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摘要：美國提出的信息物理系統(tǒng)（CPS）現(xiàn)已成為全球研究熱點(diǎn)，主要研究工程復(fù)雜性要素，或者包括其社會復(fù)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(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)安全、高效等管理與控制目標(biāo)。為此，本文主要討論更為完整的社會物理信息系統(tǒng)（CPSS）的建模、知識自動化、行為分析與管控等內(nèi)容，及其在交通和制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制；社會物理信息系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)模型；智能交通系統(tǒng)；智能制造系統(tǒng)

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(tǒng)（CPS：Cyber-Physical System），以工程復(fù)雜性為主，現(xiàn)已成為全球研究熱點(diǎn)。美國科學(xué)基金會NSF先后資助CPS基礎(chǔ)理論、方法工具、平臺系統(tǒng)等方面的500多個研究項(xiàng)目，CPS研究重點(diǎn)針對交通、國防、能源、醫(yī)療和大型建筑設(shè)施等復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，取得了很好的研究成果和應(yīng)用效益。歐洲聯(lián)盟啟動ARTEMIS5等重大項(xiàng)目，將CPS作為智能系統(tǒng)的一個重要研究方向。緊接著，亞洲國家也開始重視CPS研究，包括中國、韓國、日本在內(nèi)的許多國家的科學(xué)基金會也已經(jīng)提出為CPS的研究提供資金支持。最近，也出現(xiàn)多個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(nèi)逐步興起，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院先后發(fā)布了《信息物理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化白皮書》、《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》等，概述了CPS最新進(jìn)展。

但是，基于CPS視角的復(fù)雜系統(tǒng)研究還主要集中在其工程復(fù)雜性要素，或者其社會復(fù)雜性要素的某一個方面。復(fù)雜系統(tǒng)中，人又往往是其設(shè)計(jì)者、建造者、運(yùn)營管理者和最終使用者，人因等社會復(fù)雜性要素在復(fù)雜系統(tǒng)各個階段都起到不可忽視甚至是決定性的重要作用。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)安全、可靠和高效等目標(biāo)，其工程復(fù)雜性要素和社會復(fù)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(fù)雜系統(tǒng)向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷進(jìn)化，將逐步形成越來越多的復(fù)雜、巨型的社會物理信息系統(tǒng)（CPSS: Cyber-Physical-Social Systems）。

2　社會物理信息系統(tǒng)（CPSS）

CPSS是由物理系統(tǒng)（Physical System）、包括人的社會系統(tǒng)（Social System）、連接二者的信息系統(tǒng)（Cyber System）所共同構(gòu)成的一類復(fù)雜系統(tǒng)，它通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的連接，通過社會傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了社會系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的連接，這樣“社會+物理系統(tǒng)”就能夠“等價地”映射到信息系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上，通過CPSS中信息系統(tǒng)和“社會+物理系統(tǒng)”的彼此認(rèn)識、虛實(shí)互動、共同提高，就可以循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)CPSS安全、可靠、高效運(yùn)行等管控和應(yīng)用目標(biāo)。CPSS是在CPS概念的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜系統(tǒng)的人和社會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(kuò)展到社會系統(tǒng)，它通過智能化的人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)人員組織和物理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜系統(tǒng)的完整管理和控制。

圖1  信息物理系統(tǒng)（CPS）和社會信息物理系統(tǒng)（CPSS）

大數(shù)據(jù)時代，面向知識社會，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(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和潛在價值，引發(fā)了復(fù)雜系統(tǒng)建模、分析、控制和管理研究的新形態(tài)。從信息化和自動化的角度來看，復(fù)雜系統(tǒng)的“智慧之源”來自于泛在的移動終端設(shè)備，來自于基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，來自于CPSS資源的充分掌握和利用，來自于虛實(shí)互動、實(shí)時反饋、移動可視化的創(chuàng)新體系的切實(shí)應(yīng)用。

