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摘要：美國提出的信息物理系統（CPS）現已成為全球研究熱點，主要研究工程復雜性要素，或者包括其社會復雜性要素的某一方面。事實上，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，才能更好地實現復雜系統安全、高效等管理與控制目標。為此，本文主要討論更為完整的社會物理信息系統（CPSS）的建模、知識自動化、行為分析與管控等內容，及其在交通和制造領域的典型應用。

關鍵詞：復雜系統管理與控制；社會物理信息系統；大數據模型；智能交通系統；智能制造系統

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（CPS：Cyber-Physical System），以工程復雜性為主，現已成為全球研究熱點。美國科學基金會NSF先后資助CPS基礎理論、方法工具、平臺系統等方面的500多個研究項目，CPS研究重點針對交通、國防、能源、醫療和大型建筑設施等復雜系統應用領域，取得了很好的研究成果和應用效益。歐洲聯盟啟動ARTEMIS5等重大項目，將CPS作為智能系統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、日本在內的許多國家的科學基金會也已經提出為CPS的研究提供資金支持。最近，也出現多個CPS學術期刊，“IET Cyber-Physical Systems Theory & Applications”、“ACM Transactions on Cyber-Physical Systems”等。最近幾年，CPS的研究在國內逐步興起，中國電子技術標準化研究院先后發布了《信息物理系統標準化白皮書》、《信息物理系統白皮書（2017）》等，概述了CPS最新進展。

但是，基于CPS視角的復雜系統研究還主要集中在其工程復雜性要素，或者其社會復雜性要素的某一個方面。復雜系統中，人又往往是其設計者、建造者、運營管理者和最終使用者，人因等社會復雜性要素在復雜系統各個階段都起到不可忽視甚至是決定性的重要作用。要實現復雜系統安全、可靠和高效等目標，其工程復雜性要素和社會復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，中國學者在國際上率先提出，上述復雜系統向全要素綜合集成和深度智慧方向不斷進化，將逐步形成越來越多的復雜、巨型的社會物理信息系統（CPSS: Cyber-Physical-Social Systems）。

2　社會物理信息系統（CPSS）

CPSS是由物理系統（Physical System）、包括人的社會系統（Social System）、連接二者的信息系統（Cyber System）所共同構成的一類復雜系統，它通過傳感器網絡實現物理系統和信息系統的連接，通過社會傳感器網絡實現了社會系統和信息系統的連接，這樣“社會+物理系統”就能夠“等價地”映射到信息系統中。在此基礎上，通過CPSS中信息系統和“社會+物理系統”的彼此認識、虛實互動、共同提高，就可以循序漸進地實現CPSS安全、可靠、高效運行等管控和應用目標。CPSS是在CPS概念的基礎上，將復雜系統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將研究范圍擴展到社會系統，它通過智能化的人機交互方式實現人員組織和物理系統的有機結合，有望實現各類復雜系統的完整管理和控制。

圖1  信息物理系統（CPS）和社會信息物理系統（CPSS）

大數據時代，面向知識社會，以網絡為平臺、以人為本的“創新2.0+”模式已逐步顯現其強大的生命力和潛在價值，引發了復雜系統建模、分析、控制和管理研究的新形態。從信息化和自動化的角度來看，復雜系統的“智慧之源”來自于泛在的移動終端設備，來自于基于大數據、物聯網、移動互聯網等新技術，來自于CPSS資源的充分掌握和利用，來自于虛實互動、實時反饋、移動可視化的創新體系的切實應用。

CPSS進一步提升的關鍵是把復雜性與智能化系統“虛”和“軟”的部分建立起來，利用可以定量實施的計算化、實時化，使之“硬化”，真正用于解決實際問題。錢學森、戴汝為等我國著名學者在20世紀90年代提出了“開放的復雜巨系統”、“綜合集成研討廳”等思想和方法。在此基礎上，王飛躍在2004年提出實現復雜系統有效管控的一種ACP方法，即人工社會（Artificial societies）、計算實驗（Computational experiments）、平行執行（Parallel execution）的有機結合，通過構建人工系統和實際系統組成的閉環反饋，使兩者協同發展，并確保系統按照期望的目標收斂，從而實現在軟件定義的“實驗室”中對已發生及可能發生的事件進行試驗和計算，為真實復雜對象的管理與決策提供計算驗證支持。在智能交通、石化生產和軍事等領域的應用證明，ACP方法對解決兼有工程復雜性和社會復雜性的復雜系統行為分析和管控問題十分有效，也將為CPSS管理與控制基礎理論研究也提供一種創新方法。

