景軒 姚錫凡

信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS)是在廣泛的時空維度中,將信息空間與物理空間的實體進行網(wǎng)絡(luò)化的深度融合,通常由傳感–執(zhí)行系統(tǒng)采集和執(zhí)行物理信息,通過信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行信息的處理和傳遞,通過計算控制系統(tǒng)進行綜合決策,實現(xiàn)物理系統(tǒng)到信息系統(tǒng)的映射和信息系統(tǒng)對物理系統(tǒng)的控制決策.美國自然科學(xué)基金會最早將CPS定義為與網(wǎng)絡(luò)部件密切協(xié)作的物理感知系統(tǒng),可以實現(xiàn)3C(Computation,communication,control)功能,從而提供廣泛的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[1];2016年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布了信息物理系統(tǒng)框架1.0版本,從研究內(nèi)容和研究過程兩方面架構(gòu)了CPS理論研究框架,指出CPS的概念模型是能與人進行密切交互的系統(tǒng)的系統(tǒng)(System of system,SoS)[2];2015年7月,歐盟發(fā)布CyPhERS CPS歐洲路線圖和戰(zhàn)略,強調(diào)了CPS對歐洲社會各方面發(fā)展的戰(zhàn)略意義[3];德國將CPS作為實現(xiàn)工業(yè)4.0的支柱技術(shù),在2015年發(fā)布的CPS研究報告中強調(diào)了CPS的潛力,分析了未來的機遇與挑戰(zhàn)[4].

信息革命引發(fā)的核反應(yīng)在物理系統(tǒng)中連續(xù)釋放出驚人的能量.信息空間與物理空間的交互速度、交互范圍、交互深度、交互密度急劇增加,借助大數(shù)據(jù)科學(xué),信息物理系統(tǒng)向著知識密集型的萬物智能互聯(lián)方向發(fā)展;信息的激增使人際交互更加密切,信息物理系統(tǒng)的最終服務(wù)對象是人類社會,面向服務(wù)的架構(gòu)更適應(yīng)于競爭激烈的網(wǎng)絡(luò)信息化市場,借助虛擬化技術(shù)和云霧計算等架構(gòu),信息物理系統(tǒng)向著務(wù)聯(lián)化的方向發(fā)展;隨著智能移動設(shè)備人均保有量的迅速提高,信息的人均保有量、流通量、透明度增大,借助萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和面向服務(wù)的架構(gòu)體系,人類的社會特性將逐漸滲透信息物理系統(tǒng),使信息物理系統(tǒng)向著廣義互聯(lián)的社會化方向發(fā)展.

社會化是CPS發(fā)展的必然趨勢,最終形成社會信息物理系統(tǒng)(Social CPS,SCPS),圖1為社會信息物理系統(tǒng)的演進歷程.嵌入式系統(tǒng)(Embedded system,ES)和智能體系統(tǒng)(Agent)可以認為是CPS的早期形式,但它們的專用性較強,交互范圍有限.信息通信技術(shù)(Information communication technology,ICT)的發(fā)展使CPS的覆蓋范圍迅速擴張,引發(fā)數(shù)據(jù)井噴,數(shù)據(jù)量的激增形如一把雙刃劍,一方面促進了大數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展,使CPS由淺層信息密集系統(tǒng)升級為深層知識密集系統(tǒng),有助于建立完整可靠的數(shù)字孿生(Digital twin)系統(tǒng);另一方面,復(fù)雜的孿生系統(tǒng)給建模和控制帶來了技術(shù)困難,與此同時,龐雜的數(shù)據(jù)量也引起了IT資源的匱乏.

基于模塊化建模和網(wǎng)絡(luò)化控制形成的離散控制系統(tǒng)(Discrete control system,DCS)可以改善復(fù)雜系統(tǒng)的建模和控制問題,結(jié)合人工智能技術(shù)形成的多智能體系統(tǒng)(Multi agent system,MAS)具有更好的自適應(yīng)性和自組織性.但隨著移動設(shè)備和可穿戴智能設(shè)備人均保有量的快速增長,人聯(lián)網(wǎng)(Internet of people,IoP)已逐漸融入物聯(lián)網(wǎng)的脈絡(luò)中,MAS結(jié)合人的柔性經(jīng)驗形成的人機交互系統(tǒng)(Human machine interaction,HMI)具有更好的復(fù)雜任務(wù)處理能力和作業(yè)魯棒性.基于無線傳感網(wǎng)和無線傳感執(zhí)行網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù),形成了復(fù)雜的社會化物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things,IoT).

針對IT資源匱乏問題,人們把目光投向了虛擬化技術(shù)(Virtualized machine,VM),結(jié)合面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-oriented architecture,SOA)模式,形成云(Cloud)服務(wù),實現(xiàn)硬件與應(yīng)用的邏輯分離,從而有效提高IT資源的利用率.由于服務(wù)不能脫離人類社會,資源相較集中的云計算架構(gòu)已經(jīng)不能滿足信息物理系統(tǒng)的地理分散性、時效性、移動性、社會性、節(jié)能性和安全性等要求,因此需要將計算單元擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣,邊緣計算(Edge computing)、霧計算(Fog computing)和移動計算(5G)可以提供高性能的務(wù)聯(lián)網(wǎng)(Internet of service,IoS)架構(gòu),有效平衡服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)體驗感之間的矛盾,特別是隨著信息透明度和共享性的增加,安全隱私和信任危機等問題日漸嚴峻,區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)去中心化、去信任化、共享化和可編程智能化,由此提高信息網(wǎng)絡(luò)空間的安全性和可靠性,成為分布式計算架構(gòu)的核心支撐技術(shù).

圖1 社會信息物理系統(tǒng)的演進過程Fig.1 Evolution process of social cyber-physical system

IoT、IoP和IoS三網(wǎng)交織疊加,使物與物、人與人、人與物形成的信息物理融合系統(tǒng)具有廣義互聯(lián)的社會化特點.研究信息物理系統(tǒng)的社會化特點,有助于指導(dǎo)信息物理系統(tǒng)在社會生產(chǎn)中的應(yīng)用.

在CPS中,物理世界的智能體可以在網(wǎng)絡(luò)空間進行廣泛而密切的自組織交互作業(yè),從而摒除了地理界限,縮小了物理延時和復(fù)雜隨機環(huán)境的干擾,因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)[5].在2013年的漢諾威工業(yè)博覽會上,德國正式提出基于CPS的工業(yè)4.0概念[6],強調(diào)從水平價值網(wǎng)絡(luò)、垂直制造系統(tǒng)和端對端工程價值鏈三個方面提高工業(yè)系統(tǒng)的集成度;2016年,德國人工智能研究中心(Deutsche Forschungszentrum fr Knstliche Intelligenz,DFKI)建立了全球第一個已投產(chǎn)的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)實驗室[7];2015年,我國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃,強調(diào)了CPS對制造系統(tǒng)的重要性[8].由此可見,工業(yè)系統(tǒng)的第四次升級需要以信息物理系統(tǒng)作為基礎(chǔ)環(huán)境.智能制造的前身是計算機集成制造(Computer integrated manufacturing systems,CIMS),計算機技術(shù)與制造設(shè)備的集成提升了制造過程的自動化水平,但由于早期大多采用開環(huán)控制,并且缺乏設(shè)備間的交互,因此通常存在及時性差、信息孤島、設(shè)備主動性差等缺點,影響綜合制造性能[9].基于CPS的生產(chǎn)系統(tǒng),采用分布式傳感器–執(zhí)行器閉環(huán)控制,使設(shè)備具有自適應(yīng)能力,通過網(wǎng)絡(luò)空間的信息交互,使設(shè)備間實現(xiàn)自組織協(xié)同作業(yè),提高制造系統(tǒng)整體性能.雖然CPS在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了豐富的研究成果,但至今沒有一個統(tǒng)一的架構(gòu)和體系標(biāo)準(zhǔn).Monostori[10]研究了信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber-physical production system,CPPS),指出CPPS是計算機科學(xué)、通信技術(shù)和自動化制造的有機結(jié)合,它將企業(yè)規(guī)劃層、工廠管理層、過程控制層和部分設(shè)備控制層的金字塔式層級結(jié)構(gòu)離散化,從而實現(xiàn)制造系統(tǒng)的自主分布式控制.Lee等[11]提出了將CPS應(yīng)用于制造系統(tǒng)的5C(Connection,conversion,cyber,cognitive,configuration)架構(gòu),從低到高分別實現(xiàn)環(huán)境感知、自我感知、同輩感知、優(yōu)化決策和彈性控制;Wiesner等[12]強調(diào)了生產(chǎn)服務(wù)化的理念,提出了一種結(jié)合CPS和生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)的信息物理生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)概念;Ecer[13]指出隨著人與信息模型的優(yōu)化交互日益密切,社會化的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)將成為發(fā)展和研究趨勢;姚錫凡等[14]將“四網(wǎng)”(物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容知識網(wǎng)、人聯(lián)網(wǎng))與制造技術(shù)深度融合,提出了人機物協(xié)同的智慧制造模式,形成社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Social cyber-physical production system,SCPPS)–智慧制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系[15],延伸和拓展了工業(yè)4.0理念下的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng).王飛躍提出了社會物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Cyber-physicalsocial systems,CPSS)的概念[16?17],指出社會計算是社會制造的基礎(chǔ),社會計算能及時獲取和轉(zhuǎn)化信息,借助虛擬計算實驗進行可行性驗證,平行管理和控制系統(tǒng)為社會制造系統(tǒng)提供有效的操作平臺[18].

