在多个产业环节，原有的通用性芯片的发展思路显然不能满足万物互联的需求，因此，针对不同场景研发不同垂直领域的芯片成为一种新的“解题方式”，所以你会看到越来越多的IoT公司正在自行研发算法更优化、功耗与成本更低的芯片，以满足智能家居、智能音箱、智能摄像头、自动驾驶汽车等特定场景的需求。
也就是说，物联网已经不仅仅是技术，它还带来了方法论层面的变革;更进一步，它还是一种新的思维方式，让我们有机会以***的角度认知物理世界、***的方式改造物理世界。
如果你把物联网作为新技术，可以开发一些创新硬件和方案，撬动百亿级的市场;如果你把物联网作为方法论，可以用它变革传统行业与流程，撬动千亿级的市场;如果你把物联网作为思维方式，有可能改变整个物理世界的互联方式，撬动的是不止万亿级的市场。
为了以正宗的姿势理解物联网这种全新的思维方式，有一个术语不得不提：CPS(Cyber-Physical Systems)，中文翻译为“信息物理系统”。
CPS这个名词在2006年由美国国家科学基金会NSF***提出，并在消费电子、能源、工业、公共事业、医疗健康等领域开展了对于CPS的应用探索，随后美国将其作为抢占全球新一轮产业竞争制高点的“种子选手”。
2013年，德国《工业4.0实施建议》将CPS作为工业4.0的核心技术，在随后则重点推进以制造为导向的CPS，即CPPS(Cyber Physical Production System)。
凡事有利有弊，工业4.0将CPS作为其核心的举措，一方面让CPS受到了更加广泛的关注，另一方面也让部分人错误的认为CPS仅仅局限于工业领域，或许对于CPS的刻板印象和误解还不止于此。
看到这里，你的心中一定充满了各种疑问。因此在本文中，我将尝试探讨以下问题：
- 为什么看懂CPS对于理解物联网的未来尤为重要?
- CPS描绘了怎样的未来蓝图?
- CPS为我们更深的认知和改造物理世界，提供了哪些思路?
CPS的精髓在于数字世界
不可否认的事实是，CPS的内涵和外延一直都在持续变化，至今尚未形成统一的定义。
拆解CPS这个名词，其中既包含Cyber(数字世界)，又包含Physical(物理世界)，给人的***印象是CPS是连接可见与不可见世界的“桥梁”。如果仅仅把CPS理解为“桥梁”、“总线”，或者“系统”，未免过于狭隘和短视。
英文Physical不仅是“物理”的意思，更代表蕴含在物理实体背后的客观规律。美国国家科学基金会NSF对于CPS的解释是，按照自然规则或者人为规则运行的系统，物理模型只是承载这些规则的手段之一，其它的手段还包括周边环境、相关要素、机器社群等。
目前我看到的对于CPS***的解释是，CPS着眼于将物理设备联网，也就是将设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等5大功能。
CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS的3个核心元素包括通信(communication)、计算(computation)和控制(control)，值得注意的是，CPS把“通信”放在与“计算”和“控制”同等的地位上，因为在CPS强调的分布式应用系统中，物理设备集群之间的协调是离不开通信的。
CPS对网络内部设备的控制精度、远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是在网络规模上，可以说吊打现有的各种网络。
在美国辛辛那提大学李杰教授所著的新书《CPS新一代工业智能》中，曾经提到在电影《天空之眼》中的一个鲜活故事，让我们可以在一定程度上直观的感受到CPS的内涵。
《天空之眼》是一部以无人机反恐打击为角度切入的战争片。电影中，远程驾驶的无人机原本只需要执行空中监视任务，却在发现恐怖分子即将进行恐怖活动后，改为对其进行定点清除任务。因为袭击目标房屋的旁边有个小女孩，执行任务过程中很有可能会造成小女孩的伤亡。剧情的冲突点在于，经过计算，小女孩受伤的概率非常高，所以指挥官与操作手在无辜生命和有价任务之间徘徊、争执、选择。