3　社會物理信息系統（CPSS）的研究內容

為深入分析和理解CPSS主要場景下復雜行為的動態演化規律，同時掌握實現其安全、可靠、高效運行目標的有效管控手段，提高國家重大戰略需求領域這類復雜系統的感知、分析和調控能力，筆者總結出CPSS需要研究內容包括：

3.1　CPSS建模

（1）研究CPSS的多尺度、混合建模方法：基于物理傳感網的CPS的多尺度、混合模型研究與設計；基于社會傳感網的信息社會系統（CSS：Cyber-Social System）的數據驅動模型研究與設計；大數據驅動的信息系統構建機理，包括面向特定問題或情景的人、組織與社會模型、行為與心理的數據驅動計算模型等；數據與知識驅動的復雜系統的智能建模、仿真和動態性能分析與可視化；CPSS體系結構研究、設計與分析。

（2）CPSS信息感知物聯網：研究CPSS物聯網的泛信息感知技術，研發面向CPSS的專用傳感網絡組網設備和狀態檢測傳感器節點，移動數據庫訪問和服務機制，實現高數據率傳輸、多通道信息采集，異構網絡集成，提供不同類型、不同層次的服務接口。

（3）搭建基于高性能計算機集群的CPSS云計算平臺：建立針對海量社會與物理感知數據存儲與分析的高性能計算平臺，研發CPU+GPU的異構計算服務器，建立高性能計算服務器集群；在此基礎上，通過服務虛擬化技術，構建CPSS云計算平臺，實現計算資源的按需分割和動態分配，并利用虛擬機的快速部署和實時遷移能力實現整個計算平臺的高可用性和負載均衡。

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境和解析工具，包括代理的元胞自動機模型及其廣義形式，代理行為的語言動力學描述及詞計算方法，代理相互作用的Petri網模型和翻譯器等衍生模型及其分析，代理決策的計算智能算法和博弈對策，代理的可調多分辨率觀測、分析和熵空間描述方法等。

（2）基于網絡大數據的CPSS知識學習：研究基于開源情報大數據、區塊鏈、深度學習和知識機器人等方法的模型自增長、自推理和自校驗技術，建立體系完整的基于網絡大數據的領域知識學習關鍵技術體系，實現領域知識的高效獲取、建模、實驗、實施與影響力評估；研究模型形態（記錄、實驗、理想）自演化技術，利用虛實結合的“實驗”場景，基于自適應演化機制驅動領域模型，由實際的“記錄”狀態主動逼近人工的“理想”狀態；研究知識模型的統一表示、推理和學習等管理機制，構建統一知識本體和針對特定垂直場景的領域本體，研究知識本體的自適應演化與推理方法與技術，實現規范化的知識和語義管理。

（3）CPSS知識演化機制與模型驗證：研究CPSS知識模型演化機制，支持知識的各種學習和擴展模式；研究知識建模及驗證工具，支持模型及其派生的圖形化模式；研究模型的驗證技術，支持語義錯誤的自動發現和處理機制。

3.3　CPSS行為分析與管控

（1）CPSS的行為分析與調控方法：基于計算實驗的CPSS行為解析、行為誘導、調控預案評估；人機物融合系統的動態性能分析、預測及多目標動態優化決策；CPSS系統基于虛實互動和協同優化，實現調控目標的滾動優化理論；云計算環境下，應用驗證領域平臺的集成設計方法，以及行為分析與調控方案應用驗證的實施與推薦方法。

（2）CPSS運行安全、重大事故預警與防范：基于社會系統與物理系統的對等映射，通過人因分析研究復雜系統的運營安全理論，建立復雜系統運行安全誘因數據庫和突發場景庫，建立預警防范評價機制。基于多源異構信息融合技術復雜系統的重大事故誘因辨識理論，通過計算實驗研究不同類型事故的發展演化規律，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；研究復雜系統安全信息的實時獲取方法與重大事故特征提取方法，運營安全域的動態估計以及定性、定量的安全評價理論與事故等級評價機制，以及多種媒體介質預警信息動態發布方法，從而提高CPSS系統運營管理和控制水平。

（3）結合網絡優化與合作博弈的CPSS服務管理：利用ACP方法融合社會與物理信息并進行推演和預測，沿著三個方向進行新的CPSS服務系統的設計與論證，具體包括：應用新技術的服務延伸；創造新模式的服務延伸；拓展新范圍的服務延伸。構建CPSS服務系統，并在此基礎上研究綜合服務體系對社會大眾的影響，研究參與個體之間的合作博弈機制，達到既滿足系統整體優化的效果，又能夠兼顧參與系統的各方利益。

