摘要：美國提出的信息物理系統（CPS）現已成為全球研究熱點(diǎn)，主要研究工程復雜性要素，或者包括其社會(huì )復雜性要素的某一方面。事實(shí)上，上述兩種要素必須作為不可分割、地位平等的整體加以研究，才能更好地實(shí)現復雜系統安全、高效等管理與控制目標。為此，本文主要討論更為完整的社會(huì )物理信息系統（CPSS）的建模、知識自動(dòng)化、行為分析與管控等內容，及其在交通和制造領(lǐng)域的典型應用。

關(guān)鍵詞：復雜系統管理與控制；社會(huì )物理信息系統；大數據模型；智能交通系統；智能制造系統

Abstract: The Cyber-Physical-System (CPS) proposed by the United States has become a hot spot of global research, which mainly studies the elements of engineering complexity, or including some aspects of its social complexity elements. In fact, the above two elements must be studied as an inseparable and equal status as a whole, so as to achieve better management and control objectives for the security and efficiency of complex systems. To this end, this paper mainly studies the modeling, knowledge automation, behavior analysis and control of the more complete Cyber-Physical-Social-System (CPSS), and its typical applications in the field of transportation and manufacturing.

Key words: Complex system management and control; Cyber-Physical-Social system; Big data model; Intelligent transportation system; Intelligent manufacturing system.

1　前言

美國2007年提出的信息物理系統（CPS：Cyber-Physical System），以工程復雜性為主，現已成為全球研究熱點(diǎn)。美國科學(xué)基金會(huì )NSF先后資助CPS基礎理論、方法工具、平臺系統等方面的500多個(gè)研究項目，CPS研究重點(diǎn)針對交通、國防、能源、醫療和大型建筑設施等復雜系統應用領(lǐng)域，取得了很好的研究成果和應用效益。歐洲聯(lián)盟啟動(dòng)ARTEMIS5等重大項目，將CPS作為智能系統的一個(gè)重要研究方向。緊接著(zhù)，亞洲國家也開(kāi)始重視CPS研究，包括中國、韓國、日本在內的許多國家的科學(xué)基金會(huì )也已經(jīng)提出為CPS的研究提供資金支持。最近，也出現多個(gè)CPS學(xué)術(shù)期刊，“IET Cyber-Physical Systems Theory & Applications”、“ACM Transactions on Cyber-Physical Systems”等。最近幾年，CPS的研究在國內逐步興起，中國電子技術(shù)標準化研究院先后發(fā)布了《信息物理系統標準化白皮書(shū)》、《信息物理系統白皮書(shū)（2017）》等，概述了CPS最新進(jìn)展。

但是，基于CPS視角的復雜系統研究還主要集中在其工程復雜性要素，或者其社會(huì )復雜性要素的某一個(gè)方面。復雜系統中，人又往往是其設計者、建造者、運營(yíng)管理者和最終使用者，人因等社會(huì )復雜性要素在復雜系統各個(gè)階段都起到不可忽視甚至是決定性的重要作用。要實(shí)現復雜系統安全、可靠和高效等目標，其工程復雜性要素和社會(huì )復雜性要素必須作為不可分割的、地位平等的整體加以研究。為此，中國學(xué)者在國際上率先提出，上述復雜系統向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷進(jìn)化，將逐步形成越來(lái)越多的復雜、巨型的社會(huì )物理信息系統（CPSS: Cyber-Physical-Social Systems）。

2　社會(huì )物理信息系統（CPSS）

CPSS是由物理系統（Physical System）、包括人的社會(huì )系統（Social System）、連接二者的信息系統（Cyber System）所共同構成的一類(lèi)復雜系統，它通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現物理系統和信息系統的連接，通過(guò)社會(huì )傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了社會(huì )系統和信息系統的連接，這樣“社會(huì )+物理系統”就能夠“等價(jià)地”映射到信息系統中。在此基礎上，通過(guò)CPSS中信息系統和“社會(huì )+物理系統”的彼此認識、虛實(shí)互動(dòng)、共同提高，就可以循序漸進(jìn)地實(shí)現CPSS安全、可靠、高效運行等管控和應用目標。CPSS是在CPS概念的基礎上，將復雜系統的人和社會(huì )因素加入到其管理和控制的范圍，如圖1所示。CPSS將研究范圍擴展到社會(huì )系統，它通過(guò)智能化的人機交互方式實(shí)現人員組織和物理系統的有機結合，有望實(shí)現各類(lèi)復雜系統的完整管理和控制。

