本文在工信部最近新發布的《信息物理系統白皮書（2017）》對CPS 三個層次劃分的基礎上，提出了CPS的二維度劃分，并衍生出九種CPS落地方式。
CPS（Cyber－Physical Systems，常見的中文翻譯是信息物理系統）源于美國，卻因為德國工業4.0而風靡全球，并成為工業4．0的核心技術。在我國，CPS也得到高度重視，在《中國制造2025》中明確強調：“基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革”，CPS已經成為智能制造的核心支撐技術。
▲CPS系統
近日，隨著由工信部信軟司指導、“中國信息物理系統發展論壇”編寫的《信息物理系統白皮書（2017）》（以下簡稱“白皮書”）的發布，以及由“走向智能研究院”等單位舉辦的“CPS信息物理系統專家宣講團萬人微信在線分享活動”的開展，將CPS再次推向了智能制造領域的浪尖。
白皮書對CPS的內涵、架構、實現等進行了系統的闡述，并對CPS進行了三個層次的劃分，即單元級、系統級、SOS級（系統之系統），分別以“網”、“平臺”為標準，從功能范圍上界定了CPS的分級，這對規范大家的認識，推動CPS發展具有非常重要的意義。
但筆者經過深入研究后認為，這種劃分只是從橫向上進行了一維的定義，在指導落地方面尚顯不足，還應該從其他維度進行定義與劃分，通過多維度定義、組合、演進，形成更多落地性強的解決方案，從而更好地指導、促進智能制造的發展。
下面，筆者期望通過自己的一些觀點，起到拋磚引玉的作用，激發大家對CPS的探索，更好地促進CPS的落地與發展。由于CPS在國內外尚處于一個探索階段，不足之處，敬請各位專家批評指正。
1．三個層次清晰揭示CPS演進方向
白皮書將CPS分為三個層次，分別是單元級、系統級、SOS級，通過三個層次的劃分，可以清晰地看出CPS的演進發展方向。這種劃分方法其實與美國、德國等國家的相關定義基本是一致的。
1．1中國白皮書
▲白皮書對CPS三個層次的劃分
白皮書對這三級CPS的定義如下：
單元級CPS：單元級CPS具有不可分割性，其內部不能分割出更小CPS單元。單元級CPS能夠通過物理硬件（如傳動軸承、機械臂、電機等）、自身嵌入式軟件系統及通信模塊，構成含有“感知－分析－決策－執行”數據自動流動基本的閉環，實現在設備工作能力范圍內的資源優化配置。
系統級CPS： 在單元級CPS的基礎上，通過網絡的引入，可以實現系統級CPS的協同調配。在這一層次上，多個單元級CPS及非CPS單元設備的集成構成系統級CPS。
SoS級CPS：在系統級CPS的基礎上，可以通過構建CPS智能服務平臺，實現系統級CPS之間的協同優化。在這一層次上，多個系統級CPS構成了SoS級CPS，如多條產線或多個工廠之間的協作，以實現產品生命周期全流程及企業全系統的整合。
白皮書分別以“網”、“平臺”為標準，將CPS劃分為三級。
1．2美國NIST
美國國家標準與技術研究院（NIST）于2016年5月發布了《信息物理系統框架》就是典型的三個層次。分別是人機協同下的設備級、系統級、SOS級，與中國白皮書幾乎是完全一致，或者是說中國白皮書參考了該模型。
1．3德國達姆施塔特技術大學
德國達姆施塔特技術大學（Technische Universit?t Darmstadt）Reiner Anderl教授給出了如下的劃分：
分別是在嵌入式系統與智能傳感器等基礎上形成智能系統（包含智能傳感器與執行器）、CPS系統及CPPS系統（賽博物理生產系統，也是一種典型的SoS）。
從中美德三國對CPS演進的劃分來看，中國白皮書劃分最為清晰（以“網”、“平臺”作為劃分標志），美國NIST的最為經典，并且突出了“人”的作用，而德國的演進路徑突出了德國最擅長的嵌入式技術、制造技術等特點。
通過這些劃分，我們可以很清晰地看到CPS由簡單到復雜、由低級到高級的演進路徑。
