針對不同場景研發不同垂直領域的芯片成為一種新的“解題方式”，所以你會看到越來越多的IoT公司正在自行研發算法更優化、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、自動駕駛汽車等特定場景的需求。

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也就是說，物聯網已經不僅僅是技術，它還帶來了方法論層面的變革;更進一步，它還是一種新的思維方式，讓我們有機會以***的角度認知物理世界、***的方式改造物理世界。

如果你把物聯網作為新技術，可以開發一些創新硬件和方案，撬動百億級的市場;如果你把物聯網作為方法論，可以用它變革傳統行業與流程，撬動千億級的市場;如果你把物聯網作為思維方式，有可能改變整個物理世界的互聯方式，撬動的是不止萬億級的市場。

為了以正宗的姿勢理解物聯網這種全新的思維方式，有一個術語不得不提：CPS(Cyber-Physical Systems)，中文翻譯為“信息物理系統”。

CPS這個名詞在2006年由美國國家科學基金會NSF***提出，并在消費電子、能源、工業、公共事業、醫療健康等領域開展了對于CPS的應用探索，隨后美國將其作為搶占全球新一輪產業競爭制高點的“種子選手”。

2013年，德國《工業4.0實施建議》將CPS作為工業4.0的核心技術，在隨后則重點推進以制造為導向的CPS，即CPPS(Cyber Physical Production System)。

凡事有利有弊，工業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注，另一方面也讓部分人錯誤的認為CPS僅僅局限于工業領域，或許對于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對于理解物聯網的未來尤為重要?
• CPS描繪了怎樣的未來藍圖?
• CPS為我們更深的認知和改造物理世界，提供了哪些思路?

CPS的精髓在于數字世界

不可否認的事實是，CPS的內涵和外延一直都在持續變化，至今尚未形成統一的定義。

拆解CPS這個名詞，其中既包含Cyber(數字世界)，又包含Physical(物理世界)，給人的***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”，未免過于狹隘和短視。

英文Physical不僅是“物理”的意思，更代表蘊含在物理實體背后的客觀規律。美國國家科學基金會NSF對于CPS的解釋是，按照自然規則或者人為規則運行的系統，物理模型只是承載這些規則的手段之一，其它的手段還包括周邊環境、相關要素、機器社群等。

目前我看到的對于CPS***的解釋是，CPS著眼于將物理設備聯網，也就是將設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等5大功能。

CPS本質上是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別于現有的控制系統。CPS的3個核心元素包括通信(communication)、計算(computation)和控制(control)，值得注意的是，CPS把“通信”放在與“計算”和“控制”同等的地位上，因為在CPS強調的分布式應用系統中，物理設備集群之間的協調是離不開通信的。

CPS對網絡內部設備的控制精度、遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是在網絡規模上，可以說吊打現有的各種網絡。

在美國辛辛那提大學李杰教授所著的新書《CPS新一代工業智能》中，曾經提到在電影《天空之眼》中的一個鮮活故事，讓我們可以在一定程度上直觀的感受到CPS的內涵。

《天空之眼》是一部以無人機反恐打擊為角度切入的戰爭片。電影中，遠程駕駛的無人機原本只需要執行空中監視任務，卻在發現恐怖分子即將進行恐怖活動后，改為對其進行定點清除任務。因為襲擊目標房屋的旁邊有個小女孩，執行任務過程中很有可能會造成小女孩的傷亡。劇情的沖突點在于，經過計算，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任務之間徘徊、爭執、選擇。

在電影的一個場景中，指揮中心里的分析人員不斷尋找目標房屋的射擊點，以便在擊殺恐怖分子的同時使小女孩被誤傷的風險降到***。這個微妙決策的誕生，其基礎即為對狀態和活動的精確評估及預測，涵蓋了CPS的3個核心元素：

