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》。

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，https://www.innovation4.cn/library/r18504

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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