CPSS進(jìn)一步提升的關(guān)鍵是把復(fù)雜性與智能化系統(tǒng)“虛”和“軟”的部分建立起來，利用可以定量實(shí)施的計(jì)算化、實(shí)時化，使之“硬化”，真正用于解決實(shí)際問題。錢學(xué)森、戴汝為等我國著名學(xué)者在20世紀(jì)90年代提出了“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”、“綜合集成研討廳”等思想和方法。在此基礎(chǔ)上，王飛躍在2004年提出實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)有效管控的一種ACP方法，即人工社會（Artificial societies）、計(jì)算實(shí)驗(yàn)（Computational experiments）、平行執(zhí)行（Parallel execution）的有機(jī)結(jié)合，通過構(gòu)建人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)組成的閉環(huán)反饋，使兩者協(xié)同發(fā)展，并確保系統(tǒng)按照期望的目標(biāo)收斂，從而實(shí)現(xiàn)在軟件定義的“實(shí)驗(yàn)室”中對已發(fā)生及可能發(fā)生的事件進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算，為真實(shí)復(fù)雜對象的管理與決策提供計(jì)算驗(yàn)證支持。在智能交通、石化生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用證明，ACP方法對解決兼有工程復(fù)雜性和社會復(fù)雜性的復(fù)雜系統(tǒng)行為分析和管控問題十分有效，也將為CPSS管理與控制基礎(chǔ)理論研究也提供一種創(chuàng)新方法。

3　社會物理信息系統(tǒng)（CPSS）的研究內(nèi)容

為深入分析和理解CPSS主要場景下復(fù)雜行為的動態(tài)演化規(guī)律，同時掌握實(shí)現(xiàn)其安全、可靠、高效運(yùn)行目標(biāo)的有效管控手段，提高國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域這類復(fù)雜系統(tǒng)的感知、分析和調(diào)控能力，筆者總結(jié)出CPSS需要研究內(nèi)容包括：

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(shè)計(jì)；基于社會傳感網(wǎng)的信息社會系統(tǒng)（CSS：Cyber-Social System）的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型研究與設(shè)計(jì)；大數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)理，包括面向特定問題或情景的人、組織與社會模型、行為與心理的數(shù)據(jù)驅(qū)動計(jì)算模型等；數(shù)據(jù)與知識驅(qū)動的復(fù)雜系統(tǒng)的智能建模、仿真和動態(tài)性能分析與可視化；CPSS體系結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計(jì)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的專用傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備和狀態(tài)檢測傳感器節(jié)點(diǎn)，移動數(shù)據(jù)庫訪問和服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率傳輸、多通道信息采集，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成，提供不同類型、不同層次的服務(wù)接口。

（3）搭建基于高性能計(jì)算機(jī)集群的CPSS云計(jì)算平臺：建立針對海量社會與物理感知數(shù)據(jù)存儲與分析的高性能計(jì)算平臺，研發(fā)CPU+GPU的異構(gòu)計(jì)算服務(wù)器，建立高性能計(jì)算服務(wù)器集群；在此基礎(chǔ)上，通過服務(wù)虛擬化技術(shù)，構(gòu)建CPSS云計(jì)算平臺，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的按需分割和動態(tài)分配，并利用虛擬機(jī)的快速部署和實(shí)時遷移能力實(shí)現(xiàn)整個計(jì)算平臺的高可用性和負(fù)載均衡。

3.2　CPSS知識自動化

（1）基于智能代理的CPSS知識解析：構(gòu)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機(jī)模型及其廣義形式，代理行為的語言動力學(xué)描述及詞計(jì)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(jì)算智能算法和博弈對策，代理的可調(diào)多分辨率觀測、分析和熵空間描述方法等。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的CPSS知識學(xué)習(xí)：研究基于開源情報大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、深度學(xué)習(xí)和知識機(jī)器人等方法的模型自增長、自推理和自校驗(yàn)技術(shù)，建立體系完整的基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的領(lǐng)域知識學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識的高效獲取、建模、實(shí)驗(yàn)、實(shí)施與影響力評估；研究模型形態(tài)（記錄、實(shí)驗(yàn)、理想）自演化技術(shù)，利用虛實(shí)結(jié)合的“實(shí)驗(yàn)”場景，基于自適應(yīng)演化機(jī)制驅(qū)動領(lǐng)域模型，由實(shí)際的“記錄”狀態(tài)主動逼近人工的“理想”狀態(tài)；研究知識模型的統(tǒng)一表示、推理和學(xué)習(xí)等管理機(jī)制，構(gòu)建統(tǒng)一知識本體和針對特定垂直場景的領(lǐng)域本體，研究知識本體的自適應(yīng)演化與推理方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化的知識和語義管理。