2．一維只能界定屬性，二維才能更利于CPS落地
但筆者認為，這種橫向一維的劃分只是對系統屬性進行界定，對指導CPS如何落地尚顯不足，如果加上縱向的智能程度屬性，形成二維的定義將更有利于對CPS的理解，并可更好地促進CPS的落地。
2．1 智能系統的三個層級
在筆者共同編著的《三體智能革命》一書中，我們將人造系統的智能根據“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”的5大特征（簡稱“20字箴言”）劃分了三個縱向的層級，分別是：
初級智能系統：具備狀態感知、自動決策、即刻執行，即有感知、自決策、善動作的系統。這類系統由工業裝置自身即可實現。
恒定智能系統：具備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行的四個特征，在初級智能的基礎上強調了系統的分析與決策能力。
開放智能系統：具備智能的5個全部特征，狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升。系統具有一定的認知能力，并具備了自我改善、學習提升的持續發展能力。
這三類智能可用下面的圖示表示。
2．2 “二維九格”衍生九種CPS落地方案
通過橫向的三個智能層級與縱向的三個屬性層級，我們可衍生出9種CPS落地方案。下面，我們逐一進行簡述。
單元級 | 系統級 | SoS級 | |
初級智能 | 初級智能／單元級 | 初級智能／系統級 | 初級智能／SoS級 |
恒定智能 | 恒定智能／單元級 | 恒定智能／系統級 | 恒定智能／SoS級 |
開放智能 | 開放智能／單元級 | 開放智能／系統級 | 開放智能／SoS級 |
根據以上劃分，共有三組單元級的CPS，他們的特點是最小的CPS單元，具有不可分割性。
初級智能／單元級：如冰箱恒溫裝置。該裝置可感知溫度，在溫度超出一定范圍后，能自動決策，即刻啟停制冷開關。這是CPS一種最基本的初級智能、單元級的應用。
恒定智能／單元級：如機床自適應切削系統。機床可根據主軸負載變化，基于知識的決策，在較小載荷的情況下自動增大進給速率，在較大載荷的情況下減少進給速率，達到縮短加工周期、提高加工效率和提升加工質量的目的。系統具有實時分析、自主決策、精準執行的特點，并且具有不可再分割的特點，所以是一種恒定智能／單元級系統。
開放智能／單元級：典型的例子如阿爾法圍棋程序系統（AlphaGo）。AlphaGo除了具有實時分析、自主決策等功能以外，還具有學習認知的能力，并由于具有不可再分割性，因此，這是一種開放智能／單元級系統。
下面是三組系統級CPS的例子，特點是引入了“網絡”的概念。
初級智能／系統級：如賓館火災煙霧自動監控報警系統。每個房間的感煙探測器感應到煙霧后，將信號通過網絡傳遞到中央控制室，啟動報警設施，并自動啟動噴水滅火系統進行滅火。這是一種通過網絡、具有實時感知、自動決策、即刻執行特點的初級智能系統級CPS。
恒定智能／系統級：如智能車間／產線。在蘭光創新研發的蘭光智能車間系統中，通過設備物聯網子系統實現所有數控設備的網絡化通訊、遠程實時狀態采集、大數據分析與可視化展現，并通過MES系統對計劃、排產、派工、物料、質量進行智能化管理，設備、物料、質量等出現問題，系統會自動通知相關人員，甚至采取相應措施，實現了設備狀態、生產過程等的狀態感知、實時分析、自主決策（部分自主決策，有些需要相關人員根據決策數據進行人為決策）與精準執行，可以算是一種恒定智能的系統級CPS。
開放智能／系統級：這種系統具有自學習、自認知功能，如設備預測性維護系統。系統通過實時采集設備狀態，通過歷史數據，以及與其他類似設備的比較，能通過自學習的方式推理、判斷即將發生的故障，達到進行預測性維護的目的。
SoS級具有“平臺”概念，并實現了多CPS系統之間的協同優化，是比較復雜、相對高級的CPS系統，以下是從智能層級方面對SoS的劃分。