在电影的一个场景中，指挥中心里的分析人员不断寻找目标房屋的射击点，以便在击杀恐怖分子的同时使小女孩被误伤的风险降到***。这个微妙决策的诞生，其基础即为对状态和活动的精确评估及预测，涵盖了CPS的3个核心元素：
- 通信(communication)：无人机将地面的数据和自身的状态不间断地传输到控制中心，而控制指令也能够实时地传递到无人机上。
- 计算(computation)：这里的计算有非常明确的目的性，首先是完成任务的能力，即选择不同的瞄准点对袭击目标造成致命打击的成功率;还有在袭击过程中造成房屋边上的小女孩伤亡的风险。
- 控制(control)：无人机的指挥中心设置在距离袭击目标数千英里的亚利桑那州，操作手能够通过实时控制系统RCS实现飞行员对飞机的一切真实操作。
在这个实例的决策过程中，对目标要求的完成程度和达成目标所要付出的代价，这两者之间的精确预测和权衡是计算的内容和目的。决策不是最终目的，对决策造成的影响进行精确化的评估和管理才是目的。
CPS将整个物理世界的规则进行建模、预测、优化和管理，CPS不仅是“桥梁”、“总线”，或者“系统”，它的精髓在于对数字世界的营造。
CPS更为本质的意义在于，它或将成为物联网互联与改造整个物理世界的一项底层思维基础。如同互联网改变了人与人、人与数字世界之间的互动一样，以CPS为核心思维的物联网将改变人与物、物与物，乃至物理世界与数字世界的互动方式。
CPS的4个发展世代
CPS其实并不复杂，纵览关于CPS的多篇文献，看懂CPS，只需读懂两张架构图。
过去我们解决已知和可见问题的前提假设是，物理世界的变化规律是确定的，这些规律可以被认知和被模拟。前几次产业革命都是基于这种认为世界是确定性的思维方式，通过不断研究确定性的客观规律，一次次突破了生产力的发展瓶颈，一次次将人类的生产力带上一个新的台阶。
但是这一次，当我们试图再通过原来的手段将各个产业带入新的阶段时，发现不是单纯提升生产力的问题那么简单，人类对自身的认知以有了合理的“回落”，即：如果不能正视真实世界的非确定性，将很难取得突破。面对充满不确定性的多变世界，原有的计算基础和思维方式将会受到挑战。为了应对真实世界的不确定性，就要从根本上改变系统设计的理念和方法，而不仅仅是简单改造外界，如提升设备性能。
从发展阶段上来看，根据智能化和自组织的等级，CPS分为四代。目前我们正在从第1代向第2、3代的演进过程中，工业4.0的核心是第2代CPS。
1. 第0代CPS：封闭物理系统和流程
目前存在于各种产业中的自动化系统属于此类，第0代CPS具有感知、控制、执行和反馈的闭环，通常是由预先定义的逻辑或者规则进行控制的封闭系统，不能对各种不确定性以及多变的环境及任务产生响应。
第0代CPS更加侧重功能性的设计，解决的是已知或者可见的问题，系统以预期和实际之间的差异作为负反馈控制的依据。但是在真实世界中，环境和目标都有很大的未知和不确定性，这些不确定性来自于环境和任务，也来自于系统本身，因此便有了CPS的如下演进路径。
2. 第1代CPS：自调节与自校正
在第1代CPS中，系统架构和默认的操作方式在方案设计阶段被定义和确定，在整个系统的生命周期中不会发生变化。第1代CPS具有控制功能，并且可以将参数调节到***水平。在系统发生故障，或者周边环境产生变化的情况下，需要人为进行干预和调整。
系统可以应对软件或者网络的一些非确定性，比如通信和计算中的时钟抖动，网络中的丢包，资源的调用与冲突。然而第1代CPS并非自适应系统，不能对非确定性做出相应地预测。
实例：数控机床。
3. 第2代CPS：自感知与自适应
第2代CPS可以应对已知模式的变化，系统在设计时考虑了多个可替代的控制模式，在运行时CPS将在***模式下运行。控制模式和推理算法在设计阶段进行预定义，在整个系统的生命周期内不会发生变化。来自系统和环境的感知数据，用于CPS在不同操作模式中进行切换。
此处CPS系统的自感知并不等同于人类心理学层面的自我感知，CPS的自感知对应人脑中的初级思维功能，包括对当前状态的评估，设备与环境、设备与任务之间的关联关系识别，不同情境对系统影响的判断，特定场景中的操作理解，以及上下文语义识别。
