2006年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）舉辦了第一屆CPS研討會(huì)，會(huì)上第一次對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行了闡述：CPS是賽博空間（Cyber space）中的通信（Communication）、計(jì)算（Computation）和控制（Control）與實(shí)體系統(tǒng)在所有尺度內(nèi)的深度融合。這個(gè)闡述給出了CPS的3個(gè)核心技術(shù)元素，也就是我們最常提到的3C技術(shù)元素。

下面，我們從狹義和廣義上對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行解讀。

1.CPS的狹義內(nèi)涵：實(shí)體系統(tǒng)里面的物理規(guī)律以信息的方式來(lái)表達(dá)

CPS的3C技術(shù)元素從功能性上定義了CPS的狹義內(nèi)涵，也是目前最常用的對(duì)CPS的定義方式，但是這個(gè)狹義的內(nèi)涵并不能給我們太多的啟發(fā)和參考意義。正如之前所提到的Cybernetics這個(gè)詞的本源是像舵手一樣去感知、分析、協(xié)作和執(zhí)行，如果要從更加廣義的層面去理解CPS，還應(yīng)關(guān)注另外3個(gè)C的元素：

（1）Comparison（比較性）：多個(gè)層次的比較，既有相似性的比較，也有差異性的比較。比較的維度既可以是在時(shí)間維度上與自身狀態(tài)的比較，也可以是在集群維度上與其他個(gè)體的比較。這種比較分析能夠幫助我們將龐大的個(gè)體信息進(jìn)行分類，為接下來(lái)尋找相似中的普適性規(guī)律和差異中的因果關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

（2）Correlation（相關(guān)性）：在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，有許多的傳感器和信息源，彼此相互關(guān)聯(lián)。在相同的時(shí)間窗口里面，這些信號(hào)的相關(guān)性可以用來(lái)作為特征。相關(guān)性是記憶的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單地將信息存儲(chǔ)下來(lái)并不能稱為記憶，通過(guò)信息之間的關(guān)聯(lián)性對(duì)信息進(jìn)行管理和啟發(fā)式的聯(lián)想才是記憶的本質(zhì)。相關(guān)性同時(shí)也提高了人腦管理和調(diào)用信息的效率，我們?cè)诨叵胍粋€(gè)畫面或是場(chǎng)景時(shí)，往往并不是去回憶每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是有一個(gè)如線頭一樣的線索，去牽引它從而引出整個(gè)場(chǎng)景。這樣的類似記憶式的信息管理方式運(yùn)用在工業(yè)智能中，就是一種更加靈活高效的數(shù)據(jù)管理方式。

舉一些利用相關(guān)性進(jìn)行信息管理的例子。一輛車在通過(guò)某個(gè)區(qū)域時(shí)，遇到一段坑洼的道路，如果這輛車在通過(guò)時(shí)探測(cè)到路面情況之后，將這個(gè)信息與地理位置聯(lián)系在一起，就可以提醒其他的車輛避讓。又如系統(tǒng)的輸入和輸出特性，建立這種相關(guān)性后可以作為狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗與環(huán)境狀態(tài)、控制參數(shù)和健康狀態(tài)有關(guān)，在建立這種關(guān)系后就可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)幫助飛機(jī)節(jié)省燃油。環(huán)境的相關(guān)性也十分重要，無(wú)人機(jī)在建立地形模型時(shí)，在春夏秋冬不同季節(jié)地貌會(huì)變化，但是物體之間位置的相關(guān)性不會(huì)改變。當(dāng)這種相關(guān)性建立起來(lái)后，即使這種地貌發(fā)生了變化，依然能夠精確識(shí)別目標(biāo)。生產(chǎn)系統(tǒng)中的自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)（AOI）大部分都是檢查質(zhì)量的結(jié)果，但是如果把結(jié)果與產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑（process path）聯(lián)系起來(lái)，就能夠?qū)θ毕莸漠a(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行精確的分析和回溯。而當(dāng)關(guān)系建立起來(lái)后，我們也能夠知道監(jiān)控哪些過(guò)程參數(shù)可以預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是可見(jiàn)世界的連接，而所連接對(duì)象之間的相關(guān)性則是不可見(jiàn)世界的連接。

（3）Consequence（目的關(guān)聯(lián)性）：在制定一個(gè)特定的決策時(shí)，其所帶來(lái)的結(jié)果和影響應(yīng)該同等地分析。例如，在電影《天空之眼》中，在完成任務(wù)的同時(shí)，也要考慮完成這個(gè)任務(wù)所帶來(lái)的損失，不僅需考慮精確度，還需考慮破壞度；再比如說(shuō)在能源領(lǐng)域中的智能電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)，如何迅速將破壞因素隔離，并快速而精確地恢復(fù)狀態(tài)；當(dāng)一棵樹倒下砸中電網(wǎng)時(shí)，如何把影響控制在最小的范圍內(nèi)，而不造成整個(gè)區(qū)域停電；北京周圍的工廠在生產(chǎn)時(shí)如何把效能提升到最高，把產(chǎn)生霧霾的可能性降到最低等。因此，CPS的所有活動(dòng)都應(yīng)具有很強(qiáng)的目的性，即把目標(biāo)精度最大化，把破壞度最小化的“結(jié)果管理”?！敖Y(jié)果管理”的基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)，在現(xiàn)在的制造系統(tǒng)中，如果我們可以預(yù)測(cè)到設(shè)備性能的減退對(duì)質(zhì)量的影響，以及對(duì)下一個(gè)工序質(zhì)量的影響，就可以在制造過(guò)程中對(duì)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行補(bǔ)償和管理?！稄拇髷?shù)據(jù)到智能制造》一書提到過(guò)誤差流（SOV）分析這個(gè)案例，里面對(duì)比較性和相關(guān)性兩個(gè)方面都有深刻的體現(xiàn)，但如果這個(gè)誤差流能夠預(yù)測(cè)，那么就為誤差的補(bǔ)償提供基礎(chǔ)，制造系統(tǒng)的彈性和強(qiáng)韌性就會(huì)增加。