圖1  信息物理系統（CPS）和社會(huì )信息物理系統（CPSS）

大數據時(shí)代，面向知識社會(huì )，以網(wǎng)絡(luò )為平臺、以人為本的“創(chuàng )新2.0+”模式已逐步顯現其強大的生命力和潛在價(jià)值，引發(fā)了復雜系統建模、分析、控制和管理研究的新形態(tài)。從信息化和自動(dòng)化的角度來(lái)看，復雜系統的“智慧之源”來(lái)自于泛在的移動(dòng)終端設備，來(lái)自于基于大數據、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，來(lái)自于CPSS資源的充分掌握和利用，來(lái)自于虛實(shí)互動(dòng)、實(shí)時(shí)反饋、移動(dòng)可視化的創(chuàng )新體系的切實(shí)應用。

CPSS進(jìn)一步提升的關(guān)鍵是把復雜性與智能化系統“虛”和“軟”的部分建立起來(lái)，利用可以定量實(shí)施的計算化、實(shí)時(shí)化，使之“硬化”，真正用于解決實(shí)際問(wèn)題。錢(qián)學(xué)森、戴汝為等我國著(zhù)名學(xué)者在20世紀90年代提出了“開(kāi)放的復雜巨系統”、“綜合集成研討廳”等思想和方法。在此基礎上，王飛躍在2004年提出實(shí)現復雜系統有效管控的一種ACP方法，即人工社會(huì )（Artificial societies）、計算實(shí)驗（Computational experiments）、平行執行（Parallel execution）的有機結合，通過(guò)構建人工系統和實(shí)際系統組成的閉環(huán)反饋，使兩者協(xié)同發(fā)展，并確保系統按照期望的目標收斂，從而實(shí)現在軟件定義的“實(shí)驗室”中對已發(fā)生及可能發(fā)生的事件進(jìn)行試驗和計算，為真實(shí)復雜對象的管理與決策提供計算驗證支持。在智能交通、石化生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域的應用證明，ACP方法對解決兼有工程復雜性和社會(huì )復雜性的復雜系統行為分析和管控問(wèn)題十分有效，也將為CPSS管理與控制基礎理論研究也提供一種創(chuàng )新方法。

3　社會(huì )物理信息系統（CPSS）的研究?jì)热?/strong>

為深入分析和理解CPSS主要場(chǎng)景下復雜行為的動(dòng)態(tài)演化規律，同時(shí)掌握實(shí)現其安全、可靠、高效運行目標的有效管控手段，提高國家重大戰略需求領(lǐng)域這類(lèi)復雜系統的感知、分析和調控能力，筆者總結出CPSS需要研究?jì)热莅ǎ?/p>

3.1　CPSS建模

（1）研究CPSS的多尺度、混合建模方法：基于物理傳感網(wǎng)的CPS的多尺度、混合模型研究與設計；基于社會(huì )傳感網(wǎng)的信息社會(huì )系統（CSS：Cyber-Social System）的數據驅動(dòng)模型研究與設計；大數據驅動(dòng)的信息系統構建機理，包括面向特定問(wèn)題或情景的人、組織與社會(huì )模型、行為與心理的數據驅動(dòng)計算模型等；數據與知識驅動(dòng)的復雜系統的智能建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析與可視化；CPSS體系結構研究、設計與分析。

（2）CPSS信息感知物聯(lián)網(wǎng)：研究CPSS物聯(lián)網(wǎng)的泛信息感知技術(shù)，研發(fā)面向CPSS的專(zhuān)用傳感網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)設備和狀態(tài)檢測傳感器節點(diǎn)，移動(dòng)數據庫訪(fǎng)問(wèn)和服務(wù)機制，實(shí)現高數據率傳輸、多通道信息采集，異構網(wǎng)絡(luò )集成，提供不同類(lèi)型、不同層次的服務(wù)接口。

（3）搭建基于高性能計算機集群的CPSS云計算平臺：建立針對海量社會(huì )與物理感知數據存儲與分析的高性能計算平臺，研發(fā)CPU+GPU的異構計算服務(wù)器，建立高性能計算服務(wù)器集群；在此基礎上，通過(guò)服務(wù)虛擬化技術(shù)，構建CPSS云計算平臺，實(shí)現計算資源的按需分割和動(dòng)態(tài)分配，并利用虛擬機的快速部署和實(shí)時(shí)遷移能力實(shí)現整個(gè)計算平臺的高可用性和負載均衡。

3.2　CPSS知識自動(dòng)化

（1）基于智能代理的CPSS知識解析：構建一套基于智能代理的CPSS知識建模和分析體系，形成知識模型生成的支持環(huán)境和解析工具，包括代理的元胞自動(dòng)機模型及其廣義形式，代理行為的語(yǔ)言動(dòng)力學(xué)描述及詞計算方法，代理相互作用的Petri網(wǎng)模型和翻譯器等衍生模型及其分析，代理決策的計算智能算法和博弈對策，代理的可調多分辨率觀(guān)測、分析和熵空間描述方法等。