由此可見,人們已從CPS轉(zhuǎn)向更大范圍的SCPS視角來探討智能(智慧)制造,本文對此加以綜述評價.首先對基于CPS的智能制造–信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)進行綜述,然后進一步拓展到基于SCPS的智慧制造–社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng),最后對社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的標(biāo)準(zhǔn)化、人性化和安全化等挑戰(zhàn)及其關(guān)鍵技術(shù)進行探討.

1 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 CPPS模型

信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)由傳感執(zhí)行層、信息網(wǎng)絡(luò)層和計算控制層組成.傳感執(zhí)行層負責(zé)生產(chǎn)系統(tǒng)的物理執(zhí)行過程和信息感知過程;信息網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)物理數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和傳感執(zhí)行層與計算控制層之間的信息交互;計算控制層負責(zé)對生產(chǎn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)進行挖掘和分析,結(jié)合人工智能技術(shù)將龐雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識模型,并通過云技術(shù)形成云服務(wù),共享于生產(chǎn)系統(tǒng)中,提高各個子系統(tǒng)的協(xié)同能力.制造系統(tǒng)的物理功能具體表現(xiàn)在傳感執(zhí)行層,但同時與信息網(wǎng)絡(luò)層和計算控制層的參與密不可分.制造系統(tǒng)的物理功能分為企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)外部兩部分,企業(yè)內(nèi)部主要進行企業(yè)資源計劃、生產(chǎn)執(zhí)行管理和各部門之間的協(xié)調(diào)管理,企業(yè)外部主要進行客戶關(guān)系管理(Customer relationship management,CRM)和供應(yīng)商關(guān)系管理(Supplement relationship management,SRM).信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖如圖2所示.

制造企業(yè)內(nèi)部由智能體和管理操作人員組成,智能體具有感知、推理、分析、通信和決策能力,多智能體間通過協(xié)同作業(yè),形成生產(chǎn)內(nèi)部的多智能體系統(tǒng),可以實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性自治.人與智能體的協(xié)同作業(yè),可以充分結(jié)合人的魯棒性和智能體的高效性.企業(yè)內(nèi)部的人事管理(Human relationship management,HRM)可以優(yōu)化內(nèi)部人際關(guān)系和組織機制,形成團隊優(yōu)勢.

圖2 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.2 Cyber-physical production system

制造企業(yè)外部主要進行面向客戶和供應(yīng)商的市場資源優(yōu)化,并據(jù)此調(diào)整企業(yè)內(nèi)部的相關(guān)決策.隨著客戶需求多樣性的不斷提高,制造業(yè)逐漸呈現(xiàn)出長尾趨勢[19],即制造系統(tǒng)將由大批量定制轉(zhuǎn)換為大規(guī)模個性化生產(chǎn),因此要保持優(yōu)良的客戶關(guān)系,首先要及時了解市場需求和用戶意見,其次要具有柔性程度較高的生產(chǎn)系統(tǒng),可以根據(jù)市場反饋信息進行預(yù)測制造(Predictive manufacturing,PM),Lee等[20]提出了利用CPS實現(xiàn)預(yù)測制造的系統(tǒng)方法;Lam等[21]通過收集特許客戶的數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一個客戶關(guān)系挖掘系統(tǒng),并通過客戶的需求和行為形成市場策略;Xu等[22]提出了一種實現(xiàn)云制造環(huán)境下的面向客戶大批量定制,通過集成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊規(guī)則提取原始數(shù)據(jù)中的語義信息,以此來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計.除此之外,提高用戶參與度有助于提高用戶體驗感從而實現(xiàn)與用戶的密切交互[23],企業(yè)需要建立完整的用戶體驗歷程圖(Customer journey map,CJM),提高生產(chǎn)各階段的用戶參與度,為此需要對生產(chǎn)系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計(Modular design,MD).Bertolotti等[24]利用開源部件和實時操作系統(tǒng)構(gòu)建成熟的模塊化網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng),并通過CPS將制造過程虛擬化,配置在云端形成服務(wù),從而增強與客戶的互動,提高服務(wù)質(zhì)量;Stark等[25]針對CPPS的設(shè)計,提出了一種新的架構(gòu)設(shè)計方法,從而形成模塊化的CPPS,并通過虛擬化的方法進行功能校驗;Tan等[26]針對產(chǎn)品的個性化制造,提出了一種基于裝配的優(yōu)化組合策略,并基于CPS為用戶提供協(xié)同設(shè)計平臺,提高產(chǎn)品的靈活性和用戶參與度.企業(yè)與供應(yīng)商之間的關(guān)系管理,需要從市場資源配置、倉儲管理(Storage management,SM)和物流管理(Logistic management,LM)三個方面進行,這都離不開充分、可靠、及時的信息,因此信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同起到了至關(guān)重要的作用.Mladineo等[27]指出工業(yè)4.0環(huán)境下的CPPS架構(gòu)趨于扁平化,并從信息物理生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的信息通信角度提出了一種動態(tài)聯(lián)盟合作商的類人蟻群優(yōu)化算法;Wang等[28]構(gòu)建了一個基于服務(wù)的云制造平臺,用于廢舊電子設(shè)備的再利用和再制造;Qiu等[29]提出了支持物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的工業(yè)園區(qū)物流服務(wù),企業(yè)間可進行實時智能交互,從而實現(xiàn)實體資產(chǎn)和服務(wù)的高效共享.Addo-Tenkorang等[30]構(gòu)建了企業(yè)供應(yīng)鏈同步網(wǎng)絡(luò)的概念架構(gòu),結(jié)合社會網(wǎng)絡(luò)理論進行多角度混合建模分析.

1.2 CPPS實現(xiàn)技術(shù)

1)嵌入式與智能體技術(shù)

CPS是在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,將計算控制單元嵌入執(zhí)行單元,使設(shè)備具有即時響應(yīng)能力.但由于簡單的嵌入式系統(tǒng)專用性強,缺乏可重構(gòu)柔性,針對大型復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng),Xilinx和Altera等公司提出了現(xiàn)場可編程門陣列(Fieldprogrammable gate array,FPGA)的嵌入式解決方案,實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)[31].單純的計算控制單元嵌入僅能實現(xiàn)開環(huán)控制,設(shè)備沒有感知能力和誤差反饋能力,控制性能差,因此需要將傳感單元、控制單元和執(zhí)行單元集成于一體,成為具有感知、決策和執(zhí)行能力的閉環(huán)控制系統(tǒng),即智能體.嵌入式系統(tǒng)針對特定智能體與特定環(huán)境間的閉環(huán)交互,而CPS強調(diào)多領(lǐng)域智能體間通過網(wǎng)絡(luò)交互實現(xiàn)復(fù)雜的物理交互.Long等[32]基于嵌入式技術(shù),將數(shù)字控制系統(tǒng)的功能模塊化,形成可以靈活調(diào)用的數(shù)字加工網(wǎng)絡(luò),從而提高設(shè)備資源利用率;徐鋼等[33]根據(jù)鋼鐵制造過程的特點,研究了采用嵌入式CPS方法的產(chǎn)品質(zhì)量在線管控系統(tǒng)架構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量管控模型,從而實現(xiàn)全流程產(chǎn)品質(zhì)量在線動態(tài)管控與優(yōu)化.

2)通信技術(shù)

通信技術(shù)主要包括傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和傳輸網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),傳感網(wǎng)絡(luò)負責(zé)物理信息的采集和物理設(shè)備間的通信,通常采用短距離的無線通信技術(shù),例如RFID,NFC,Bluetooth,ZigBee,UWB,60GHz等.傳輸網(wǎng)絡(luò)負責(zé)信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸,通常分為有線通信和無線通信兩類,有線通信依靠雙絞線、同軸電纜、光纖等傳播介質(zhì)進行信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸;無線通信通常采用移動蜂窩技術(shù),例如GSM(2G),GPRS(2.5G),UMTS(3G),LTE,LTE-A(4G)等實現(xiàn)移動設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)無線通信,以及采用WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù),例如WI-FI,WiMAX等實現(xiàn)局域范圍內(nèi)的無線通信.隨著智能移動通信設(shè)備量的激增,到2020年,物與物的通信量將是人與人通信量的30倍[34].面向未來網(wǎng)絡(luò)通信的泛在互聯(lián),需要具有數(shù)據(jù)流量大、覆蓋范圍廣、支持密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、支持高速移動、能耗低、時延小等優(yōu)點的新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),因此5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)運而生[35].在信息傳輸方面,通過超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Ultra-dense networks,UDN),部署更密集的基站從而提高網(wǎng)絡(luò)流量和傳輸速率[36];大規(guī)模MIMO技術(shù)可使天線數(shù)增加至上百條,從而有效擴大網(wǎng)絡(luò)通信用戶容量[37];采用D2D通信能有效緩解基站通信壓力[38];正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)可以實現(xiàn)時分復(fù)用(Time division multiple access,TDMA)、頻分復(fù)用(Frequency DMA,FDMA)和碼分復(fù)用(Code DMA,CDMA)等多址接入技術(shù)的兼容,提高信息傳輸效率[39].在網(wǎng)絡(luò)的組織架構(gòu)方面,自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Self-organized network,SON)使信息網(wǎng)絡(luò)具有自布置和自維護的功能,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)(Network function virtualization,NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Software define network,SDN)可以將邏輯功能從物理硬件中解耦出來,通過軟件化調(diào)用實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的可編程控制[40];將內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Content distribution network,CDN)引入虛擬代理網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)信息的智能高效分發(fā)[41];信息中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Information-centric network,ICN)將信息傳播從傳統(tǒng)“推”的模式(TCP/IP,以主機地址為中心)轉(zhuǎn)換為“拉”的模式(以信息為中心),實現(xiàn)信息高效獲取[42].