（3）CPSS知識演化機(jī)制與模型驗(yàn)證：研究CPSS知識模型演化機(jī)制，支持知識的各種學(xué)習(xí)和擴(kuò)展模式；研究知識建模及驗(yàn)證工具，支持模型及其派生的圖形化模式；研究模型的驗(yàn)證技術(shù)，支持語義錯誤的自動發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)制。

3.3　CPSS行為分析與管控

（1）CPSS的行為分析與調(diào)控方法：基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的CPSS行為解析、行為誘導(dǎo)、調(diào)控預(yù)案評估；人機(jī)物融合系統(tǒng)的動態(tài)性能分析、預(yù)測及多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化決策；CPSS系統(tǒng)基于虛實(shí)互動和協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)的滾動優(yōu)化理論；云計(jì)算環(huán)境下，應(yīng)用驗(yàn)證領(lǐng)域平臺的集成設(shè)計(jì)方法，以及行為分析與調(diào)控方案應(yīng)用驗(yàn)證的實(shí)施與推薦方法。

（2）CPSS運(yùn)行安全、重大事故預(yù)警與防范：基于社會系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的對等映射，通過人因分析研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)營安全理論，建立復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行安全誘因數(shù)據(jù)庫和突發(fā)場景庫，建立預(yù)警防范評價機(jī)制。基于多源異構(gòu)信息融合技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng)的重大事故誘因辨識理論，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究不同類型事故的發(fā)展演化規(guī)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(fù)雜系統(tǒng)安全信息的實(shí)時獲取方法與重大事故特征提取方法，運(yùn)營安全域的動態(tài)估計(jì)以及定性、定量的安全評價理論與事故等級評價機(jī)制，以及多種媒體介質(zhì)預(yù)警信息動態(tài)發(fā)布方法，從而提高CPSS系統(tǒng)運(yùn)營管理和控制水平。

（3）結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與合作博弈的CPSS服務(wù)管理：利用ACP方法融合社會與物理信息并進(jìn)行推演和預(yù)測，沿著三個方向進(jìn)行新的CPSS服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與論證，具體包括：應(yīng)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(gòu)建CPSS服務(wù)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上研究綜合服務(wù)體系對社會大眾的影響，研究參與個體之間的合作博弈機(jī)制，達(dá)到既滿足系統(tǒng)整體優(yōu)化的效果，又能夠兼顧參與系統(tǒng)的各方利益。

4　社會物理信息系統(tǒng)（CPSS）的典型應(yīng)用

4.1　交通CPSS及典型應(yīng)用

復(fù)雜交通系統(tǒng)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(tǒng)，它同時涉及工程復(fù)雜性和社會復(fù)雜性兩個方面，呈現(xiàn)動態(tài)性、開放性、交互性、自主性等特征。基于CPSS交通系統(tǒng)，為研究人車行為分析和調(diào)控這一科學(xué)問題提供現(xiàn)實(shí)需求和基礎(chǔ)條件，對于預(yù)防與減少交通事故將發(fā)揮積極有效的作用。研究內(nèi)容包括：

（1）基于交通CPSS的多尺度、混合模型與平臺：交通系統(tǒng)中人和車輛混合場景下的行為機(jī)理、行為模型建立與驗(yàn)證；交通系統(tǒng)全要素的多尺度、混合的復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型建立與驗(yàn)證；交通系統(tǒng)全要素的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證。