• 通信(communication)：無人機將地面的數據和自身的狀態不間斷地傳輸到控制中心，而控制指令也能夠實時地傳遞到無人機上。
• 計算(computation)：這里的計算有非常明確的目的性，首先是完成任務的能力，即選擇不同的瞄準點對襲擊目標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險。
• 控制(control)：無人機的指揮中心設置在距離襲擊目標數千英里的亞利桑那州，操作手能夠通過實時控制系統RCS實現飛行員對飛機的一切真實操作。

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在這個實例的決策過程中，對目標要求的完成程度和達成目標所要付出的代價，這兩者之間的精確預測和權衡是計算的內容和目的。決策不是最終目的，對決策造成的影響進行精確化的評估和管理才是目的。

CPS將整個物理世界的規則進行建模、預測、優化和管理，CPS不僅是“橋梁”、“總線”，或者“系統”，它的精髓在于對數字世界的營造。

CPS更為本質的意義在于，它或將成為物聯網互聯與改造整個物理世界的一項底層思維基礎。如同互聯網改變了人與人、人與數字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯網將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。

CPS的4個發展世代

CPS其實并不復雜，縱覽關于CPS的多篇文獻，看懂CPS，只需讀懂兩張架構圖。

過去我們解決已知和可見問題的前提假設是，物理世界的變化規律是確定的，這些規律可以被認知和被模擬。前幾次產業革命都是基于這種認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律，一次次突破了生產力的發展瓶頸，一次次將人類的生產力帶上一個新的臺階。

但是這一次，當我們試圖再通過原來的手段將各個產業帶入新的階段時，發現不是單純提升生產力的問題那么簡單，人類對自身的認知以有了合理的“回落”，即：如果不能正視真實世界的非確定性，將很難取得突破。面對充滿不確定性的多變世界，原有的計算基礎和思維方式將會受到挑戰。為了應對真實世界的不確定性，就要從根本上改變系統設計的理念和方法，而不僅僅是簡單改造外界，如提升設備性能。

從發展階段上來看，根據智能化和自組織的等級，CPS分為四代。目前我們正在從第1代向第2、3代的演進過程中，工業4.0的核心是第2代CPS。

1. 第0代CPS：封閉物理系統和流程

目前存在于各種產業中的自動化系統屬于此類，第0代CPS具有感知、控制、執行和反饋的閉環，通常是由預先定義的邏輯或者規則進行控制的封閉系統，不能對各種不確定性以及多變的環境及任務產生響應。

第0代CPS更加側重功能性的設計，解決的是已知或者可見的問題，系統以預期和實際之間的差異作為負反饋控制的依據。但是在真實世界中，環境和目標都有很大的未知和不確定性，這些不確定性來自于環境和任務，也來自于系統本身，因此便有了CPS的如下演進路徑。

2. 第1代CPS：自調節與自校正

在第1代CPS中，系統架構和默認的操作方式在方案設計階段被定義和確定，在整個系統的生命周期中不會發生變化。第1代CPS具有控制功能，并且可以將參數調節到***水平。在系統發生故障，或者周邊環境產生變化的情況下，需要人為進行干預和調整。

系統可以應對軟件或者網絡的一些非確定性，比如通信和計算中的時鐘抖動，網絡中的丟包，資源的調用與沖突。然而第1代CPS并非自適應系統，不能對非確定性做出相應地預測。

實例：數控機床。

3. 第2代CPS：自感知與自適應

第2代CPS可以應對已知模式的變化，系統在設計時考慮了多個可替代的控制模式，在運行時CPS將在***模式下運行。控制模式和推理算法在設計階段進行預定義，在整個系統的生命周期內不會發生變化。來自系統和環境的感知數據，用于CPS在不同操作模式中進行切換。

此處CPS系統的自感知并不等同于人類心理學層面的自我感知，CPS的自感知對應人腦中的初級思維功能，包括對當前狀態的評估，設備與環境、設備與任務之間的關聯關系識別，不同情境對系統影響的判斷，特定場景中的操作理解，以及上下文語義識別。

CPS的自感知構成了一種本地化的“系統世界觀”，這種自感知的強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。