3)大數(shù)據(jù)科學(xué)

隨著終端設(shè)備智能化水平的提高、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及控制算法的改進,CPS的重心由物理感知系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)在更廣時空維度、更深交互層次的融合,因此引發(fā)了數(shù)據(jù)的井噴式增長,由此誕生了大數(shù)據(jù)科學(xué),從通過理論建模來尋找事物間的因果關(guān)系轉(zhuǎn)換為基于大數(shù)據(jù)挖掘分析的相關(guān)關(guān)系研究,從而能深入挖掘表面現(xiàn)象下的隱藏邏輯,提高CPS的融合度.Liu等[43]指出建立CPS的控制模型時,不能忽略由復(fù)雜大數(shù)據(jù)引起的控制混沌問題,并據(jù)此提出了一種基于模糊反饋線性化的混沌時間序列預(yù)測算法;Venkatesan等[44]針對空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性,基于緊湊模式樹算法提出了協(xié)同定位分類策略,用于未知數(shù)據(jù)的標(biāo)簽預(yù)測.將大數(shù)據(jù)科學(xué)用于制造系統(tǒng),不但可以高效利用生產(chǎn)信息從而提高生產(chǎn)效率,也能用于市場信息挖掘從而實現(xiàn)預(yù)測制造和主動制造[45].Babiceanu等[46]提出了一種基于大數(shù)據(jù)科學(xué)的CPPS架構(gòu),提高了制造系統(tǒng)的復(fù)雜事件的處理能力;Chen等[47]利用指令域名方法建立了工件加工的CPS模型,并基于G代碼的對數(shù)控加工過程進行定量描述,通過對加工大數(shù)據(jù)的分析進行參數(shù)優(yōu)化和設(shè)備診斷;Kuang等[48]針對社交網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)激增問題,綜合客戶信息的信息熱度、發(fā)布者與用戶親密度和用戶興趣領(lǐng)域三方面的大數(shù)據(jù)分析預(yù)測,提出了一種價值信息推薦機制.

4)數(shù)字孿生

由于數(shù)據(jù)的豐富,信息空間與物理世界的模型匹配度增高、匹配范圍增大,逐漸形成了數(shù)字孿生系統(tǒng),美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)在基于數(shù)字孿生的空軍飛行器的發(fā)展研究中指出,數(shù)字孿生是多物理、多領(lǐng)域基于物理模型、傳感更新和歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與仿真的系統(tǒng)[49];Grieves[50]指出數(shù)字孿生由物理產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品和物理與虛擬空間的交互信息三部分組成;Ma等[51]描繪了一個信息支持的新世界,由信息世界和與信息世界相鉸鏈的物理、社會和精神世界組成,信息實體可以是物理實體在信息空間的映像,也可以是信息世界的虛擬實體.構(gòu)建數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)可以提高制造系統(tǒng)的實時可觀性和可控性,有利于提高CPPS的融合廣度和深度.Alam等[52]提出了一種基于云的CPS數(shù)字孿生架構(gòu),用于不同程度的混合計算模式識別,利用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了CPPS的智能交互控制器,使系統(tǒng)具有較好的實時性和重構(gòu)性;Tao等[53]基于數(shù)字孿生研究了車間數(shù)字孿生系統(tǒng),討論了物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)和車間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)四大成分的關(guān)鍵技術(shù)和集成策略,并進一步提出了一種基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的全生命周期產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)方案[54];Schroeder等[55]利用生產(chǎn)系統(tǒng)通用數(shù)字交換格式對有關(guān)數(shù)字孿生系統(tǒng)的屬性進行建模,有助于混合數(shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)字格式轉(zhuǎn)換.然而,在信息空間建立物理世界的完整模型,形成完全的數(shù)字孿生系統(tǒng)是不切實際的.一方面,對龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)進行準(zhǔn)確建模和精確控制的難度非常大;另一方面,完全的數(shù)字孿生系統(tǒng)需要巨大的存儲空間、強大的計算機處理能力和充足的網(wǎng)絡(luò)帶寬,特別在IT資源彌足珍貴的大數(shù)據(jù)時代,有選擇的進行信息物理融合對于提高融合效率和經(jīng)濟性至關(guān)重要.

5)離散控制系統(tǒng)

針對復(fù)雜系統(tǒng)難以進行準(zhǔn)確建模和精確控制的問題,學(xué)者們采用離散控制策略,對龐雜的系統(tǒng)進行分解建模和分布控制,不但提高了控制系統(tǒng)的整體性能,還賦予了復(fù)雜系統(tǒng)靈活的自組織能力和擴展能力,提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性.Misik等[56]研究了大型離散系統(tǒng),總結(jié)了離散時間、連續(xù)時間離散化和多子系統(tǒng)解耦合等理論模型.隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)[57](Wireless sensor network,WSN)和無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor actuator network,WSAN)的應(yīng)用,離散控制系統(tǒng)可以無限擴張至每一個智能體設(shè)備的應(yīng)用邊緣,基于傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Distributed networked control system,DNCS)可以極大程度提高信息物理系統(tǒng)的融合廣度和融合深度.Gupta等[58]從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)延時、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度分配、實時網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)部件集成和系統(tǒng)容錯性等方面對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的總結(jié);Mangharam等[59]提出了一種嵌入式虛擬機計算方法,將控制器與物理底層設(shè)備解耦,使控制任務(wù)可以在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中遷移,借助無線傳感網(wǎng)絡(luò),將動態(tài)網(wǎng)絡(luò)視為控制器,從而生成適用于信息物理系統(tǒng)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)離散控制,證明了系統(tǒng)的魯棒性和可擴展性;Lu等[60]針對工業(yè)環(huán)境的實時性挑戰(zhàn),從基于WSAN的實時調(diào)度和無線信息物理協(xié)同設(shè)計兩方面研究了WSAN在工業(yè)控制中的應(yīng)用;Ge等[61]通過網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的集中、分布、離散三種布置方式對比,闡述了離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的優(yōu)越性,從控制、通信和計算三個方面分析了離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計難點和研究現(xiàn)狀,并從圖論、拓撲結(jié)構(gòu)、觸發(fā)方式三方面介紹了DNCS方法論;Adamson等[62]針對信息物理系統(tǒng)中的自適應(yīng)離散化制造,結(jié)合產(chǎn)品制造特征和事件驅(qū)動功能模塊提出了一種基于特征的制造概念,用以實現(xiàn)設(shè)備自適應(yīng)控制和在離散協(xié)作制造環(huán)境中的設(shè)備資源任務(wù)匹配.雖然離散控制策略具有一定優(yōu)勢,但隨著系統(tǒng)離散程度的增大,系統(tǒng)的復(fù)雜性也急劇增加,離散網(wǎng)絡(luò)的信息交互出現(xiàn)瓶頸.Garca-Valls等[63]指出,要使離散化的CPS實現(xiàn)更好的融合,核心是利用通信中間件技術(shù),但由于中間層的引入會引起系統(tǒng)延時并增加系統(tǒng)不確定性,因此提出了中間件的選擇方法和參數(shù)的微調(diào)方法,以適應(yīng)不同領(lǐng)域和范圍的離散化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);Etxeberria-Agiriano等[64]提出了通過中間件進行離散資源和服務(wù)延時管理的協(xié)作拓撲結(jié)構(gòu),并分析了在隨機環(huán)境中的自適應(yīng)性;Ishizaki等[65]針對離散控制系統(tǒng)的復(fù)雜性問題,提出了一種可以保留控制系統(tǒng)空間離散特性的離散保留模型簡化機制;Zarrin等[66]針對離散系統(tǒng)復(fù)雜的資源查詢問題,從底層基礎(chǔ)、查詢技術(shù)、評價指標(biāo)等方面進行重新分類,對相關(guān)技術(shù)給出了詳細評述;Ren等[67]分析了離散控制系統(tǒng)因延時和丟包等問題引起的滑移模態(tài)震顫,基于李雅普諾夫函數(shù)方法,給出了線性矩陣不等式形式的指數(shù)穩(wěn)定條件,分析了滑移系統(tǒng)的震顫特性,并研究了采樣頻率和外界干擾對震顫域的影響.

