CPS技术及其起源探析

CPS 是信息物理系统（Cyber Physical System）的缩写，是工业4.0 的核心。在2015 年7 月13 日《人民邮电报》的《信息物理系统：智能制造“炼金术”》一文中，将CPS 定义为一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，以及人机交互接口实现和物理进程的交互，使信息空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。在制造业中，通过CPS 系统，将智能机器、存储系统和生产设施融入整个生产系统中，并使人、机、料等能够相互独立地自动交换信息、触发动作和自主控制，实现一种智能的、高效的、高质的、个性化的生产方式，推动制造业向智能化转型。

美国国家航天航空局在1992 年就提出了CPS 技术，其核心为Computation（计算）、Communication（通信）、Control（控制），即3C。何积丰院士认为CPS 就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或控制一个物理实体。CPS 源于美国，却因德国工业4.0 而风靡全球。CPS 在我国也得到高度重视，在《中国制造2025》中明确强调：“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”，CPS 已经成为智能制造的核心支撑技术与重要抓手。

简单来讲，CPS 就是将让整个世界互联起来，如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS 将会改变人们与物理世界的互动。CPS 构建了物理空间（Physical）与信息空间（Cyber）中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，这套系统能够将物理空间的各种“隐性数据”（尺寸、温度、气味等）不断采集传输到信息空间变成“显性数据”，在信息空间对数据进行分析理解然后转换成有价值的“信息”，并计算出在一定目标约束下及一定范围内的最优解，形成对外部环境理解的“知识”储备，同时将这个最优解以物理空间和物理实体能够接收的形式“优化数据”作用到物理空间。

CPS 的智能化实现逻辑大致分为4 个阶段,第一阶段是“状态感知”，CPS 对系统环境信息的自主感知；第二阶段是“实时分析”，在通过传感器网络获得感知信息后, CPS 对获取到的信息进行适当处理,例如剔除无用的信息,对信息进行分类等；第三阶段是“科学决策”，在建立数据库的基础上,对CPS 进行整体系统的建模,完成认知任务；第四阶段是“精准执行”，通过整体模型与数据库,实现最终决策与系统控制。(www.xing528.com)

CPS 的本质是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

最早的CPS 的科学研究和应用开发的重点放在医疗领域,利用CPS 技术在交互式医疗的器械、高可靠医疗、治疗过程建模及场景仿真、无差错医疗过程和易接入性医疗系统等方面进行改善,同时开始建立政府公共的医疗数据库用于研发和管理,实现医疗系统在设计、控制、医疗过程、人机交互和结果管理等方面的技术突破。随后，CPS 技术又运用到能源、交通、市政管理和制造等各个领域。