（2）基于網(wǎng)絡(luò )大數據的CPSS知識學(xué)習：研究基于開(kāi)源情報大數據、區塊鏈、深度學(xué)習和知識機器人等方法的模型自增長(cháng)、自推理和自校驗技術(shù)，建立體系完整的基于網(wǎng)絡(luò )大數據的領(lǐng)域知識學(xué)習關(guān)鍵技術(shù)體系，實(shí)現領(lǐng)域知識的高效獲取、建模、實(shí)驗、實(shí)施與影響力評估；研究模型形態(tài)（記錄、實(shí)驗、理想）自演化技術(shù)，利用虛實(shí)結合的“實(shí)驗”場(chǎng)景，基于自適應演化機制驅動(dòng)領(lǐng)域模型，由實(shí)際的“記錄”狀態(tài)主動(dòng)逼近人工的“理想”狀態(tài)；研究知識模型的統一表示、推理和學(xué)習等管理機制，構建統一知識本體和針對特定垂直場(chǎng)景的領(lǐng)域本體，研究知識本體的自適應演化與推理方法與技術(shù)，實(shí)現規范化的知識和語(yǔ)義管理。

（3）CPSS知識演化機制與模型驗證：研究CPSS知識模型演化機制，支持知識的各種學(xué)習和擴展模式；研究知識建模及驗證工具，支持模型及其派生的圖形化模式；研究模型的驗證技術(shù)，支持語(yǔ)義錯誤的自動(dòng)發(fā)現和處理機制。

3.3　CPSS行為分析與管控

（1）CPSS的行為分析與調控方法：基于計算實(shí)驗的CPSS行為解析、行為誘導、調控預案評估；人機物融合系統的動(dòng)態(tài)性能分析、預測及多目標動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策；CPSS系統基于虛實(shí)互動(dòng)和協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現調控目標的滾動(dòng)優(yōu)化理論；云計算環(huán)境下，應用驗證領(lǐng)域平臺的集成設計方法，以及行為分析與調控方案應用驗證的實(shí)施與推薦方法。

（2）CPSS運行安全、重大事故預警與防范：基于社會(huì )系統與物理系統的對等映射，通過(guò)人因分析研究復雜系統的運營(yíng)安全理論，建立復雜系統運行安全誘因數據庫和突發(fā)場(chǎng)景庫，建立預警防范評價(jià)機制?；诙嘣串悩嬓畔⑷诤霞夹g(shù)復雜系統的重大事故誘因辨識理論，通過(guò)計算實(shí)驗研究不同類(lèi)型事故的發(fā)展演化規律，研究重大事故前期或萌芽階段的故障、危險源或一般事故的特征提取方法；研究復雜系統安全信息的實(shí)時(shí)獲取方法與重大事故特征提取方法，運營(yíng)安全域的動(dòng)態(tài)估計以及定性、定量的安全評價(jià)理論與事故等級評價(jià)機制，以及多種媒體介質(zhì)預警信息動(dòng)態(tài)發(fā)布方法，從而提高CPSS系統運營(yíng)管理和控制水平。

（3）結合網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化與合作博弈的CPSS服務(wù)管理：利用ACP方法融合社會(huì )與物理信息并進(jìn)行推演和預測，沿著(zhù)三個(gè)方向進(jìn)行新的CPSS服務(wù)系統的設計與論證，具體包括：應用新技術(shù)的服務(wù)延伸；創(chuàng )造新模式的服務(wù)延伸；拓展新范圍的服務(wù)延伸。構建CPSS服務(wù)系統，并在此基礎上研究綜合服務(wù)體系對社會(huì )大眾的影響，研究參與個(gè)體之間的合作博弈機制，達到既滿(mǎn)足系統整體優(yōu)化的效果，又能夠兼顧參與系統的各方利益。

4　社會(huì )物理信息系統（CPSS）的典型應用

4.1　交通CPSS及典型應用

復雜交通系統涉及道路交通、公共交通、軌道交通、物流交通和交通服務(wù)等子系統，它同時(shí)涉及工程復雜性和社會(huì )復雜性?xún)蓚€(gè)方面，呈現動(dòng)態(tài)性、開(kāi)放性、交互性、自主性等特征?；贑PSS交通系統，為研究人車(chē)行為分析和調控這一科學(xué)問(wèn)題提供現實(shí)需求和基礎條件，對于預防與減少交通事故將發(fā)揮積極有效的作用。研究?jì)热莅ǎ?/p>

（1）基于交通CPSS的多尺度、混合模型與平臺：交通系統中人和車(chē)輛混合場(chǎng)景下的行為機理、行為模型建立與驗證；交通系統全要素的多尺度、混合的復雜動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )模型建立與驗證；交通系統全要素的體系架構設計與分析驗證。

