层级化的应用

CPS助力“两化融合”与“新四基”发展的核心是要考虑应用的层级化以及层级化的需求差异。现实社会由复杂大系统构成，包括个体的活动（如个人，车辆，船舶等）、由明确目的所集合在一起的群体的组织活动（如企业，消费者，政府机构等）、在一定区域内的各个组织活动相互影响与协同（称之为社区活动，如某一个区域或某一个产业链等），这三种活动彼此之间相互影响、相互作用。因此，要想实现整个体系的智能化，必须在体系设计中考虑相互的影响和作用。在这个复杂大系统中，CPS体系在各个层级的应用是有侧重点并相互关联的，如图4-2所示。

图4-2 CPS面向不同层级对象的应用体系

同时，我们在第3章总结CPS的5C技术体系架构时提到，CPS设计中的重要特性是具有较为广泛的普适性和可扩展性：普适性体现在技术体系的设计可以运用在不同的工业领域和具有不同智能化基础的设备和系统上；可扩展性体现在技术体系可以运用于本地CPS、系统级CPS、集群CPS、产业链CPS以及社区CPS等不同层次的应用上。在不同的对象和层级的应用上，CPS的工作流程、核心内涵、技术要求以及实施逻辑都遵循相似的设计原则。因此，CPS的5C技术体系架构也可有效适用于面向本地装备、个体、集群和社区中的多层级体系应用模式。

在设计中，由于CPS的目标是通过虚拟空间数据分析和信息融合所提供的增值服务来帮助实现实体价值的增长，所以体系中各级的设计也遵循这一原则，即本地装备、个体、集群、社区这四个层级的CPS，均遵循图3-4所示的CPS与对应的技术流程，同时其各层次的目标与手段均有侧重并相互关联。

这里我们分别给出本地装备CPS、个体CPS、群体CPS和社区CPS的定义与设计框架。需要说明的是，虽然各层级使用相同的CPS体系架构、遵循相同的原则，但在同源信息条件下，由于各级用户的活动与目标不同，其价值标准和具体算法模型有很大的差异。

1.本地装备CPS

本地装备CPS的核心是帮助用户合理的使用装备，即对控制的帮助，达到提高效率、降低故障的目的，实现装备的价值最大化，同时接受CPS的决策支持并为上层CPS应用提供源信息（见图4-3）。

图4-3 本地装备CPS

2.个体CPS

个体CPS是CPS中关键的环节。在远程的虚拟空间，每一个实体个体都构建了一个虚拟映射体，它不是传统的实体仿真体，也不仅是实体的镜像反映，而是以特征为主要方式客观反映实体的内在状态。同时，个体CPS通过实时或半实时的更新变化，反映实体空间个体的状态，并在此基础上在远程客观显示实体的状态、变化及其活动、环境、目标的相互影响和发展趋势（见图4-4）。此外，个体CPS也可用于支持实体CPS和群体CPS的工作。

图4-4 个体CPS

3.群体CPS

以往的CPS是以控制领域为代表的研究者提出并推动的，所以目前在国内看到的很多关于CPS的研究，探讨的更多是个体CPS的构建。而在国际上，CPS的意义逐渐被更多的人认识并接受，CPS在个体应用的这种思路已经开始发生变化，并开始应用在更广泛的层面。例如在美国，CPS已经被应用于国防、医疗、政府服务、食品安全、反恐等社会领域的服务和管理，这对于我们重新认识CPS的使用具有很重要的意义。

在我们理解CPS时，群体不是个体的简单集合，而是按照明确的共同目标由多个个体构成的组织，所以其体系的建立目的是帮助改善组织的活动，实现个体间面向共同活动目标的协同与优化。所以，群体CPS主要的工作是协调组织内各个角色活动的协同与优化，指挥并监控个体的活动达到组织目标（见图4-5）。

图4-5 群体CPS

4.社区CPS

社区的含义是指在同一个环境空间内的不同群体和组织的集合，这些组织之间分享社区中的资源、遵守社区中的法规，但是具有不同的组织目标和活动方式。相同社区内的各个群体之间的目标会相互冲突，主要体现在有限资源的使用、规则的遵守、目标的优先级和信息分享等方面。因此，维护在特定空间和时间内多个群体所属的、大量个体所构成的社区中彼此活动的有序进行以及社区的和谐与稳定，是社区CPS存在的主要目的（见图4-6）。

图4-6 社区CPS

在图4-3至图4-6中，左半部分表示各个部分对该层级用户的价值，右半部分表示需要运用的具体技术。从图中可以明显看出，在同样的原则和体系下，使用相同的CPS层级，在同源信息条件下，由于各级用户的活动与目标不同，其价值标准和具体算法与模型有很大的差异。

在CPS体系中，需要解决的一个典型问题就是如何将本地装备CPS、个体CPS、群体CPS和社区CPS这几个层级组合成一个整体进行应用。

可以说，每一个CPS层级中的单元或系统，都可以由CPS的5C技术体系架构来实现，其中，不论是平行关系还是包含关系，不同的CPS单元或系统之间都可以通过智能网络层（cyber level）相互连接，使其作为不同CPS单元之间协同的信息出入口，这样就可以实现从一个最小的子系统到全局系统的协同。

图4-7 以本地、个体、群体、社区为核心的海洋工业领域CPS体系信息流程

图4-7显示的是一个以本地、个体、群体、社区为核心的海洋工业领域CPS体系信息流程，从图中可看出面向智慧型海洋工业生态链的应用体系实体要素。CPS体系能够将海洋工业生态链中活动的个体、群体、群体间（也可称为海洋社区）自身活动以及活动之间的相互影响和协同作用进行综合评估，并在赛博空间中客观地反映出来，最终实现活动的协同与优化。

整个CPS是在同源数据所形成的共同记忆基础上，通过层次化模型所构成的思维平台来满足层次化用户的决策需求，所以它构建的一定是一个满足协同工作的应用平台（记忆体系的构建决定了应用平台与数据平台建设必须同步，管理与应用必须紧密耦合）。

因此，我们也可以说，CPS是一个明显结构化的技术体系，它由最小智能单元作为细胞，这些细胞能够灵活地自由组合，形成一个小到设备，大到工业生态系统的智能化组合，其中智能控制、智能管理和认知环境构成了最小的CPS智能单元。