CPS的自感知构成了一种本地化的“系统世界观”，这种自感知的强弱很大程度上取决于引入信息的多少，以及可用信息的范围。
实例：运作在多模式下的飞行控制系统。
4. 第3代CPS：自认知与自进化
对于准已知的变化，第3代CPS可以应对，它是一个可以自我成长的智能体，其价值和能力会随着使用的不断积累而增强。具备自学习能力的CPS可以在预定义的范围内，根据实际约束条件进行自组织与自调整。
相比自感知，自认知是一种更高级的认知模式，需要结合各种经验和知识，对陌生的情况做出适当的推理。自认知在部件级、单机级、系统级等不同应用层面上有着不同的方式和目的。从自感知到自认知，反应了智能化水平的提升，也反映了从局部到全局的智能化范围扩展。自感知使得CPS在特定情况下可以针对物理世界建立有效的模型，自认知使得CPS可以从多个不同角度建立物理世界的多种模型。自认知本身具有一定的不确定性，不同的情景和上下文语境，有可能让系统从不同角度提出多种模型。
自进化表现为CPS从一个稳定状态，发展到一个新的稳定状态的能力，以便响应需求、任务、目标和环境的变化。目前在设计阶段，充分预测各种运行场景和功能变得越来越困难，因此让CPS具有自进化的能力变得非常迫切，当前的各种系统还远未达到被期待的自进化水平。
示例：自学习机器人。
5. 第4代CPS：自我意识和自我复制
第4代CPS可以应对未知变化，人不再必须参与控制过程。目前对于第4代CPS，尚无法给出明确的界定。全面的实现系统智能，包括机器感知、情景感知、机器学习、自主认知等能力，被认为是第3代和第4代CPS的主要区别。
对于什么是智能，什么是系统智能，智能水平如何评级，不同的机构与组织之间存在颇多争论，也可能本不存在确定答案。
CPS中两个交织的计算周期
当下物联网方案普遍处于向第2代CPS迈进的阶段，在这里形成了两个交织的计算周期：
- 基本周期：包括从传感à监控à决策à推理à计划à执行à效用的闭环
- 增强周期：包括从推理à学习à适应à进化的闭环
在基本周期中，物理世界被提炼为数字模型，各个模型基于“设备画像”或者“物模型”进行提炼。设备画像形成了一种设备维度的标准数据，可以进一步分析不同场景中使用的配置，做到知识的复用。
企业通过设备画像和物模型的管理，不断从设备物联数据获取想要的信息，帮助提升业务精准度。它可以帮助企业实现数据资产的沉淀，打造数据驱动业务的能力，精准预测和构建设备的特征库。
在基本周期中，经由模型驱动，以万变应不变。
在增强周期中，考虑到真实世界的不确定性和多变性，通过深度学习得出来的推理模型对基本模型进行自适应调整，由此形成了具有非确定性特征的CPS。经由赋予CPS一定的自由度，以增强其适应不同任务、环境和场景的能力。
CPS的智能性很大程度上取决于推理机制，由其感知和预测环境的变化及不确定性，并对自身状态的变化和风险性因素进行评估和预测。
在增强周期中，经由规则驱动，以不变应万变。
至此，通过对于CPS的四个世代和两个周期的说明，辅以两张图片，我将关于CPS的***进展呈现在了你的面前。
这篇文章不同于往常，我们从方法论和思维方式的角度揭示了物联网的未来发展之路。把“通信”、“计算”和“控制”置于同等地位的CPS，值得花时间细细琢磨，掌握了它，将让我们更好的认知和“驾驭”充满不确定性的真实物理世界，它或许还将改变我们与物理世界的相处方式。
***，由衷感谢阿里智联网***科学家丁险峰在成文过程中对我的大力支持。
本文小结：
- 物联网，既是技术又不完全是技术，它更像是一种方法论、一种思维方式，让我们有机会从***的角度认知物理世界、改造物理世界。
- CPS着眼于将物理设备联网，也就是将设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等5大功能。
- CPS的本质意义在于，它是物联网互联与改造整个物理世界的底层思维基础。如同互联网改变了人与人、人与数字世界之间的互动一样，以CPS为核心思维的物联网将改变人与物、物与物，乃至物理世界与数字世界的互动方式。
