“信息物理系统还是“赛博物理系统”

“信息物理系统”还是“赛博物理系统”-机械制造论文
“信息物理系统”还是“赛博物理系统”
撰文/ 赵敏
热潮中的思考——“工业4.0”和“智能制造”系列报道
普遍认为，第一次工业革命是实现机械化，第二次工业革命是实现电气化，第三次工业革命则是在工业领域实现高度的信息化，而第四次工业革命的核心则是CPS 系统——Cyber-Physical Systems，目标是实现工业制造过程的自动化、信息化和智能化等。

因此，在谈及工业4.0 和智能制造时，必定绕不开CPS——这个“最熟悉的陌生人”。

实际上，CPS 并非新概念，其传统代表——嵌入式控制和执行系统，多年来已经广泛应用于航空航天、汽车、机械装备等离散制造业和能源、化工等流程工业。

很多年来，CPS 并不强调与新兴信息系统的对接，而更多强调嵌入式计算、控制单元与执行机构相衔接形成的自动化控制和执行系统。

但是在工业4.0 和智能制造时代，CPS 开始强调“实时监控、状态感知和自主决策”的智能化特征，基于先进IT 技术的数字化制造系统开始和传统CPS 系统融合，并利用高性能工业网络、传感器网络等基础技术，形成信息化系统、计算单元、控制执行单元和物理实体的协同，帮助CPS 系统变得更为“智能”。

不过，CPS 系统在引入国内时，不仅其定义和内涵并无统一认知，甚至其译名都存在较大的争议。

从本期开始的“热潮中的思考——‘工业4.0’和‘智能制造’系列报道”，编辑特别邀请英诺维盛公司总经理、中国发明协会发明方法分会会长、清华大学特聘课程教授赵敏先生，谈谈他对工业4.0 和CPS 系统的独特见解。

工业4.0 诞生于2011 年。

德国工业 4.0 的核心内容可以概括为：建设一个网络——CPS （Cyber-Physical System，赛博物理系统），研究两大主题——智能工厂和智能生产，实现三大集成——横向集成、纵向集成与端对端集成，以及推进三大转变。

CPS 强调的是赛博系统（Cyber System）和物理系统（Physical System）的融合。

物理系统不难理解，但是对于赛博系统则出现了较大的理解分歧。

现在流行的对CPS的翻译是“信息物理系统”，这是一个非常不妥当、概念混淆的术语翻译。

自从2014 年CPS 开始在国内流行时，笔者就质疑CPS 的翻译，并且于2014 年4 月20 日在媒体网站上专门发表了一篇名为“由工业4.0 谈及对CPS 的翻译和理解”的博客文章，讨论了对这个术语的翻译。

笔者深切地感受到，CPS 是工业4.0 的核心和标志，是工业4.0 的落地和使能技术。

没有CPS，就没有工业4.0。

对于这样一个重要术语的翻译错误，将导致大家对CPS的理解错误，进而可能导致CPS 难以落地。

于是，笔者花了近一年的时间来收集有关CPS 的资料，并利用笔者熟知技术系统发展演变理论的优势，从自己的视角研究和剖析了CPS。

为了弄清楚Cyber 的准确释义，笔者查询了牛津大辞典，词典给出的词条解释是：Cyber--(in nouns andadjectives) connected with electronic communicationnetworks，especially the Internet，翻译为“赛博-（以名词和形容词）连接电子通信网络，特别是互联网（的事物）”。

维基百科没有给出明确的解释，谷歌翻译软件只是给出了几个释义：网络、数码和网上等。

因此，
根据目前的翻译工具和辞书，无论怎么看，Cyber 都没有信息的意思，而主要是“网络”或“互联”的意思。

赛博系统，并非新生事物。

1954 年钱学森撰写的《工程控制论》一书就提到了赛博的概念。

某些行业对赛博空间的研究，也已经达到了较高的水平。

2009 年4 月，在美国国防部的倡导下出版了《赛博力量和国家安全》一书，对赛博空间做了全面的介绍，形成较为完备概念体系，书中认为赛博空间是一个可操作的领域，由电磁频谱、电子系统及网络化基础设施三部分组成，人类通过电子技术和电磁频谱进入该领域，进行信息的创建、存储、修改、交换和利用。

简单理解，电磁频谱是各种制式电磁波，电子系统是各种连接网络的终端，网络化基础设施是各种有线/ 无线网络和发射接受终端等。

这是目前对赛博系统最清晰的释义。

但是，最初翻译工业4.0 的人可能并不了解这些背景知识，望文生义地把Cyber 翻译成了“信息”。

其实，信息以及承载信息的数据，只是赛博系统中流动的过客，是被控制的对象。

众所周知，信息化的基础是二进制数据。

计算机并不直接处理信息，只会按照既定的程序，处理0 和1 的二进制数据。

当任何自然界信息或人工信息需要计算机处理时，首先要做的工作是该类信息的数字化，然后交由计算机处理，然后再把处理后的数字化信息用软件（屏幕显示设备）或使能器（执行动作设备）表示出来。

因此，所谓信息化，实际上是“自然界信息→信息数字化→数字运算→数字化信息→显示或执行结果”这样一连串的、信息产生质的飞跃变化的过程。

如图1 所示。

计算机CPU 的子系统是门电路，门电路的元件是晶体管，晶体管依赖于电场的变化（电平高低或电流通断），最终表示为0 和1 的逻辑数据。

在场效应管结构中，闸门（Gate）呈类似鱼“鳍（Fin）”的叉状3D 架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。

电流的通断，代表了0 和1 的二进制数字。

由此，在物质支持下，电场的状态形成了晶体管的数字化逻辑运算状态。

计算机存储功能由各类存储器实现。

在数据的记录形式上，现在多数采用磁介质材料来实现数据的读写。

现在常用的垂直记录技术，是以磁颗粒的极性N → S 和S → N 的物理状态来决定二进制数字0 或1。

如图2 所示。

我们甚至还可以把无线网络的发射与接收设备也用这样的方式描述出来。

限于篇幅，不再赘述。

综上所述，无论是计算机、手机的运算、存储、显示和网络传输，还是各类传感器和数码设备等，都属于大家所熟知的赛博系统，都是基于最基本的物质和物理场的原理工作的。

物质支持了场的存在，场支持了数字化逻辑的基本原理实现。

因此，赛博系统是特指包含了数字空间的基本物理结构。

所谓CPS，就是要让第三次工业革命的产物——包括了数字空间的赛博系统，不断融入第一次、第二次工业革命的产物——物理系统的过程，从彼此叠加、嵌入直至相互融合、互通互联，形成了赛博物理系统（CPS），实现“状态感知、实时分析、自主决策和精准执行”的智能制造，并为未来无所不在的物联网铺平道路。

笔者观点：物质生成场，场生成数字，数字形成数字空间。

数字空间和其所承载的数字化信息不能脱离物质而单独、稳定的存在，只能长期而稳定地生存、流动在特定的硬件、软件、固件或网络设备中，如芯片、路由器、手机、基站等赛博系统。

信息只是赛博系统控制的对象，而不是赛博系统本身。

因此，CPS 的正确翻译和理解是“赛博物理系统”。