（2）基于交通CPSS的計算實(shí)驗、行為分析與決策控制：通過(guò)把城市交通對象置于實(shí)際、仿真或混合環(huán)境下，產(chǎn)生復雜的互動(dòng)方式和相關(guān)行為，利用涌現方法進(jìn)行觀(guān)測總結，分析和理解交通系統在各類(lèi)計算實(shí)驗環(huán)境下的行為及各種因素的影響作用。研究面向交通安全可靠、綠色高效等挑戰性需求，基于常規統計方法和各類(lèi)計算智能算法的計算實(shí)驗設計；交通系統中人員和車(chē)輛混合行為演化規律的計算實(shí)驗設計和結果分析方法；決策控制一體化人機交互控制系統主要調控預案的計算實(shí)驗和分析評估。

（3）交通CPSS典型應用：構建城市交通CPSS平臺，完成城市綜合交通應用的示范應用；針對的城區路網(wǎng)、運輸、港口、機場(chǎng)等多元化綜合交通管控需求，結合人口分布、停車(chē)資源、公共交通及物流現狀，完成包含城市交通、公共交通、停車(chē)、物流運輸和社會(huì )交通等“多位一體”整體交通解決方案。

4.2　制造服務(wù)CPSS的消費行為分析與資源調控

制造領(lǐng)域通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈轉型升級全球制造業(yè)將逐步從大規模生產(chǎn)模式、大規模定制模式進(jìn)化到社會(huì )制造（Social Manufacturing）模式，基于CPSS成果所研制出的社會(huì )化設計、制造和服務(wù)一體化的CPSS制造系統，可進(jìn)一步提高我國個(gè)性化產(chǎn)品等制造業(yè)的內部綜合管控能力、外部個(gè)性化服務(wù)能力和未來(lái)市場(chǎng)競爭能力。主要研究?jì)热荩?/p>

（1）制造CPSS的建模與行為分析：制造CPSS的大數據獲取與社會(huì )計算分析；制造CPSS全要素復雜動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )建模與分析、全要素體系架構設計分析；制造CPSS產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈設計與分析；制造CPSS的管理與控制；制造CPSS的知識管理和戰略管理。

（2）制造CPSS的網(wǎng)絡(luò )化設計和服務(wù)。制造CPSS中復雜個(gè)性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )化設計，包括：個(gè)性化產(chǎn)品設計的3D掃描與建模；個(gè)性化產(chǎn)品3D虛擬現實(shí)的人機交互；復雜個(gè)性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )化設計平臺。社會(huì )制造系統中個(gè)性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )化服務(wù)，包括：個(gè)性化產(chǎn)品定制的3D打印技術(shù)；復雜個(gè)性化產(chǎn)品的眾包設計和電子商務(wù)集成體系。

（3）制造CPSS典型應用：研制網(wǎng)絡(luò )化設計、制造與服務(wù)一體化平臺，可在個(gè)性產(chǎn)品定制產(chǎn)業(yè)中選擇應用示范，驗證研究成果的實(shí)際應用價(jià)值。

5　結語(yǔ)

本文深入地分析和理解CPSS主要場(chǎng)景下，其社會(huì )系統、物理系統和信息系統復雜行為的動(dòng)態(tài)演化規律，同時(shí)掌握其實(shí)現安全、可靠、高效運行目標的有效管理與控制手段，提高國家重大戰略需求領(lǐng)域這類(lèi)復雜系統的感知、分析和調控能力，有望對我國復雜系統的基礎理論前沿研究產(chǎn)生深遠影響，具有重要研究意義。
CPSS研究成果推廣應用到交通領(lǐng)域，有望為未來(lái)的復雜交通系統，研究出交通CPSS的有效管理和控制方法，減少城市交通擁堵等安全事故，提高城市交通管控水平和運行效率。推廣應用到制造領(lǐng)域，有望為《中國制造2025》應用實(shí)踐，研究出制造CPSS的有效管理和控制方法。還有望推廣到國防、能源、健康等行業(yè)，具有重要的應用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

熊剛（1969-），男，研究員，博士?，F任中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博士生導師等職，主要研究方向包括流程工業(yè)自動(dòng)化、交通自動(dòng)化、離散工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。先后承擔并完成40余項科研項目，包括科技部973/863項目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、創(chuàng )新群體項目及面上項目等。主編專(zhuān)著(zhù)2本，參與撰寫(xiě)3本專(zhuān)著(zhù)3個(gè)章節。發(fā)表論文300余篇，其中SCI/EI檢索論文200余篇。獲得軟件著(zhù)作權50余項，授權專(zhuān)利40余項。

★本文得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（No.2018 YFB1004800），國家自然科學(xué)基金項目（61773381, 61773382, 61533019），2017湖北省中科院省院合作專(zhuān)項項目和東莞市創(chuàng )新領(lǐng)軍人才項目（熊剛）的資助。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2018年8月刊