實例：運作在多模式下的飛行控制系統。

4. 第3代CPS：自認知與自進化

對于準已知的變化，第3代CPS可以應對，它是一個可以自我成長的智能體，其價值和能力會隨著使用的不斷積累而增強。具備自學習能力的CPS可以在預定義的范圍內，根據實際約束條件進行自組織與自調整。

相比自感知，自認知是一種更高級的認知模式，需要結合各種經驗和知識，對陌生的情況做出適當的推理。自認知在部件級、單機級、系統級等不同應用層面上有著不同的方式和目的。從自感知到自認知，反應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展。自感知使得CPS在特定情況下可以針對物理世界建立有效的模型，自認知使得CPS可以從多個不同角度建立物理世界的多種模型。自認知本身具有一定的不確定性，不同的情景和上下文語境，有可能讓系統從不同角度提出多種模型。

自進化表現為CPS從一個穩定狀態，發展到一個新的穩定狀態的能力，以便響應需求、任務、目標和環境的變化。目前在設計階段，充分預測各種運行場景和功能變得越來越困難，因此讓CPS具有自進化的能力變得非常迫切，當前的各種系統還遠未達到被期待的自進化水平。

示例：自學習機器人。

5. 第4代CPS：自我意識和自我復制

第4代CPS可以應對未知變化，人不再必須參與控制過程。目前對于第4代CPS，尚無法給出明確的界定。全面的實現系統智能，包括機器感知、情景感知、機器學習、自主認知等能力，被認為是第3代和第4代CPS的主要區別。

對于什么是智能，什么是系統智能，智能水平如何評級，不同的機構與組織之間存在頗多爭論，也可能本不存在確定答案。

CPS中兩個交織的計算周期

當下物聯網方案普遍處于向第2代CPS邁進的階段，在這里形成了兩個交織的計算周期：

• 基本周期：包括從傳感à監控à決策à推理à計劃à執行à效用的閉環
• 增強周期：包括從推理à學習à適應à進化的閉環

在基本周期中，物理世界被提煉為數字模型，各個模型基于“設備畫像”或者“物模型”進行提煉。設備畫像形成了一種設備維度的標準數據，可以進一步分析不同場景中使用的配置，做到知識的復用。

企業通過設備畫像和物模型的管理，不斷從設備物聯數據獲取想要的信息，幫助提升業務精準度。它可以幫助企業實現數據資產的沉淀，打造數據驅動業務的能力，精準預測和構建設備的特征庫。

在基本周期中，經由模型驅動，以萬變應不變。

在增強周期中，考慮到真實世界的不確定性和多變性，通過深度學習得出來的推理模型對基本模型進行自適應調整，由此形成了具有非確定性特征的CPS。經由賦予CPS一定的自由度，以增強其適應不同任務、環境和場景的能力。

CPS的智能性很大程度上取決于推理機制，由其感知和預測環境的變化及不確定性，并對自身狀態的變化和風險性因素進行評估和預測。

在增強周期中，經由規則驅動，以不變應萬變。

至此，通過對于CPS的四個世代和兩個周期的說明，輔以兩張圖片，我將關于CPS的***進展呈現在了你的面前。

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網的未來發展之路。把“通信”、“計算”和“控制”置于同等地位的CPS，值得花時間細細琢磨，掌握了它，將讓我們更好的認知和“駕馭”充滿不確定性的真實物理世界，它或許還將改變我們與物理世界的相處方式。

***，由衷感謝阿里智聯網***科學家丁險峰在成文過程中對我的大力支持。

本文小結：

• 物聯網，既是技術又不完全是技術，它更像是一種方法論、一種思維方式，讓我們有機會從***的角度認知物理世界、改造物理世界。
• CPS著眼于將物理設備聯網，也就是將設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等5大功能。
• CPS的本質意義在于，它是物聯網互聯與改造整個物理世界的底層思維基礎。如同互聯網改變了人與人、人與數字世界之間的互動一樣，以CPS為核心思維的物聯網將改變人與物、物與物，乃至物理世界與數字世界的互動方式。