4　社會物理信息系統（CPSS）的典型應用

4.1　交通CPSS及典型應用

復雜交通系統涉及道路交通、公共交通、軌道交通、物流交通和交通服務等子系統，它同時涉及工程復雜性和社會復雜性兩個方面，呈現動態性、開放性、交互性、自主性等特征。基于CPSS交通系統，為研究人車行為分析和調控這一科學問題提供現實需求和基礎條件，對于預防與減少交通事故將發揮積極有效的作用。研究內容包括：

（1）基于交通CPSS的多尺度、混合模型與平臺：交通系統中人和車輛混合場景下的行為機理、行為模型建立與驗證；交通系統全要素的多尺度、混合的復雜動態網絡模型建立與驗證；交通系統全要素的體系架構設計與分析驗證。

（2）基于交通CPSS的計算實驗、行為分析與決策控制：通過把城市交通對象置于實際、仿真或混合環境下，產生復雜的互動方式和相關行為，利用涌現方法進行觀測總結，分析和理解交通系統在各類計算實驗環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、綠色高效等挑戰性需求，基于常規統計方法和各類計算智能算法的計算實驗設計；交通系統中人員和車輛混合行為演化規律的計算實驗設計和結果分析方法；決策控制一體化人機交互控制系統主要調控預案的計算實驗和分析評估。

（3）交通CPSS典型應用：構建城市交通CPSS平臺，完成城市綜合交通應用的示范應用；針對的城區路網、運輸、港口、機場等多元化綜合交通管控需求，結合人口分布、停車資源、公共交通及物流現狀，完成包含城市交通、公共交通、停車、物流運輸和社會交通等“多位一體”整體交通解決方案。

4.2　制造服務CPSS的消費行為分析與資源調控

制造領域通過產業鏈轉型升級全球制造業將逐步從大規模生產模式、大規模定制模式進化到社會制造（Social Manufacturing）模式，基于CPSS成果所研制出的社會化設計、制造和服務一體化的CPSS制造系統，可進一步提高我國個性化產品等制造業的內部綜合管控能力、外部個性化服務能力和未來市場競爭能力。主要研究內容：

（1）制造CPSS的建模與行為分析：制造CPSS的大數據獲取與社會計算分析；制造CPSS全要素復雜動態網絡建模與分析、全要素體系架構設計分析；制造CPSS產業鏈、價值鏈設計與分析；制造CPSS的管理與控制；制造CPSS的知識管理和戰略管理。

（2）制造CPSS的網絡化設計和服務。制造CPSS中復雜個性化產品的網絡化設計，包括：個性化產品設計的3D掃描與建模；個性化產品3D虛擬現實的人機交互；復雜個性化產品的網絡化設計平臺。社會制造系統中個性化產品的網絡化服務，包括：個性化產品定制的3D打印技術；復雜個性化產品的眾包設計和電子商務集成體系。

（3）制造CPSS典型應用：研制網絡化設計、制造與服務一體化平臺，可在個性產品定制產業中選擇應用示范，驗證研究成果的實際應用價值。

5　結語

本文深入地分析和理解CPSS主要場景下，其社會系統、物理系統和信息系統復雜行為的動態演化規律，同時掌握其實現安全、可靠、高效運行目標的有效管理與控制手段，提高國家重大戰略需求領域這類復雜系統的感知、分析和調控能力，有望對我國復雜系統的基礎理論前沿研究產生深遠影響，具有重要研究意義。
CPSS研究成果推廣應用到交通領域，有望為未來的復雜交通系統，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行效率。推廣應用到制造領域，有望為《中國制造2025》應用實踐，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，具有重要的應用價值。

作者簡介：

熊剛（1969-），男，研究員，博士。現任中國科學院自動化研究所研究員、中國科學院大學博士生導師等職，主要研究方向包括流程工業自動化、交通自動化、離散工業自動化等領域。先后承擔并完成40余項科研項目，包括科技部973/863項目、國家自然科學基金重點項目、創新群體項目及面上項目等。主編專著2本，參與撰寫3本專著3個章節。發表論文300余篇，其中SCI/EI檢索論文200余篇。獲得軟件著作權50余項，授權專利40余項。

★本文得到國家重點研發計劃項目（No.2018 YFB1004800），國家自然科學基金項目（61773381, 61773382, 61533019），2017湖北省中科院省院合作專項項目和東莞市創新領軍人才項目（熊剛）的資助。

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摘自《自動化博覽》2018年8月刊