2.CPS的廣義內(nèi)涵：對(duì)實(shí)體系統(tǒng)內(nèi)變化性、相關(guān)性和參考性規(guī)律的建模、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和管理

CPS廣義內(nèi)涵中的3C元素其實(shí)是從分析手段方面給了CPS更加廣泛的意義，即這3個(gè)C分別對(duì)應(yīng)了實(shí)體空間中的對(duì)象、環(huán)境和任務(wù)的運(yùn)行基礎(chǔ)，并可以用3個(gè)R來(lái)概括（見(jiàn)圖2-2）：

圖2-2 CPS中的賽博空間與實(shí)體空間之間的交互基礎(chǔ)

（1）Resource（來(lái)源）：數(shù)據(jù)來(lái)源可以是歷史的數(shù)據(jù)、傳感器的數(shù)據(jù)或是人的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以用一種邏輯的方式形成一種知識(shí)模型。同時(shí)，Resource也是比較性的基礎(chǔ)。

（2）Relationship（關(guān)系）：基于比較和相關(guān)性的分析，挖掘顯性和隱性的關(guān)系。例如，半導(dǎo)體的過(guò)程監(jiān)測(cè)中有上百個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，但是可以從歷史報(bào)警的信息中，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立傳感器的關(guān)系圖譜，最后發(fā)現(xiàn)上百個(gè)傳感器與5個(gè)傳感器有強(qiáng)相關(guān)性，只用這5個(gè)傳感器的組合就可以管理所有傳感器數(shù)據(jù)所代表的狀態(tài)。又比如，在了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中氣壓和空氣密度與燃燒溫度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系后，美國(guó)GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)建模優(yōu)化能夠提高1%的燃油效率。

（3）Reference（參考）：參考性有兩個(gè)方面，一個(gè)是比較的參考，另一個(gè)是執(zhí)行的參考，也可分為主動(dòng)的參考和被動(dòng)的參考，同時(shí)，參考也是記憶的基礎(chǔ)。如果是以結(jié)果作為參考，那么目的就是去定義其發(fā)生的根本原因；如果是以過(guò)程作為參考，那么目的就是去尋找避免問(wèn)題的途徑。古語(yǔ)云：“以銅為鑒，可以正衣冠；以古為鑒，可以知興替；以人為鑒，可以明得失”，這句話蘊(yùn)含了深刻的哲理，也總結(jié)了參考性的三個(gè)維度，即以傳感器（銅鏡）所反映的自身狀態(tài)為參考、以歷史數(shù)據(jù)中的相關(guān)性和因果性為參考，還有以集群中的其他個(gè)體作為參考。

把上述的觀點(diǎn)總結(jié)一下，我們可以對(duì)CPS的內(nèi)涵進(jìn)行系統(tǒng)性的闡述，如圖2-3所示。

圖2-3 CPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)

CPS的基礎(chǔ)在可見(jiàn)的世界中包括物聯(lián)網(wǎng)、普適計(jì)算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們定義了實(shí)體系統(tǒng)的功能性，是感知和反饋的基礎(chǔ)。在不可見(jiàn)世界中的來(lái)源（Resource）、關(guān)系（Relationship）和參考（Reference）構(gòu)成了實(shí)體系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是CPS在賽博空間中的管理目標(biāo)。CPS中的通信（Communication）、計(jì)算（Computation）和控制（Control）是管理可見(jiàn)世界的技術(shù)手段，而建立面向?qū)嶓w空間內(nèi)的比較性（Comparison）、關(guān)系性（Correlation）和目的關(guān)聯(lián)性（Consequence）的對(duì)稱性管理是核心的分析手段。而CPS的最終目標(biāo)，是在賽博空間中對(duì)實(shí)體空間中3V的精確管理，即可視性（Visualizability）、差異性（Variation）和價(jià)值性（Value）。

總結(jié)而言，CPS以多源數(shù)據(jù)的建模為基礎(chǔ)，以智能連接（Connection）、智能分析（Conversion）、智能網(wǎng)絡(luò)（Cyber）、智能認(rèn)知（Cognition）和智能配置與執(zhí)行（Configuration）的5C體系為構(gòu)架，建立虛擬與實(shí)體系統(tǒng)之間關(guān)系性、因果性和風(fēng)險(xiǎn)性的對(duì)稱管理，以持續(xù)優(yōu)化決策系統(tǒng)的可追蹤性、預(yù)測(cè)性、精確性和強(qiáng)韌性，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)活動(dòng)的全局協(xié)同優(yōu)化。