6)多智能體系統(tǒng)

隨著群體智能研究的不斷深入以及人工智能(AI)領(lǐng)域的飛躍式發(fā)展,誕生了多智能體系統(tǒng),智能體間通過協(xié)同合作將復(fù)雜的物理作業(yè)分解、并行執(zhí)行,提高了系統(tǒng)作業(yè)效率,系統(tǒng)不需要在信息空間建立完整而詳細的計算模型,節(jié)省了計算資源.智能體具有感知、控制和執(zhí)行能力,結(jié)合AI技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)提高作業(yè)性能和環(huán)境適應(yīng)性,通過多智能體的自適應(yīng)和自組織使整個系統(tǒng)更具靈活性和自治性,因此成為現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的研究重點.多智能體系統(tǒng)的難點在于如何描述智能體復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的隱含關(guān)系;如何權(quán)衡離散與集中機制從而實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的可控性;如何實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的高效信息物理交互等.Cao等[68]從一致收斂、編隊控制、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)評價方面系統(tǒng)介紹了多智能體系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀;Valckenaers等[69]針對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng),提出了基于自適應(yīng)和自組織規(guī)則的合弄控制架構(gòu)(ADAptive holonic COntrol aRchitecture for distributed manufacturing systems,ADACOR),并討論了在不削弱個體能力的前提下實現(xiàn)子系統(tǒng)間的自適應(yīng)和自組織交互;Barbosa等[70]在合弄控制的研究基礎(chǔ)上,基于生物進化理論,設(shè)計了考慮行為和結(jié)構(gòu)向量的二維自組織機制,使系統(tǒng)能根據(jù)緊急任務(wù)進行進化和自組織;Sanislav等[71]提出了包含多個智能體子系統(tǒng)的架構(gòu),用于監(jiān)測和預(yù)防系統(tǒng)硬件失效,從而保證CPS的可靠性;Taboun等[72]提出了嵌入式智能無線傳感網(wǎng)絡(luò),智能傳感節(jié)點可以獲知局域網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信端口狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)和任務(wù)等級等,并通過與聚類節(jié)點之間的智能通信,實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)路由和集聚;Verma等[73]設(shè)備通信域分為設(shè)備域、網(wǎng)絡(luò)域和應(yīng)用域,設(shè)備通過P2P(Peerto-peer)模型在設(shè)備域中通信,用戶域設(shè)備間通過client/server模型進行通信,并綜合介紹了設(shè)備通信的特點、標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)流量應(yīng)用類型.基于多智能體技術(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)不但可以發(fā)揮智能設(shè)備生產(chǎn)效率高和通信實時性強的特點,還可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程動態(tài)組織、調(diào)度和擴展,提高生產(chǎn)系統(tǒng)自治化程度和柔性.Xu等[74]基于智能工廠的研究現(xiàn)狀,提出了基于大數(shù)據(jù)的智能生產(chǎn)線模式識別、拓撲建模、預(yù)測方法和基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法,以及基于云的機器自組織配置機制;Zhang等[75]針對車間生產(chǎn)系統(tǒng),構(gòu)建了任務(wù)資源調(diào)度自組織模型和動態(tài)環(huán)境自適應(yīng)模型,從而實現(xiàn)車間多智能體的動態(tài)協(xié)同;Jiang等[76]研究了基于多智能體的離散系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略.

7)人機協(xié)同

雖然多智能體系統(tǒng)具有一定自治性,但不能缺少人的監(jiān)督、干預(yù)和管理,CPPS是人、物和信息三者的有機融合[77].多智能體系統(tǒng)的高效性和人的柔性事物處理能力相結(jié)合,可以完成系統(tǒng)性更強、復(fù)雜度更高的任務(wù),因此人機協(xié)同系統(tǒng)成為CPS的另一個研究熱點.人機交互能力是人機協(xié)同系統(tǒng)的關(guān)鍵,目前的主要交互方式有感官交互和生物電波交互.Castelli等[78]提出了一種基于機器學(xué)習(xí)混合高斯算法的視覺識別方法,較大程度縮減了識別響應(yīng)時間;Vafadar等[79]提出了一種基于視覺的手勢識別方法,通過對時空卷積、運動軌跡圖像和特征空間特征三種算法的對比,得出時空卷積算法具有明顯優(yōu)勢;Xu等[80]設(shè)計了一種基于注視的人機協(xié)同系統(tǒng),通過實驗證明,人機對視有助于提高語言和行為的一致性和同步性;Rascon等[81]利用多方面位到達估計,設(shè)計了遠距離聲源定位系統(tǒng),用于復(fù)雜聲環(huán)境下的有效人機交互;Alonso-Martn等[82]將人機交互觸覺特征的識別過程,轉(zhuǎn)換為利用機器學(xué)習(xí)對接觸音頻信號進行特征識別的過程,有效提高了交互系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性;Gastaldo等[83]采用壓電樹脂材料,利用機器學(xué)習(xí)算法對具有連續(xù)張量形態(tài)的原始接觸數(shù)據(jù)進行分析,從而實現(xiàn)接觸模式識別;Cherubini等[84]提出了一種多交互模式的通用控制架構(gòu),使控制模式在多交互模式間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的人機交互可靠性;Katona等[85]利用腦電圖實現(xiàn)人腦對機器的控制,設(shè)計了控制系統(tǒng)以及腦電波的用戶可視化界面;Saproo等[86]通過神經(jīng)信號,將計算系統(tǒng)與大腦皮層計算進行生物耦合,從而實現(xiàn)機器計算與人腦計算的協(xié)同;Ma等[87]基于眼動電圖和腦電圖混合的方法實現(xiàn)人機交互,眼動電圖進行眼部運動監(jiān)測,腦電圖進行時間關(guān)聯(lián)電位監(jiān)測,從而協(xié)助有運動障礙的病人的日常生活;Karunanayaka等[88]通過大量生物實驗研究,指出溫度的變化將引起味覺的變化,并據(jù)此提出了一種基于熱傳感的熱味覺傳感技術(shù);Frank等[89]針對多智能體在人機協(xié)同環(huán)境下的評估和控制挑戰(zhàn),對移動設(shè)備采用視覺和慣性的混合傳感,從而提高系統(tǒng)執(zhí)行力、靈活度和計算效率.除了傳統(tǒng)的感官交互,為了與具有復(fù)雜情感的人類進行深度有效的交互,越來越多的研究傾向于人機情感交互.Esposito等[90]指出,為了實現(xiàn)可信賴的人機交互,必須結(jié)合社會行為和情感數(shù)據(jù)對心理因素和計算方法進行綜合研究;Cooney等[91]通過實驗證明,觸覺交互是人機情感交互的重要組成部分;Hossain等[92]提出了一種基于視覺和聲音的情感識別方法,采用多方位回歸進行聲音特征識別和多尺度集合分析變換進行人臉特征識別.目前主流的人機交互技術(shù)有虛擬現(xiàn)實(Virtual reality,VR)、增強現(xiàn)實(Augment reality,AR)和混合現(xiàn)實(Mixed reality,MR)等.VR技術(shù)通過將物理實體鏡像映射于信息空間內(nèi),實現(xiàn)物理實體與信息實體在信息空間的沉浸式虛擬交互,從而提升感官體驗感;Matsas等[93]指出人機協(xié)同可以提高制造過程的主動性和自適應(yīng)性,并采用虛擬現(xiàn)實的方法提高生產(chǎn)過程人機協(xié)同能力和用戶滿意度.AR技術(shù)通過將信息空間的物體映射于物理空間,借助虛擬傳感器技術(shù)[94],實現(xiàn)物理實體與信息實體在物理空間的真實交互.Tabbache等[95]設(shè)計了一種基于卡曼濾波和龍伯格觀測算法的虛擬傳感器,結(jié)合速度傳感信號來實現(xiàn)電動汽車傳動系統(tǒng)的容錯控制;Brizzi等[96]針對虛擬環(huán)境下的信號失真問題,提出了一種AR遠程工業(yè)裝配方案,實驗證明AR解決方案提高了任務(wù)執(zhí)行的準(zhǔn)確性和效率,同時降低了操作技術(shù)要求.MR技術(shù)結(jié)合多種交互方式和交互技術(shù),實現(xiàn)CPS的多方位深度融合;Soete等[97]通過混合現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)視覺應(yīng)用與數(shù)字采集監(jiān)控應(yīng)用的協(xié)同,并用于計算機集成制造系統(tǒng)的自動化物流過程;Wang等[98]研究了人機協(xié)同系統(tǒng)用于工業(yè)裝配的分類和現(xiàn)狀,并探究了基于CPPS和云計算的人機共融系統(tǒng)用于裝配的特性、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用.雖然目前已有較為成熟的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,但復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)人機協(xié)同的實時性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性依然是未來發(fā)展的挑戰(zhàn).Hu等[99]指出實時信任對于建立可靠的人機協(xié)同系統(tǒng)至關(guān)重要,因此根據(jù)心理生理測量技術(shù),提出了一種基于經(jīng)驗的實時信任度傳感模型,用于獲取人的實時反應(yīng)信息;Rezazadegan等[100]通過對人機交互環(huán)境下風(fēng)險因素辨識方法和控制系統(tǒng)設(shè)計的綜合評述,指出風(fēng)險評價方法不但要考慮風(fēng)險分析函數(shù)還要進行人的可靠性分析,安全控制系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮臨近檢測、碰撞避讓、對接和順應(yīng)控制等情形;Peng等[101]針對隱私安全問題,提出了一種基于行為生物特征和語音命令的連續(xù)身份認證系統(tǒng).

8)物聯(lián)網(wǎng)

美國MIT提出的Auto-ID架構(gòu),基于無線射頻識別RFID技術(shù)實現(xiàn)物體的網(wǎng)絡(luò)物聯(lián),是最早的物聯(lián)網(wǎng)形式[102];國際電信聯(lián)盟(ITU)于2005年首次提出物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的概念,指出IoT是實現(xiàn)物與物在任意空間進行實時泛在互聯(lián)的技術(shù)[103].歐盟于2009年發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略研究路線圖》將IoT定義為動態(tài)的基于標(biāo)準(zhǔn)的、可進行互操作的通信協(xié)議且具有自配置能力的全球化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)[104].我國2010年3月的政府工作報告指出,物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[105].由此可見,IoT的內(nèi)涵與CPS有較大程度的交疊,都需要建立物理空間與信息空間的映射關(guān)系,都需要具有物理感知、網(wǎng)絡(luò)通信、監(jiān)測控制、決策執(zhí)行等能力,通過物體在信息空間的交互操作,在物理空間產(chǎn)生實際效益.IoT與CPS也有不同之處,IoT著重于物理實體的識別與信息的網(wǎng)絡(luò)層交互[106];CPS則強調(diào)面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),其實質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IoS)的有機融合體,不僅需要進行物理信息的網(wǎng)絡(luò)交互,而且要對復(fù)雜的信息事務(wù)進行及時的物理反饋與執(zhí)行[107].Cheng等[108]基于事件驅(qū)動的面向服務(wù)架構(gòu),構(gòu)建了情境感知的CPS協(xié)調(diào)平臺;Shokrollahi等[109]基于富集服務(wù)(Rich Service)架構(gòu),提出了一種大規(guī)模設(shè)備可擴展的動態(tài)IoT策略;Batalla等[110]提出了一種基于ID的物聯(lián)網(wǎng)通信接入標(biāo)準(zhǔn)(IDSECOM),從而能夠系統(tǒng)、靈活地聯(lián)結(jié)設(shè)備與服務(wù).另外,物聯(lián)網(wǎng)的研究重點在于如何使物與物在信息空間形成彼此互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò);而CPS的本質(zhì)屬性是系統(tǒng)的系統(tǒng),重點研究如何使屬于不同系統(tǒng)的物體實現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接,并實現(xiàn)高效的物理交互作業(yè).

