摘要：美国提出的信息物理系统（CPS）现已成为全球研究热点，主要研究工程复杂性要素，或者包括其社会复杂性要素的某一方面。事实上，上述两种要素必须作为不可分割、地位平等的整体加以研究，才能更好地实现复杂系统安全、高效等管理与控制目标。为此，本文主要讨论更为完整的社会物理信息系统（CPSS）的建模、知识自动化、行为分析与管控等内容，及其在交通和制造领域的典型应用。

关键词：复杂系统管理与控制；社会物理信息系统；大数据模型；智能交通系统；智能制造系统

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

美国2007年提出的信息物理系统（CPS：Cyber-Physical System），以工程复杂性为主，现已成为全球研究热点。美国科学基金会NSF先后资助CPS基础理论、方法工具、平台系统等方面的500多个研究项目，CPS研究重点针对交通、国防、能源、医疗和大型建筑设施等复杂系统应用领域，取得了很好的研究成果和应用效益。欧洲联盟启动ARTEMIS5等重大项目，将CPS作为智能系统的一个重要研究方向。紧接着，亚洲国家也开始重视CPS研究，包括中国、韩国、日本在内的许多国家的科学基金会也已经提出为CPS的研究提供资金支持。最近，也出现多个CPS学术期刊，“IET Cyber-Physical Systems Theory & Applications”、“ACM Transactions on Cyber-Physical Systems”等。最近几年，CPS的研究在国内逐步兴起，中国电子技术标准化研究院先后发布了《信息物理系统标准化白皮书》、《信息物理系统白皮书（2017）》等，概述了CPS最新进展。

但是，基于CPS视角的复杂系统研究还主要集中在其工程复杂性要素，或者其社会复杂性要素的某一个方面。复杂系统中，人又往往是其设计者、建造者、运营管理者和最终使用者，人因等社会复杂性要素在复杂系统各个阶段都起到不可忽视甚至是决定性的重要作用。要实现复杂系统安全、可靠和高效等目标，其工程复杂性要素和社会复杂性要素必须作为不可分割的、地位平等的整体加以研究。为此，中国学者在国际上率先提出，上述复杂系统向全要素综合集成和深度智慧方向不断进化，将逐步形成越来越多的复杂、巨型的社会物理信息系统（CPSS: Cyber-Physical-Social Systems）。

2　社会物理信息系统（CPSS）

CPSS是由物理系统（Physical System）、包括人的社会系统（Social System）、连接二者的信息系统（Cyber System）所共同构成的一类复杂系统，它通过传感器网络实现物理系统和信息系统的连接，通过社会传感器网络实现了社会系统和信息系统的连接，这样“社会+物理系统”就能够“等价地”映射到信息系统中。在此基础上，通过CPSS中信息系统和“社会+物理系统”的彼此认识、虚实互动、共同提高，就可以循序渐进地实现CPSS安全、可靠、高效运行等管控和应用目标。CPSS是在CPS概念的基础上，将复杂系统的人和社会因素加入到其管理和控制的范围，如图1所示。CPSS将研究范围扩展到社会系统，它通过智能化的人机交互方式实现人员组织和物理系统的有机结合，有望实现各类复杂系统的完整管理和控制。

图1  信息物理系统（CPS）和社会信息物理系统（CPSS）

大数据时代，面向知识社会，以网络为平台、以人为本的“创新2.0+”模式已逐步显现其强大的生命力和潜在价值，引发了复杂系统建模、分析、控制和管理研究的新形态。从信息化和自动化的角度来看，复杂系统的“智慧之源”来自于泛在的移动终端设备，来自于基于大数据、物联网、移动互联网等新技术，来自于CPSS资源的充分掌握和利用，来自于虚实互动、实时反馈、移动可视化的创新体系的切实应用。

CPSS进一步提升的关键是把复杂性与智能化系统“虚”和“软”的部分建立起来，利用可以定量实施的计算化、实时化，使之“硬化”，真正用于解决实际问题。钱学森、戴汝为等我国著名学者在20世纪90年代提出了“开放的复杂巨系统”、“综合集成研讨厅”等思想和方法。在此基础上，王飞跃在2004年提出实现复杂系统有效管控的一种ACP方法，即人工社会（Artificial societies）、计算实验（Computational experiments）、平行执行（Parallel execution）的有机结合，通过构建人工系统和实际系统组成的闭环反馈，使两者协同发展，并确保系统按照期望的目标收敛，从而实现在软件定义的“实验室”中对已发生及可能发生的事件进行试验和计算，为真实复杂对象的管理与决策提供计算验证支持。在智能交通、石化生产和军事等领域的应用证明，ACP方法对解决兼有工程复杂性和社会复杂性的复杂系统行为分析和管控问题十分有效，也将为CPSS管理与控制基础理论研究也提供一种创新方法。