初級智能／SoS級：如共享單車。單車通過GPS等定位單車位置，通過APP獲知客戶信息，通過云端發送過來的開鎖信息進行電控鎖的開關。具備了狀態感知、自動決策、即刻執行的特點，并且是基于云平臺的一種運營模式，是一種單個系統的初級智能、多系統之間的協同，可以算是一種最簡單的初級智能SoS級CPS。
恒定智能／SoS級：如導航軟件。具備位置、路況等的狀態感知，通過實時分析形成最優路線，并根據實時路況給出最優的路線，具有典型的狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行的四個特征，這些數據是基于云平臺上眾多汽車采集的信息并進行協同優化的，是一種中級智能（恒定智能）、平臺級的SoS級CPS。
開放智能／SoS級：系統既具有自認知、自學習等高級智能特點，還具有多系統協同優化的特點，典型的如海陸空天賽博五域作戰指揮協同系統等。這是相對復雜、相對高級的CPS系統。
這種從橫向屬性、縱向智能兩個維度進行定義CPS，并衍生出九種CPS落地方案的方法，筆者稱之為“二維九格”CPS定義法。
通過上述定義，我們就可以很清楚地界定、細化各CPS系統的屬性、智能程度、基本特點等，使CPS系統更容易落地，很好地支持企業創新的發展，甚至衍生出新的商業模式，比如：軟硬結合的初級智能單元級CPS以及共享單車這類個體初級智能的SoS級CPS，通過不同的元素組合，就可以形成不同的商業模式。企業把自己清晰地定位在某一格或某幾格，重點突破，形成自己的競爭優勢。
可以說，“二維九格”CPS定義法對當今“雙創”（大眾創業、萬眾創新）也是很有指導價值的。
2．3 從國外經驗來看，CPS的二維定義迫在眉睫
現在，工業4.0已經成為影響全球智能制造的戰略，成為德國非常成功的一次國家級營銷。但假如說，德國對工業4．0的描述只是停留在一個核心—— CPS系統，三項集成（縱向集成、端對端集成、橫向集成）的水平上，大家也只能對工業4．0有個模糊概念而已，如果對工業4．0如何落地，如何衍生新的商業模式仍然是一頭霧水，就很難推動工業4．0的實現。但聰明的德國人從三個維度進行了設計，通過“工業4．0參考框架（RAMI4．0）”這個模型，工業4．0的各種落地方案、商業模式就呼之欲出了。
德國工業4．0參考框架
德國用一個三維模型清晰地表達了工業4．0的框架，美國GE則用一個二維的定義將工業互聯網進行闡述，機器——設備——組織——網絡，智能設備——智能系統——智能決策，從哪開始做，做成什么樣子，都清清楚楚地表達出來了。
可以說，CPS傳統一維的定義，只能比較清晰地界定了系統的屬性，不能明確地指導系統的落地，筆者認為，盡快完善CPS二維甚至多維的定義，將有助于CPS在我國的快速發展，在中國制造急需向中國智造轉型升級的關鍵時刻，這項任務顯得尤為重要與迫切。
3．結束語
CPS作為智能制造的核心支撐技術，必將在中國智能制造轉型升級中發揮重要的價值。現在，即便是全球的范圍內，對CPS的認知還不完全統一，甚至沒有一個統一的權威定義。工信部近期發布的白皮書，在規范大家對CPS的認知、厘清CPS的特點、層級、實現等方面都具有積極的推動作用。筆者認為，我們對CPS的認知也應該是一個不斷迭代的過程，我們既要肯于研究國外的先進理念，更好地理解CPS精髓，又要不拘泥于別人的說法，結合中國實際情況，敢于提出自己的認知，衍生出指導CPS的各種落地理念、執行標準，促進中國智能制造的快速發展。
“二維九格”CPS定義法是筆者經過深入思考后的結果，對CPS的細化與落地具有一定的參考價值，但未必一定完全正確，希望通過本次的拋磚引玉，能對大家起到一定的啟發作用，為更好地推進CPS在中國的發展而共同努力，敬請各位專家批評指正！
(審核編輯: 林靜)
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