9)虛擬化技術(shù)與云架構(gòu)

針對大數(shù)據(jù)時代IT資源日趨緊張的問題,目前最行之有效的解決方法是利用虛擬化技術(shù)打破物理計算資源和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源的固態(tài)壁壘,使硬件、軟件以及數(shù)據(jù)資源可以在網(wǎng)絡(luò)間動態(tài)遷移、彈性部署,充分提高IT資源的利用率,實現(xiàn)信息與物理的動態(tài)融合,有助于緩解數(shù)據(jù)激增與計算資源稀缺之間的矛盾.Binu等[111]介紹了兩種主要的虛擬化技術(shù);Ahmad等[112]指出,虛擬機的遷移技術(shù)對于動態(tài)虛擬資源負荷重布置至關(guān)重要,并從帶寬優(yōu)化、服務(wù)合并、能源和內(nèi)存優(yōu)化等方面對現(xiàn)有的虛擬機遷移技術(shù)進行了綜合評述;Manohar等[113]指出虛擬化技術(shù)是云計算的基礎(chǔ),通過位于物理設(shè)備和操作系統(tǒng)之間的虛擬機監(jiān)控器(VMM/hypervisor)進行物理資源配置,構(gòu)建獨立虛擬環(huán)境.云計算基于虛擬化技術(shù)和面向服務(wù)的架構(gòu)技術(shù),充分展現(xiàn)了共享–分布的哲學(xué)思想,IT資源的共享,不但縮減了數(shù)據(jù)冗余,更為用戶提供便利的服務(wù);分布式的計算存儲能力,提高了事務(wù)的并行處理能力,保證了運行的可靠性.基于云的共享性和分布性,結(jié)合大數(shù)據(jù)科學(xué),可以充分利用廣泛時空維度的網(wǎng)絡(luò)資源,提供豐富、經(jīng)濟且便利的服務(wù),更符合面向服務(wù)的價值理念,因此具有廣闊的應(yīng)用前景[114].Morariu等[115]基于大規(guī)模定制化的制造業(yè)發(fā)展趨勢,介紹了一種虛擬化的制造執(zhí)行系統(tǒng),利用并行操作實現(xiàn)智能資源配置和自動擴展;Shu等[116]提出了一種云集成的CPS架構(gòu)(CCPSA),為復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用中面臨的虛擬資源管理、云資源調(diào)度和生命周期管理等挑戰(zhàn)給出了解決方案;Li等[117]構(gòu)建了一個資源–云交互和用戶–云交互的雙閉環(huán)的智能工廠架構(gòu),基于云中反饋的大數(shù)據(jù)進行綜合分析,實現(xiàn)系統(tǒng)均載控制;Dehury等[118]結(jié)合云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種高效處理實時數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)的服務(wù)架構(gòu),利用Docker創(chuàng)建的虛擬環(huán)境提供軟件服務(wù)(Software as a service,SaaS);Mourtzis等[119]基于云計算,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析提出了一種云信息物理融合系統(tǒng)(CBCPS),并介紹了在制造系統(tǒng)中的設(shè)計方法;Colombo等[120]詳細介紹了基于云的CPS在面向服務(wù)架構(gòu)的制造系統(tǒng)中的架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用.

10)移動邊緣計算架構(gòu)

由于智能設(shè)備的發(fā)展趨于便攜輕量化,更多的智能設(shè)備具有了移動屬性,采用云架構(gòu)進行移動計算會造成數(shù)據(jù)遷移過于頻繁,從而引起網(wǎng)絡(luò)資源不足、及時性差、能耗多、用戶服務(wù)質(zhì)量下降等問題[121];另外,由于云計算的資源共享特性會引起網(wǎng)絡(luò)安全方面的威脅[122],因此需要將資源集中的云架構(gòu)轉(zhuǎn)換為資源可以動態(tài)遷移的云霧架構(gòu),采用云霧結(jié)合的計算架構(gòu)更有助于滿足CPS融合的移動性、及時性、經(jīng)濟性和安全性[123].Kumar等[124]基于離散計算環(huán)境,提出了一種邊緣計算架構(gòu),可以將網(wǎng)絡(luò)計算單元延伸到智能手機、傳感節(jié)點、穿戴設(shè)備等移動的計算節(jié)點;El-Sayed等[125]指出由于未來控制環(huán)境的離散化程度逐漸增高,邊緣計算可以實現(xiàn)更節(jié)能高效的信息物理融合,必將成為未來CPS的主流趨勢;Osanaiye等[126]面向資源和服務(wù)效益,提出一個霧計算架構(gòu),并針對虛擬資源遷移安全性問題,提出了一種預(yù)拷貝在線遷移方法,從而有效縮短宕機時間和資源遷移時間,提高服務(wù)質(zhì)量;Wu等[127]構(gòu)建了一個用于信息制造系統(tǒng)設(shè)備診斷和檢測的霧計算架構(gòu),有很高計算擴展能力,可以實現(xiàn)遠距離實時傳感和監(jiān)測;Georgakopoulos等[128]指出未來的CPPS需要將云計算與邊緣計算相結(jié)合,從而提高制造系統(tǒng)的組織能力.隨著移動設(shè)備和可穿戴設(shè)備的普及,高速移動通信5G時代已經(jīng)到來,利用云霧結(jié)合的計算架構(gòu)將更有利于大規(guī)模移動CPS的網(wǎng)絡(luò)化融合.Vilalta等[129]提出了一個高度離散化的霧計算架構(gòu)(TelcoFog),可以布置在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)濟的5G服務(wù);Yang等[130]針對提高服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源,提出了一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)的云霧結(jié)合計算架構(gòu).

11)區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)(Blockchain)是一種去中心化、去信任化、基于數(shù)據(jù)共享和共識更新的分布式組織方式,最初作為比特幣數(shù)字加密的核心技術(shù)[131],通過加密的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲和驗證數(shù)據(jù),保證了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性;基于共識算法實現(xiàn)分布式節(jié)點對數(shù)據(jù)的共識更新,增強系統(tǒng)高效性和共享性的同時,提高了篡改系統(tǒng)的成本;利用可編程特性對系統(tǒng)進行柔性智能操作,增強了系統(tǒng)的實用性和靈活性.區(qū)塊鏈的分布性、共享性、安全性、可編程性等特點符合現(xiàn)代社會CPS的發(fā)展趨勢,因此越來越廣地應(yīng)用于金融[132]、政府管理[133]、能源[134]、醫(yī)療[135]、工業(yè)[136]等多個社會系統(tǒng)中.袁勇等[137?138]對區(qū)塊鏈的研究現(xiàn)狀和核心技術(shù)進行了詳細綜述,提出了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的六層基礎(chǔ)架構(gòu)(數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、共識、激勵、合約、應(yīng)用),并指出了區(qū)塊鏈的平行社會發(fā)展趨勢;Petersen等[139]強調(diào)了區(qū)塊鏈技術(shù)在制造系統(tǒng)與物流系統(tǒng)中的應(yīng)用;Preuveneers等[140]針對以客戶為中心的、數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的安全和信任問題,提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的制造企業(yè)信任交互的離散認證和關(guān)系管理方法.Huckle等[141]從自由意志和社會哲學(xué)的角度探討了區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用,指出區(qū)塊鏈?zhǔn)亲杂梢庵颈磉_的有效工具,有助于實現(xiàn)社會主義.

2 走向社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)

隨著智能化水平的提高、ICT技術(shù)的發(fā)展、計算架構(gòu)的靈活高效化,智能設(shè)備可以在更廣的范圍和更深的層次進行信息物理交互,形成了快速、高效、知識密集型的物聯(lián)社會;智能體的服務(wù)對象是人類社會,面向服務(wù)的架構(gòu)要求服務(wù)與需求的高度匹配,因此物聯(lián)社會必須通過務(wù)聯(lián)網(wǎng)與人類社會進行密切的人機交互;隨著智能移動設(shè)備人均保有量的提高、客戶與企業(yè)的交互密度和深度的增加,人類社會的信息和特性越來越明顯地植入物聯(lián)社會,形成了廣義互聯(lián)的SCPS.Atzori等[142]提出了與人類社會概念類似的社會物聯(lián)網(wǎng)(Social IoT,SIoT)概念,并提出了物聯(lián)社會關(guān)系的構(gòu)建和管理準(zhǔn)則;王飛躍等[17,143]基于軟件定義的系統(tǒng)和知識自動化的研究,提出了以人為本、面向物理世界和Cyberspace融合的社會物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(CPSS)概念,指出智慧社會系統(tǒng)將由牛頓系統(tǒng)向莫頓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化,給出了基于ACP(Artificial societies,computational experiments,parallel execution)的智慧CPSS實現(xiàn)方法;Chen等[144]基于社會物聯(lián)網(wǎng)(SIoT)提出了一種接入服務(wù)推薦策略,通過仿真實驗證明了社會物聯(lián)網(wǎng)具有較好的精確性、動態(tài)性和穩(wěn)定性;Shen等[145]針對信息物理離散網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)搜索問題,提出了一種以人為中心的社會感知策略,不需要通過頻繁的信息采集來定位,而是基于機器學(xué)習(xí)來預(yù)測用戶的日常路線,提高了擴展性、定位效率和精度;Ahmad等[146]將CPS與IoT相結(jié)合,構(gòu)建由鏈接信息域、社會信息域、移動信息域構(gòu)成的智能網(wǎng)絡(luò)社會系統(tǒng)架構(gòu);Ding等[147]提出了社會傳感概念,借助集成硬件和軟件的中間媒介實現(xiàn)客戶、制造商和股東的在社會制造系統(tǒng)中的交互.