3　社会物理信息系统（CPSS）的研究内容

为深入分析和理解CPSS主要场景下复杂行为的动态演化规律，同时掌握实现其安全、可靠、高效运行目标的有效管控手段，提高国家重大战略需求领域这类复杂系统的感知、分析和调控能力，笔者总结出CPSS需要研究内容包括：

3.1　CPSS建模

（1）研究CPSS的多尺度、混合建模方法：基于物理传感网的CPS的多尺度、混合模型研究与设计；基于社会传感网的信息社会系统（CSS：Cyber-Social System）的数据驱动模型研究与设计；大数据驱动的信息系统构建机理，包括面向特定问题或情景的人、组织与社会模型、行为与心理的数据驱动计算模型等；数据与知识驱动的复杂系统的智能建模、仿真和动态性能分析与可视化；CPSS体系结构研究、设计与分析。

（2）CPSS信息感知物联网：研究CPSS物联网的泛信息感知技术，研发面向CPSS的专用传感网络组网设备和状态检测传感器节点，移动数据库访问和服务机制，实现高数据率传输、多通道信息采集，异构网络集成，提供不同类型、不同层次的服务接口。

（3）搭建基于高性能计算机集群的CPSS云计算平台：建立针对海量社会与物理感知数据存储与分析的高性能计算平台，研发CPU+GPU的异构计算服务器，建立高性能计算服务器集群；在此基础上，通过服务虚拟化技术，构建CPSS云计算平台，实现计算资源的按需分割和动态分配，并利用虚拟机的快速部署和实时迁移能力实现整个计算平台的高可用性和负载均衡。

3.2　CPSS知识自动化

（1）基于智能代理的CPSS知识解析：构建一套基于智能代理的CPSS知识建模和分析体系，形成知识模型生成的支持环境和解析工具，包括代理的元胞自动机模型及其广义形式，代理行为的语言动力学描述及词计算方法，代理相互作用的Petri网模型和翻译器等衍生模型及其分析，代理决策的计算智能算法和博弈对策，代理的可调多分辨率观测、分析和熵空间描述方法等。

（2）基于网络大数据的CPSS知识学习：研究基于开源情报大数据、区块链、深度学习和知识机器人等方法的模型自增长、自推理和自校验技术，建立体系完整的基于网络大数据的领域知识学习关键技术体系，实现领域知识的高效获取、建模、实验、实施与影响力评估；研究模型形态（记录、实验、理想）自演化技术，利用虚实结合的“实验”场景，基于自适应演化机制驱动领域模型，由实际的“记录”状态主动逼近人工的“理想”状态；研究知识模型的统一表示、推理和学习等管理机制，构建统一知识本体和针对特定垂直场景的领域本体，研究知识本体的自适应演化与推理方法与技术，实现规范化的知识和语义管理。

（3）CPSS知识演化机制与模型验证：研究CPSS知识模型演化机制，支持知识的各种学习和扩展模式；研究知识建模及验证工具，支持模型及其派生的图形化模式；研究模型的验证技术，支持语义错误的自动发现和处理机制。

3.3　CPSS行为分析与管控

（1）CPSS的行为分析与调控方法：基于计算实验的CPSS行为解析、行为诱导、调控预案评估；人机物融合系统的动态性能分析、预测及多目标动态优化决策；CPSS系统基于虚实互动和协同优化，实现调控目标的滚动优化理论；云计算环境下，应用验证领域平台的集成设计方法，以及行为分析与调控方案应用验证的实施与推荐方法。

（2）CPSS运行安全、重大事故预警与防范：基于社会系统与物理系统的对等映射，通过人因分析研究复杂系统的运营安全理论，建立复杂系统运行安全诱因数据库和突发场景库，建立预警防范评价机制。基于多源异构信息融合技术复杂系统的重大事故诱因辨识理论，通过计算实验研究不同类型事故的发展演化规律，研究重大事故前期或萌芽阶段的故障、危险源或一般事故的特征提取方法；研究复杂系统安全信息的实时获取方法与重大事故特征提取方法，运营安全域的动态估计以及定性、定量的安全评价理论与事故等级评价机制，以及多种媒体介质预警信息动态发布方法，从而提高CPSS系统运营管理和控制水平。

（3）结合网络优化与合作博弈的CPSS服务管理：利用ACP方法融合社会与物理信息并进行推演和预测，沿着三个方向进行新的CPSS服务系统的设计与论证，具体包括：应用新技术的服务延伸；创造新模式的服务延伸；拓展新范围的服务延伸。构建CPSS服务系统，并在此基础上研究综合服务体系对社会大众的影响，研究参与个体之间的合作博弈机制，达到既满足系统整体优化的效果，又能够兼顾参与系统的各方利益。

