信息与计算机技术

1926年，尼古拉-特斯拉在自己的著作《远程自动化》（Teleautomation）中说道：“当无线技术被大范围应用，整个地球将变成一个统一的大脑，复杂机器的操作将变得非常简单，而交流方式也将远远比如今的电话机更加便捷，能够小到足以装进自己的口袋”。这大概是对CPS和移动智能最早的预言，而后者早已被人们司空见惯。而特斯拉也是人类第一个无人装置的发明人，他于1898年设计了无人船Telautomaton。1948年，美国数学家Nobert Winer在自己的著作中第一次使用了“Cybernetics”（控制论）这个词，它的来源又可以追溯到希腊词根“kybernetes”，意为舵手或调节器，所以，从Cyber这个词的本源来看，其所代表的含义并非是狭义的“网络”，而是应该理解成像舵手一样去感知、分析、协调和执行，只是后来在CPS中主要扮演这个角色的是网络系统。Winer在二战期间主持了美国新一代自控火炮的研究，为现在的控制理论奠定了基础，他的理论与后来业界普遍使用的反馈控制系统非常类似，只是后者大量使用了计算机作为计算工具，而网络的出现则是四十年以后的事情了。赛博空间（Cyberspace）最早来源于美国科幻小说家William Gibson在1984年出版的Neuromancer，指的是计算机网络所支持的交流环境。自此，Cyber这一前缀才统指与计算机、信息技术以及后来互联网等相关的事物。

1988年，时任Xerox PARC实验室首席科学家的Mark Wiser首次提出了普适计算（ubiquitous computing）的概念，与当时盛行的桌面计算环境（台式机）不同，普适计算强调的是人们可以随时随地在任意设备中使用计算资源，支撑普适计算的底层技术包括网络环境、中间件、操作系统、高移植性编程语言、微处理器和新一代交互方式。普适计算是真正意义上革命性的变革，也是后来的移动智能、云计算、嵌入式智能、边缘计算和新一代交互形式等技术的基础。美国麻省理工学院（MIT）的氧气计划（Project Oxygen，其目的是让计算像氧气一样随处可得）对普适计算做了非常形象的阐述：“在未来，计算将以人为核心，它像空气一样随处可得。可配置的通用计算装置，无论是便携式的或嵌入式的，将在我们需要的时候提供易得的计算能力。这些计算装置将自动适配我们的个人信息，并充分尊重我们的隐私和信息安全。我们与它们的交互也将更加自然，正如我们与人交流需表达意图时所使用的自然语言和肢体语言一样”。可配置的通用计算装置听起来像是很高深的技术，其实在现实生活中已经非常普遍了。例如，我们无论在哪一个手机上登录微信都可以迅速将我们的信息“移植”，并获得完全相同的功能，这就是高灵活度的个性化计算服务。现在，我们距离通用计算还有最后一道屏障，即这些计算还必须依附在一个移动设备和APP上，未来可能只需要一个统一资源定位符（URL）我们就可以通过无处不在的交互接口访问所有的信息和计算资源了。

说到这里，其实已经将CPS产生的历史背景和它的3个核心技术元素（控制、通信、计算）的发展脉络进行了较为详细的梳理，为接下来讨论CPS的含义提供一些背景信息。

大部分文献将Cyber-Physical System翻译成“信息-物理系统”，但我们认为这个翻译并不准确，容易引起对CPS内涵的曲解。首先Cyber并不单指信息，更不是泛信息化或信息科技（IT）的概念，其内涵包括了感知、分析、记忆、优化、决策、协作和执行等许多要素；其次，Physical也不仅仅是“物理”的意思，更重要的含义是“规律”，美国国家科学基金会（NSF）对CPS的解释是在自然或人为定义的规律中运行的系统（System under nature or human-made law），包括了物理、环境、相关性、社群等更加广泛的含义，但物理模型只是用来管理这些规律的手段之一。

因此，我们认为，CPS译为“赛博-实体系统”或许更加合适，实体系统代表的是对功能性的管理和建模，而赛博系统则是对实体、环境和活动之间关系性的管理和建模。

实际上，CPS是一个复杂性很高的系统，是多领域学科不同技术发展融合的结果。不同领域的研究者对CPS理解的侧重点也各不相同，这不仅体现在应用领域之间的差异，甚至CPS的技术切入点都不尽相同，所以很难完全达成共识并给出一个精确而权威的定义。企图给CPS一个准确和能被广泛接受的定义，难免会陷入泛学术化的技术流派间的争论，这对CPS的发展和应用并不会起积极作用。所以，CPS到底是什么技术并不重要，理解CPS的意义和目的更加重要。