實際上,社會信息物理系統(tǒng)理念可以追溯到更早的時期.早在20世紀(jì)60年代,社會心理學(xué)家Stanley Milgram就提出了六度分離理論[148],即處于人聯(lián)網(wǎng)中的任意兩個人,可以通過至多五個人建立關(guān)聯(lián)關(guān)系.這一理論又被成為小世界理論,由此可以得出信息化之前的人聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)具有復(fù)雜而密集的相關(guān)關(guān)系.隨著通信技術(shù)的發(fā)展和移動智能設(shè)備的普及,信息化的人聯(lián)網(wǎng)空間分布性增強,可以獲取更廣泛的個體動態(tài)信息,密集性增強,使信息的傳達更具實時性和可靠性.隨著傳感技術(shù)、智能體技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,物質(zhì)的物理交互趨于信息化和網(wǎng)絡(luò)化,逐漸形成具有一定自適應(yīng)性和自組織性的物質(zhì)社會.人聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的集成交互形成了社會化的CPS,將物質(zhì)世界與信息世界融合為一個虛實結(jié)合的SCPS.

生產(chǎn)過程是人與生產(chǎn)設(shè)備通過信息物理交互實現(xiàn)原材料物理化學(xué)轉(zhuǎn)變的社會化活動,是SCPS的一種體現(xiàn)形式.生產(chǎn)系統(tǒng)附屬于人類社會,為人類社會提供服務(wù),隨著人類生活水平和市場綜合服務(wù)水平的提高,生產(chǎn)模式趨向于大規(guī)模個性化,這不但要求生產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的智能化和柔性化,而且要求生產(chǎn)系統(tǒng)與人類社會密切交互,形成SCPPS[149].SCPPS由物理層、信息層和社會層組成,如圖3所示.物理層實現(xiàn)真實的物理生產(chǎn)交互,通過泛在傳感采集物理交互信息,并傳輸?shù)叫畔?信息層可以實現(xiàn)虛擬化的生產(chǎn)交互,人際交互形成的人聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)信息化的客戶關(guān)系管理、供應(yīng)商關(guān)系管理和人力資源管理;智能體交互形成的物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)智能化的制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源管理和市場資源配置;人機交互形成的務(wù)聯(lián)網(wǎng)結(jié)合人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢,通過泛在計算和大數(shù)據(jù)科學(xué)形成知識密集型的智能制造體系.社會層基于CPS的社會化交互,結(jié)合人的柔性經(jīng)驗和智能體的理性高效,形成具有組織規(guī)則的廣義互聯(lián)社會,進而影響信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)中的個體行為,因此,需要對CPS的社會化特征進行研究,并用于指導(dǎo)CPPS在社會生產(chǎn)中的應(yīng)用,形成智慧制造系統(tǒng).

2.1 社會特征

社會是在一定環(huán)境下個體間相關(guān)關(guān)系的總和.在信息物理深度融合的大數(shù)據(jù)時代,個體的概念從人擴展到了智能體,凡能進行環(huán)境感知并實現(xiàn)特定信息物理交互的智能體都是社會中的一員,都具有社會效應(yīng),也都對整體社會行為有影響.因此CPS的社會化特點研究是實現(xiàn)SCPPS的必要條件.

1)人類社會

人與外界交互的本質(zhì)就是信息與物理的交互,人體通過五官進行物理信息的獲取與轉(zhuǎn)換,在大腦中進行信息處理形成對外界的內(nèi)在認知,并將認知信息存儲于記憶中,在與外界頻繁的物理交互過程中,不斷修正內(nèi)在認知系統(tǒng),與外界物理系統(tǒng)保持一致.由于人的個性化差異,對外界以及對自我的內(nèi)在認知也存在差異,因此,當(dāng)人處于社會環(huán)境時,會產(chǎn)生更加頻繁的認知修正,從而影響個體在群體中的社會表現(xiàn),進而形成群體才具有的社會現(xiàn)象.

社會關(guān)系的研究從學(xué)科角度可以分為追求效益價值最大化的經(jīng)濟社會、追求權(quán)利價值最大化的政治社會和追求情感價值最大化的人文社會.人與外界的交互過程就是在遵循既定規(guī)則的前提下,為了追求內(nèi)在認知的效益、權(quán)利和情感加權(quán)總價值最大化,不斷調(diào)整自我與外界保持一致并傾向于拓寬內(nèi)在認知范圍的過程.因此個體在群體中的社會表現(xiàn)包括顧及行為和從眾行為,群體社會化現(xiàn)象可以分為群體凝聚和群體懈怠.

圖3 社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.3 Social cyber-physical production system

顧及行為是因為外界原因改變個體內(nèi)在認知的社會表現(xiàn),可能是由于個體對外界認知不足,在與外界個體交互的過程中改變了自己的原有認知;也可能是由于內(nèi)在認知對于不同環(huán)境、個體和事件下的價值權(quán)重不同.研究表明[150],處于群體中的個體效益權(quán)值和權(quán)利權(quán)值趨于減小,情感權(quán)值趨于增加,一方面使個體的社會行為具有利他性,促進群體協(xié)作;另一方面可能使個體行為理性減弱從而削弱群體協(xié)作能力.

從眾行為是個體調(diào)整自身行為與群體行為保持一致的社會表現(xiàn),可能是個體拓寬內(nèi)在認知范圍的傾向所致;也可能是因為這種群體行為是實現(xiàn)個體內(nèi)在價值最大化的社會公知;還可能是迫于個體認知與群體行為差異較大的壓力,被動調(diào)整個體行為但不改變原有內(nèi)在認知.

群體凝聚是由于群體中的個體在彼此交互的過程中,不但能實現(xiàn)自身內(nèi)在認知的價值滿足,而且能與群體行為保持一致,使群體價值達到最大化的社會現(xiàn)象.在這一過程中,個體內(nèi)在認知不斷增加情感權(quán)重,并最終趨向于與社會整體認知的一致化.

群體懈怠是由于責(zé)任分散,使處于社會群體中的個體分工不明確,導(dǎo)致為了確保個體內(nèi)在認知的效益價值和權(quán)利價值最大化而產(chǎn)生的社會責(zé)任逃避行為,從而產(chǎn)生整體的社會懈怠現(xiàn)象.

2)智能體社會

智能體與人體類似,物理空間在信息空間的映射可以作為智能體的內(nèi)在認知系統(tǒng),它與外界物理世界交互的過程,也可以視為不斷改變內(nèi)在認知信息系統(tǒng)與外界保持一致的過程.但它與人類信息物理系統(tǒng)存在顯著區(qū)別,人類和智能體的信息物理系統(tǒng)對比圖,如圖4所示.人體的所有行為都必須由內(nèi)在認知系統(tǒng)通過神經(jīng)遞質(zhì)信號觸發(fā),而智能體由于缺乏物理化的內(nèi)在認知系統(tǒng),缺乏神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng),智能體的行為可以通過外界信息網(wǎng)絡(luò)直接控制,因此智能體行為更容易受到社會環(huán)境影響;由于智能體的內(nèi)在認知暴露于信息空間中,使得智能體社會具有信息透明度高、密集度高、可得性強和傳遞時間短等特點,因此智能體社會的響應(yīng)速度遠遠高于人類社會,知識的密集度和共享性也使得智能體社會具有更強的事物處理能力;由于人類情感的模糊性和復(fù)雜性難以模擬,因此智能體通常缺乏追求人文社會情感價值最大化的愿望;雖然智能體也以提升內(nèi)在認知價值為目標(biāo),但由于智能體的專用性限制,往往缺乏主動拓寬認知范圍的傾向.