4　社会物理信息系统（CPSS）的典型应用

4.1　交通CPSS及典型应用

复杂交通系统涉及道路交通、公共交通、轨道交通、物流交通和交通服务等子系统，它同时涉及工程复杂性和社会复杂性两个方面，呈现动态性、开放性、交互性、自主性等特征。基于CPSS交通系统，为研究人车行为分析和调控这一科学问题提供现实需求和基础条件，对于预防与减少交通事故将发挥积极有效的作用。研究内容包括：

（1）基于交通CPSS的多尺度、混合模型与平台：交通系统中人和车辆混合场景下的行为机理、行为模型建立与验证；交通系统全要素的多尺度、混合的复杂动态网络模型建立与验证；交通系统全要素的体系架构设计与分析验证。

（2）基于交通CPSS的计算实验、行为分析与决策控制：通过把城市交通对象置于实际、仿真或混合环境下，产生复杂的互动方式和相关行为，利用涌现方法进行观测总结，分析和理解交通系统在各类计算实验环境下的行为及各种因素的影响作用。研究面向交通安全可靠、绿色高效等挑战性需求，基于常规统计方法和各类计算智能算法的计算实验设计；交通系统中人员和车辆混合行为演化规律的计算实验设计和结果分析方法；决策控制一体化人机交互控制系统主要调控预案的计算实验和分析评估。

（3）交通CPSS典型应用：构建城市交通CPSS平台，完成城市综合交通应用的示范应用；针对的城区路网、运输、港口、机场等多元化综合交通管控需求，结合人口分布、停车资源、公共交通及物流现状，完成包含城市交通、公共交通、停车、物流运输和社会交通等“多位一体”整体交通解决方案。

4.2　制造服务CPSS的消费行为分析与资源调控

制造领域通过产业链转型升级全球制造业将逐步从大规模生产模式、大规模定制模式进化到社会制造（Social Manufacturing）模式，基于CPSS成果所研制出的社会化设计、制造和服务一体化的CPSS制造系统，可进一步提高我国个性化产品等制造业的内部综合管控能力、外部个性化服务能力和未来市场竞争能力。主要研究内容：

（1）制造CPSS的建模与行为分析：制造CPSS的大数据获取与社会计算分析；制造CPSS全要素复杂动态网络建模与分析、全要素体系架构设计分析；制造CPSS产业链、价值链设计与分析；制造CPSS的管理与控制；制造CPSS的知识管理和战略管理。

（2）制造CPSS的网络化设计和服务。制造CPSS中复杂个性化产品的网络化设计，包括：个性化产品设计的3D扫描与建模；个性化产品3D虚拟现实的人机交互；复杂个性化产品的网络化设计平台。社会制造系统中个性化产品的网络化服务，包括：个性化产品定制的3D打印技术；复杂个性化产品的众包设计和电子商务集成体系。

（3）制造CPSS典型应用：研制网络化设计、制造与服务一体化平台，可在个性产品定制产业中选择应用示范，验证研究成果的实际应用价值。

5　结语

本文深入地分析和理解CPSS主要场景下，其社会系统、物理系统和信息系统复杂行为的动态演化规律，同时掌握其实现安全、可靠、高效运行目标的有效管理与控制手段，提高国家重大战略需求领域这类复杂系统的感知、分析和调控能力，有望对我国复杂系统的基础理论前沿研究产生深远影响，具有重要研究意义。
CPSS研究成果推广应用到交通领域，有望为未来的复杂交通系统，研究出交通CPSS的有效管理和控制方法，减少城市交通拥堵等安全事故，提高城市交通管控水平和运行效率。推广应用到制造领域，有望为《中国制造2025》应用实践，研究出制造CPSS的有效管理和控制方法。还有望推广到国防、能源、健康等行业，具有重要的应用价值。

作者简介：

熊刚（1969-），男，研究员，博士。现任中国科学院自动化研究所研究员、中国科学院大学博士生导师等职，主要研究方向包括流程工业自动化、交通自动化、离散工业自动化等领域。先后承担并完成40余项科研项目，包括科技部973/863项目、国家自然科学基金重点项目、创新群体项目及面上项目等。主编专著2本，参与撰写3本专著3个章节。发表论文300余篇，其中SCI/EI检索论文200余篇。获得软件著作权50余项，授权专利40余项。

★本文得到国家重点研发计划项目（No.2018 YFB1004800），国家自然科学基金项目（61773381, 61773382, 61533019），2017湖北省中科院省院合作专项项目和东莞市创新领军人才项目（熊刚）的资助。

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摘自《自动化博览》2018年8月刊