（2）基于交通CPSS的計(jì)算實(shí)驗(yàn)、行為分析與決策控制：通過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(fù)雜的互動方式和相關(guān)行為，利用涌現(xiàn)方法進(jìn)行觀測總結(jié)，分析和理解交通系統(tǒng)在各類計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(zhàn)性需求，基于常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法和各類計(jì)算智能算法的計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；交通系統(tǒng)中人員和車輛混合行為演化規(guī)律的計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析方法；決策控制一體化人機(jī)交互控制系統(tǒng)主要調(diào)控預(yù)案的計(jì)算實(shí)驗(yàn)和分析評估。

（3）交通CPSS典型應(yīng)用：構(gòu)建城市交通CPSS平臺，完成城市綜合交通應(yīng)用的示范應(yīng)用；針對的城區(qū)路網(wǎng)、運(yùn)輸、港口、機(jī)場等多元化綜合交通管控需求，結(jié)合人口分布、停車資源、公共交通及物流現(xiàn)狀，完成包含城市交通、公共交通、停車、物流運(yùn)輸和社會交通等“多位一體”整體交通解決方案。

4.2　制造服務(wù)CPSS的消費(fèi)行為分析與資源調(diào)控

制造領(lǐng)域通過產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級全球制造業(yè)將逐步從大規(guī)模生產(chǎn)模式、大規(guī)模定制模式進(jìn)化到社會制造（Social Manufacturing）模式，基于CPSS成果所研制出的社會化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)一體化的CPSS制造系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高我國個性化產(chǎn)品等制造業(yè)的內(nèi)部綜合管控能力、外部個性化服務(wù)能力和未來市場競爭能力。主要研究內(nèi)容：

（1）制造CPSS的建模與行為分析：制造CPSS的大數(shù)據(jù)獲取與社會計(jì)算分析；制造CPSS全要素復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模與分析、全要素體系架構(gòu)設(shè)計(jì)分析；制造CPSS產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈設(shè)計(jì)與分析；制造CPSS的管理與控制；制造CPSS的知識管理和戰(zhàn)略管理。

（2）制造CPSS的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)和服務(wù)。制造CPSS中復(fù)雜個性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，包括：個性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的3D掃描與建模；個性化產(chǎn)品3D虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互；復(fù)雜個性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)平臺。社會制造系統(tǒng)中個性化產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，包括：個性化產(chǎn)品定制的3D打印技術(shù)；復(fù)雜個性化產(chǎn)品的眾包設(shè)計(jì)和電子商務(wù)集成體系。

（3）制造CPSS典型應(yīng)用：研制網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)、制造與服務(wù)一體化平臺，可在個性產(chǎn)品定制產(chǎn)業(yè)中選擇應(yīng)用示范，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用價值。

5　結(jié)語

本文深入地分析和理解CPSS主要場景下，其社會系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)復(fù)雜行為的動態(tài)演化規(guī)律，同時掌握其實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高效運(yùn)行目標(biāo)的有效管理與控制手段，提高國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域這類復(fù)雜系統(tǒng)的感知、分析和調(diào)控能力，有望對我國復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論前沿研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，具有重要研究意義。
CPSS研究成果推廣應(yīng)用到交通領(lǐng)域，有望為未來的復(fù)雜交通系統(tǒng)，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(yùn)行效率。推廣應(yīng)用到制造領(lǐng)域，有望為《中國制造2025》應(yīng)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(yīng)用價值。

作者簡介：

熊剛（1969-），男，研究員，博士。現(xiàn)任中國科學(xué)院自動化研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師等職，主要研究方向包括流程工業(yè)自動化、交通自動化、離散工業(yè)自動化等領(lǐng)域。先后承擔(dān)并完成40余項(xiàng)科研項(xiàng)目，包括科技部973/863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目及面上項(xiàng)目等。主編專著2本，參與撰寫3本專著3個章節(jié)。發(fā)表論文300余篇，其中SCI/EI檢索論文200余篇。獲得軟件著作權(quán)50余項(xiàng)，授權(quán)專利40余項(xiàng)。

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

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摘自《自動化博覽》2018年8月刊