圖4 人類和智能體的信息物理系統(tǒng)對比圖Fig.4 Cyber-physical interaction system comparison between human and agent

基于以上區(qū)別,智能體的社會表現(xiàn)和群體社會化現(xiàn)象也與人類社會有所區(qū)別.因為智能體極易受到環(huán)境影響,因此在群體中的顧及行為往往表現(xiàn)在與外界交互時引起認知變化;由于不同環(huán)境下,不同人和事引起的權(quán)值調(diào)節(jié)柔性低、范圍小,因此智能體的環(huán)境適應(yīng)性往往較差.智能體社會沒有明顯的從眾行為,首先因為智能體缺乏主動拓寬內(nèi)在認知范圍的傾向,不會具有獵奇心理;其次由于信息傳遞的高密度、準(zhǔn)確性和快速性,智能體行為更具理性,盲目性減弱;另外智能體不會出于群體壓力而做出違背內(nèi)在認知的行為.由于缺乏物理化的神經(jīng)激素調(diào)節(jié)機制,智能體的情感交互趨于簡單化和程序化,缺乏與人類情感交互類似的模糊性和深邃性,導(dǎo)致智能體社會難以形成適應(yīng)性和魯棒性較強的群體凝聚現(xiàn)象,智能體社會的良好協(xié)作,往往體現(xiàn)在一定社會協(xié)議下的效益價值和權(quán)利價值的協(xié)調(diào)統(tǒng)一.雖然智能體追求效益和權(quán)利的價值最大化與人類社會相似,但情感價值體系的缺乏使智能體趨向于利己主義,因此在分工不明確、協(xié)議規(guī)則不嚴密的智能體社會中,智能體可能表現(xiàn)出群體懈怠的社會現(xiàn)象,甚至?xí)?dǎo)致智能體社會的秩序紊亂.

通過對人類社會和智能體社會的對比可以發(fā)現(xiàn),智能體社會的優(yōu)點包括信息傳遞和響應(yīng)快速、精確、透明,事物處理能力強,社會行為更具理性,避免了人類社會的不確定性和盲目從眾行為;數(shù)據(jù)量大、來源廣,有利于利用大數(shù)據(jù)科學(xué)實現(xiàn)數(shù)據(jù)深層關(guān)系挖掘分析,呈現(xiàn)學(xué)科交叉的知識密集型社會;但智能體缺乏與人類相似的情感價值體系,因此社會行為往往缺乏魯棒性,難以形成群體凝聚力.通過CPS技術(shù)將人類社會與智能體社會相融合,形成新的兼具人的模糊性和智能體的高效性的廣義互聯(lián)社會,將更有助于構(gòu)建更加和諧和完善的社會體系.

2.2 交互模式

通過人類社會與智能體社會的對比分析,得出集成人與物的廣義互聯(lián)社會可以實現(xiàn)更理想的社會表現(xiàn).為了進一步研究社會化的信息物理系統(tǒng)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用,首先對廣義互聯(lián)社會的基本信息物理交互模式進行總結(jié).如圖5所示,有7種基本信息物理交互模式.

圖5 信息物理交互的7種基本模式Fig.5 Seven fundamental interaction mode of cyber-physical system

圖5(a)表示人在物理空間,通過感官獲取物的信息并對物執(zhí)行物理操作的過程,是最原始的人與物的交互模式(模式a);圖5(b)表示在信息空間構(gòu)建物的虛擬模型,使物具有感知、控制和執(zhí)行能力,實現(xiàn)人機在物理空間的信息和行為交互,是人與智能體在物理環(huán)境下的交互模式(模式b);圖5(c)表示在信息空間建立物體的信息模型,通過物理傳感得到物理交互信息,并在信息空間進行處理,輸出各自的執(zhí)行信息,從而完成在物理空間的行為交互,在信息空間構(gòu)建了智能體的完整數(shù)字模型,因此屬于數(shù)字孿生交互模式(模式c);圖5(d)表示在信息空間構(gòu)建物的虛擬模型,在虛擬空間與虛擬物體間進行信息交互,通過虛擬信息控制物體的物理行為,通常用于物體物理交互行為的模擬仿真(模式d);圖5(e)表示在信息空間構(gòu)建人的虛擬信息,將人沉浸在虛擬空間中與虛擬物體進行信息交互,通過虛擬信息控制人的物理感受和行為,屬于虛擬現(xiàn)實的交互模式(模式e);圖5(f)表示將信息空間虛擬構(gòu)造的物體映射于物理空間,在物理空間與人進行信息交互,并且可以通過人的物理操作改變物理化虛擬物體的狀態(tài),屬于增強現(xiàn)實的人機交互模式(模式f);圖5(g)表示將信息空間虛擬構(gòu)造的物體映射于物理空間,在物理空間與智能體交互,并且可以通過智能體的物理操作改變物理化虛擬物體的狀態(tài),屬于增強現(xiàn)實的智能體交互模式(模式g).

SCPPS通過以上交互模式的組合,可以實現(xiàn)更加豐富、高效、可靠、及時的信息物理交互.結(jié)合模式a,b,c可以在物理空間完成復(fù)雜的人際交互、人機交互任務(wù)和多智能體交互.Ang等[151]基于工業(yè)4.0概念,將CautoD方法運用于船舶設(shè)計制造的全過程;Lou等[152]針對需求設(shè)計,提出了一種基于生理心理信號的產(chǎn)品概念設(shè)計方法,通過腦電波獲取客戶的心理信息,并運用于訓(xùn)練基于用戶滿意度調(diào)查狩獵模型.

結(jié)合模式d和模式e可以在虛擬空間實現(xiàn)沉浸式的遠程信息交互,依據(jù)信息交互結(jié)果,改變?nèi)撕臀锏奈锢頎顟B(tài).Galambos等[153]借助基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的VirCA平臺,克服由于制造系統(tǒng)的異構(gòu)性和地理分散性造成的系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程編制和整體協(xié)作困難的問題;Berg等[154]綜合研究了VR在設(shè)計初期階段的應(yīng)用,研究結(jié)果表明VR系統(tǒng)可以鑒別傳統(tǒng)設(shè)計不能發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題并找到可行方案,此外,沉浸式的虛擬環(huán)境有助于提升團隊的凝聚力和協(xié)作力;Carulli等[155]提出了一種結(jié)合客戶聲音的虛擬設(shè)計方法,充分考慮個性化需求,縮減設(shè)計開支.

結(jié)合模式f和模式g可以實現(xiàn)虛擬空間在物理空間的疊加,從而在物理空間實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的混合交互.Doshi等[156]利用AR技術(shù)提供的可視化信號提高人工電焊的定位精度;Cheng等[157]提出了一種將自動化虛擬計量技術(shù)集成于云物聯(lián)制造系統(tǒng)的工業(yè)4.1模型,從而實現(xiàn)產(chǎn)品制造零缺陷;Putman等[158]為減小試運行對工件的損耗,將虛擬化的加工工件與物理制造系統(tǒng)進行交互,實現(xiàn)虛擬工件與物理制造系統(tǒng)的實時無損虛擬加工.

結(jié)合模式d,e,f和g可以實現(xiàn)在物理空間的遠程物理交互,經(jīng)過模式d和模式e將遠程物理實體虛擬化,再利用模式f和模式g將虛擬化的實體疊加于本地現(xiàn)實物理環(huán)境.Mourtzis等[159]針對產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng),設(shè)計了一個基于云計算的增強現(xiàn)實設(shè)備維護監(jiān)測方法,監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)支持,并與增強現(xiàn)實系統(tǒng)一起架構(gòu)于云環(huán)境;Liu等[160]為了提高信息物理加工工具與人的協(xié)同工作能力,利用增強現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了一個人機直覺協(xié)同智能窗口,可以實現(xiàn)實時控制、增強現(xiàn)實機器仿真、增強現(xiàn)實過程監(jiān)測和增強現(xiàn)實過程優(yōu)化;Turner等[161]指出離散事件仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的工業(yè)應(yīng)用更有助于提高工業(yè)系統(tǒng)的信息物理融合度,將成為未來發(fā)展的主流趨勢.

2.3 研究進展

在SCPPS中,更有利于集成廣泛的社會資源、形成系統(tǒng)的生產(chǎn)脈絡(luò),從而驅(qū)動面向服務(wù)的大規(guī)模個性化生產(chǎn).人聯(lián)網(wǎng)有助于企業(yè)內(nèi)部的人事管理以及企業(yè)外部的客戶關(guān)系管理和供應(yīng)商關(guān)系管理.Fainshmidt等[162]通過對209家企業(yè)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),創(chuàng)造可信賴的內(nèi)部組織環(huán)境可以促進成員合作的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性,從而提高企業(yè)動態(tài)競爭力;Luo等[163]通過品牌社區(qū)的人際交互研究,發(fā)現(xiàn)不同的群體交互模式將影響群體關(guān)系的和諧度,進而影響用戶的群體認同感;Wang等[164]從跨企業(yè)合作的角度,分析了人際關(guān)系對供應(yīng)鏈整合的影響,研究發(fā)現(xiàn)考慮情感、溝通和信任的人際關(guān)系對供應(yīng)鏈整合有積極作用.物聯(lián)網(wǎng)有助于實現(xiàn)無人車間的多智能體協(xié)同生產(chǎn),也有助于售后產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控和維護.Pticek等[165]提出了機器網(wǎng)絡(luò)2.0的概念,即智能設(shè)備可以形成基于設(shè)備需求、語境和環(huán)境狀態(tài)的智能體社會網(wǎng)絡(luò),通過物聯(lián)社會為智能設(shè)備提供混合服務(wù);Ding等[166]指出實現(xiàn)社會制造的關(guān)鍵在于對跨企業(yè)間的事件實時監(jiān)控和加工任務(wù)、運輸任務(wù)的動態(tài)派遣,并提出了一種基于RFID的社會制造系統(tǒng),通過工業(yè)應(yīng)用證明社會制造系統(tǒng)具有更高的柔性和效率,同時有助于提高跨企業(yè)合作的生產(chǎn)透明度.通過人與物的社會化互聯(lián)可以完成物理強度大、地理分散廣、實時動態(tài)性好、精度要求高、知識密度大、環(huán)境適應(yīng)性強、作業(yè)魯棒性強的制造任務(wù),并且使制造業(yè)整體呈現(xiàn)出經(jīng)濟社會的效益性、政治社會的組織性和人文社會的和諧性.Leng等[167]提出了一種基于社會交互環(huán)境的關(guān)系匹配方法,根據(jù)交互關(guān)系高效解決跨企業(yè)的制造問題;Chen等[168]通過對制造企業(yè)的GRI(Global report initiative)指數(shù)分析發(fā)現(xiàn),提升企業(yè)的社會效益有助于提升企業(yè)的經(jīng)濟效益;Jiang等[169]提出了一種基于CPS和服務(wù)制造的社會制造范式,并指出社會制造將帶來生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變從而推動社會創(chuàng)新.

