中国的CPS研究距离美国有多远?

      自从2006年,时任美国国家科学基金会(NSF,National Science Foundation)项目主任的Helen Gill根据讨论结果,提出了信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)的概念,并作为NSF未来10-20年的重要研究课题,同时也意图跟欧盟的ARTEMIS(Advanced Research and Technology for EMbedded Intelligence and Systems)一争信息与物理世界融合的未来。

      对于中国,虽然早在2007年中科院就启动了对CPS的跟踪研究,但由于当时国家主推物联网,实际上CPS的科学研究并没有持续进行下去。直至2016年,由于德国工业4.0一直把CPS作为基础科学,引起了国内的重视,工信部四院牵头设立了中国信息物理系统论坛,发布了《中国信息物理系统白皮书》。

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美国NSF项目主任Helen Gill的CPS演讲

      即便如此,中国的CPS研究到底距离美国有多远?我们在哪些方面还有欠缺?这些问题如鲠在喉,必须尽早解决,才可能促使中国制造2025的实现,否则,我国相关学科和技术差距,可能会越来越远。

      由于美国率先提出CPS概念,自然应该好好梳理一下美国当时提出CPS的意图。

      为此,我们应该了解CPS概念产生的背景,需要回到1990年左右的时间,那个阶段正是美国开始启动信息技术研究的黄金时期,诸如互联网等应用,就是那个时候开始产业化的,这促成了21世纪的互联网蓬勃发展。与CPS相关的项目,就有DARPA实施的MoBIES(Model-Based Integration of Embedded Software)、PCES(Program Composition of Embedded Systems)、SEC(Software Enabled Control)和AVM(Adaptive Vehicle Make)等项目,美国交通部(DoT,Department of Transportation)发起的网络汽车(Connected Vehicle)和智能交通系统(Intelligent Transportation System),美国能源部、国土安全部等也对CPS的安全和弹性比较关注。

      按照NSF项目主任Helen Gill在2006年发布的《NSF对信息物理系统的认识》(NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems)中指出,之所以创造CPS这个概念,其本质上是为了给美国指出未来的研究方向,解决信息系统和物理系统融合的挑战。

      加州大学伯克利分校的Edward A. Lee在2006年写成的《信息物理系统:计算机基础已经够了吗?》(Cyber-Physical Systems- Are Computing Foundations Adequate?)也指出,要解决信息系统与物理系统融合中的问题,已经不能从传统的嵌入式系统来理解,应该更抽象一些,创造出“信息物理系统”,其目的就是从科学(不是工程或技术)的角度,指明未来所需要的基础科学的研究议题。

      对于当时的各种科学技术基础研究,Helen Gill和Edward A. Lee等专家都认为,传统的泾渭分明的计算机学科和自动化学科,都有不可忽视的缺陷,无法为相关的工程应用提供理论指导。例如,Edward A. Lee指出,传统计算机的顺序处理方式和缓存方式,很难为实时的复杂系统提供支撑,当时能够实现的嵌入式系统,都是较为简单,其核心需求只是资源有限的场景下,通过C语言等低级语言,编写一些线程(Thread)来完成简单的控制需求。这显然不适合诸如自动驾驶、群体智能等复杂系统控制需要。

      基于这样的“雄心”,NSF组织了美国优秀的科学家,花费了10年时间,基本搭建了一套CPS科学体系,这套体系已经不同于10年前的嵌入式系统。正是在CPS已经形成科学体系之后,GE和思科等公司,才提出了“工业互联网”和“雾计算”等更高级的概念。

      大家可能熟悉德国工业4.0体系中对CPS的描述,嵌入式系统->网络嵌入式系统->CPS->物联网,这是正常的顺序,也就是说,只有CPS成熟之后,才可能促使物联网实际可用。回想中国2009年左右大力推动物联网产业化,实际上并未实现预定目标,当然,IBM神吹的“智慧地球”(差不多就是物联网),也无疾而终,都是因为违背了基本的科学研究要求。

      了解工业4.0研究院的行业人士都清楚,早在2015年,我院就根据已经跟踪研究2年的CPS成果,专门设立了CPS研究中心,但到2017年上半年,CPS研究中心就关闭了。其中的原因是考虑到CPS本是一种科学,如果要实现具体应用,应该选择其他概念更好,例如物联网、工业互联网或者人工智能等。

      回到标题所提出的中国CPS研究跟美国的差距问题。工业4.0研究院观察到,经过10多年的发展,美国已经围绕CPS形成了多个创新点,包括CPS的基础研究(NSF,2006年开始)、行业应用(DARPA、DOT、DOE、Google、GE、Apple等,IIC,2014年)和标准体系(NIST CPS-PWG,2014年)三位一体的格局。

      相比较而言,中国虽然对应美国NIST CPS-PWG有工信部四院的“中国信息物理系统论坛”(2016年),与美国工业互联网联盟对应,也有工信部信通院的“工业互联网产业联盟”(2016年),但对应美国NSF的CPS-VO(Virtual Organization,从2007年开始运行),我国似乎没有什么部门想对应。这样就给我国推动CPS研究实践工作造成了一个缺口——CPS的基础理论研究是缺失的。

      按照NSF十年前提出CPS概念的意图来讲,它们是希望创造一门新科学(New Science),似乎这个目的已经达到,但由于美国还没有系统化的对相关知识进行整理,形成一个可以传播的知识体系,这对于我国借鉴学习美国的CPS成就,仍然是不方便和不容易的。

      因此,对于中国CPS研究跟美国的差距,应用层面上,我国差不多晚了2年时间,基础研究基本上没有(中科院及一些高校有一些研究,但都不成体系)。即便在这样的情况下,相关应用(例如智能电网、无人驾驶、群体智能等)也在中国不断推进,到底是中国的实践可以不需要专门的理论,还是中国企业家更善于模仿学习美国等国的具体商业运作?笔者不得而知。

      但是,如果中国想在全球领先,做自己的基础研究,可能是不得不完成的工作。

*参考资料:

1. NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems,http://www.innovation4.cn/library/r18504

2. Report: Cyber-Physical Systems Summit,http://www.innovation4.cn/library/r18496

3. Cyber-Physical Systems – Are Computing Foundations Adequate?,http://www.innovation4.cn/library/r18500

4. US-German Workshop on IoT/CPS: Report,http://www.innovation4.cn/library/r14008

5. Leadership Under Challenge: Information Technology R&D in a Competitive World,http://www.innovation4.cn/library/r18527

6. PROPOSAL OF A EUROPEAN RESEARCH AND INNOVATION AGENDA ON CYBER-PHYSICAL SYSTEMS OF SYSTEMS(2016-2025),http://www.innovation4.cn/library/r18638

7. Foundations for Innovation in Cyber-Physical Systems WORKSHOP REPORT,http://www.innovation4.cn/library/r18637

8. Reinventing the Automobile: The Cyber-Physical Systems Challenge,http://www.innovation4.cn/library/r18497

9. Modeling and Simulating Cyber-Physical Systems using CyPhySim,http://www.innovation4.cn/library/r18616

10. Cyber-Physical Systems:A Fundamental Intellectual Challenge,http://www.innovation4.cn/library/r18621

11. IoT and CPS:A Focus on Modeling,http://www.innovation4.cn/library/r2344

12. NSF Cyber-Physical Systems Program:Past,Present and Future,http://www.innovation4.cn/library/r18486

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