李克強總理在2014年夏季達沃斯論壇開幕式上提出,中國要大力推動“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”[170],為實現(xiàn)萬眾創(chuàng)新,就需要將SCPS應(yīng)用于制造業(yè)中,使每個社會個體都可以參與設(shè)計制造,充分發(fā)揮群體的創(chuàng)新創(chuàng)造力.特別是新興的3D打印技術(shù),有利于實現(xiàn)社會化制造.Yoo等[171]從生產(chǎn)–消費連接角度指出3D打印是專業(yè)制造轉(zhuǎn)向社會制造的新范式,滿足用戶偏好的同時可以提高資源利用率.云霧結(jié)合的計算架構(gòu)將IT資源延伸至社會的基本單元,借助大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和泛在計算技術(shù),有利于實現(xiàn)知識密集型的服務(wù)化社會制造.Yang等[172]在物聯(lián)網(wǎng)云制造環(huán)境下,構(gòu)建了集成設(shè)計制造的開放式創(chuàng)新平臺,基于社會關(guān)系網(wǎng)進行多方協(xié)同制造;Patel等[173]提出了一種物聯(lián)數(shù)據(jù)的動態(tài)分析策略,可以根據(jù)動態(tài)應(yīng)用需求權(quán)衡選擇云計算和邊緣計算,實現(xiàn)高效物聯(lián).軟件定義萬物(Software define everything,SDx)技術(shù)的發(fā)展,將硬件設(shè)施的管控權(quán)推向社會基本單元,有利于發(fā)掘多層次和細粒度的社會創(chuàng)造潛力.將產(chǎn)品設(shè)計和制造過程軟件化,可以在目標(biāo)客戶端實現(xiàn)個性化制造服務(wù)[174?175];GE公司設(shè)計的云制造操作系統(tǒng)predix得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用,便于工程師開發(fā)各種用途的APPs,獲取設(shè)備數(shù)據(jù)并通過云進行數(shù)據(jù)分析[176].

2.4 挑戰(zhàn)問題

信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的社會化不但可以提高生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益,形成良好的社會生產(chǎn)體制,促進和諧平衡的社會生產(chǎn)氛圍,還可以充分發(fā)掘廣大群眾的創(chuàng)造潛能和生產(chǎn)熱情,從而有力推進SCPPS的發(fā)展.然而信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)在社會化的進程中還存在諸多挑戰(zhàn).

1)社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化

在SCPPS的發(fā)展過程中,雖然已有一些專用的標(biāo)準(zhǔn)化方法[177],但尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化體系.另外,由于在信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的社會化過程中,會產(chǎn)生龐雜的異構(gòu)數(shù)據(jù)[178]、異種智能體間的服務(wù)協(xié)作[179]、信息物理交互模式復(fù)雜多樣化[180]以及社會生產(chǎn)模式的個性化導(dǎo)致的產(chǎn)品互用性差等問題,因此需要從信息采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、異種智能體間和人際交互的網(wǎng)絡(luò)通信和協(xié)作機制標(biāo)準(zhǔn)化、信息物理交互模式標(biāo)準(zhǔn)化、社會生產(chǎn)過程和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等方面制定社會化的信息物理生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),并形成系統(tǒng)連貫的標(biāo)準(zhǔn)化體系.

2)社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的人性化

構(gòu)建和諧融洽的SCPPS,需要智能體社會具備人文社會的情感優(yōu)勢,實現(xiàn)智能體與外界社會的深層情感交互,從而使智能體表現(xiàn)出更具社會適應(yīng)性的顧及行為和群體凝聚現(xiàn)象.然而人類情感的神經(jīng)激素調(diào)節(jié)機制難以通過建模編程進行模擬,因此使智能體實現(xiàn)深度、柔性的情感交互成為挑戰(zhàn).

目前的人工智能可以使智能體具有認知能力、學(xué)習(xí)能力和環(huán)境適應(yīng)能力,但軟件化的內(nèi)在認知系統(tǒng)與人類物理化的內(nèi)在認知系統(tǒng)仍有較大差異,因此如何構(gòu)建智能體物理化的內(nèi)在認知系統(tǒng)成為研究熱點.中國科學(xué)院設(shè)計的寒武紀(jì)一號[181]和寒武紀(jì)二號[182]是用于加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高性能芯片;IBM提出的TrueNorth芯片,仿生神經(jīng)突觸,設(shè)計了硬件化的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[183].

除此之外,智能體人性化的關(guān)鍵問題在于如何實現(xiàn)情感信息的認知和加工[184],如何設(shè)計更具人性化的自然交互界面,Hui等[185]提出了一種無界面交互(Disappearing user interfaces,DUIs)模式,用于增強人類的直覺感知能力;Tian等[186]指出,AI2.0時代的來臨將助力人機交互在行為視覺、聽覺感知和定位、自然語言交互、自主學(xué)習(xí)、大范圍信息處理、智能學(xué)習(xí)平臺、全方位感知和推理機等方面的發(fā)展.與此同時,仿生交互的研究為人機交互提供更多思路,例如Bu等[187]基于仿生學(xué)設(shè)計了一種可伸縮靜電–光量子的智能皮膚,可以實現(xiàn)機械手多維觸覺和姿態(tài)感知;Persaud等[188]對生物嗅覺進行了研究,通過對化學(xué)傳感和生物腦功能的研究,開創(chuàng)了仿神經(jīng)嗅覺研究領(lǐng)域.

3)社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的安全問題

智能體具有響應(yīng)速度快、計算能力強、知識密集度高、信息透明度高、服務(wù)共享性好等特點,智能體的社會化,以及人機社會化協(xié)作能大大提高人類社會的生產(chǎn)效率,然而隨著信息物理系統(tǒng)的社會化融合深度和廣度的不斷增加,引發(fā)的信息物理交互可靠性問題[189]、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全威脅和隱私信息泄露風(fēng)險日趨嚴重[190].

信息物理交互可靠性問題的研究重點包括數(shù)據(jù)智能的可信度和交互過程的安全性兩方面.如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)到智能的可視化,并形成可靠的評價體系是提高數(shù)據(jù)智能可信度的有效方法.提高智能體交互過程安全性的關(guān)鍵在于提高智能體傳感和控制的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和魯棒性,輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和柔性部件有助于增加交互過程的可控性和安全性.

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全和隱私安全的研究重點包括對密碼學(xué)[191]和信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系的研究.Coutinho等[192]指出人工智能的強大算力可能對加密系統(tǒng)造成威脅,因此提出了一種對抗神經(jīng)密碼系統(tǒng)(Adversarial neural cryptography,ANC),可以在線學(xué)習(xí)威脅并自主調(diào)整加密策略.軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[193]可以動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),更有利于構(gòu)建高效安全的網(wǎng)絡(luò)體系;采用區(qū)塊鏈形式的信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系可以在提高網(wǎng)絡(luò)信息安全性的同時降低安全維護成本[194].

另外,由于智能體社會的進一步發(fā)展,人工智能研究的倫理道德安全問題[195]將成為SCPPS未來發(fā)展的一個嚴峻挑戰(zhàn),健全的法律體系是保障人工智能倫理道德安全的關(guān)鍵[196].

3 結(jié)束語

本文闡述了CPS從智能體、嵌入式系統(tǒng)到由IoT,IoP,IoS形成的SCPS的演進過程,分析了CPS在生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展中的核心支撐作用,對CPPS社會化演進過程中的相關(guān)技術(shù)進行了綜合評述,并構(gòu)建了SCPPS框架模型.

基于人類社會的個體行為特點和群體社會現(xiàn)象,結(jié)合人與智能體的區(qū)別分析了智能體物聯(lián)社會的特點.通過對人類社會特點的研究發(fā)現(xiàn),個體在群體中的社會表現(xiàn)包括顧及行為和從眾行為,群體社會化現(xiàn)象可以分為群體凝聚和群體懈怠.通過人類與智能體的交互方式對比發(fā)現(xiàn),人類存在物理化的內(nèi)在認知,因此在社會活動中更具感性和柔性,智能體則更具理性和剛性.智能體社會具有響應(yīng)速度快、計算能力強、知識密集度高、信息透明度高、服務(wù)共享性好等優(yōu)勢,可以避免人類社會的盲目從眾行為和消極情緒引起的群體懈怠等不良現(xiàn)象;但由于內(nèi)在認知系統(tǒng)外化,行為魯棒性較差,缺乏情感體驗,不易形成穩(wěn)定的群體凝聚.

由于人機協(xié)作形成的廣義互聯(lián)社會可以兼具人的魯棒性和智能體的高效性,形成更佳完善的社會信息物理系統(tǒng).為此,分析了人與智能體信息物理交互的7種基本模式,并闡述了它們在社會生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀.

通過以上分析發(fā)現(xiàn),SCPPS的未來挑戰(zhàn)包括如何建立標(biāo)準(zhǔn)化的體系結(jié)構(gòu),如何實現(xiàn)更具人性化的社會人際交互活動,如何確保社會化信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性、隱私性和合法性等方面.