從德國人的“工業(yè)4.0”到美國人的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，能源領(lǐng)域都在談顛覆。實現(xiàn)所謂“顛覆”的一個要素就是實現(xiàn)從虛擬到現(xiàn)實的互聯(lián)，實現(xiàn)人、機、物的融合。今天，我們不空談概念，而是落腳在技術(shù)：也許你還不了解什么是CPS，但它將觸發(fā)在能源和工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)力變革，將使得人類在能源和工業(yè)領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)無所不在的信息監(jiān)視和精確控制，真正實現(xiàn)人類對復(fù)雜系統(tǒng)的全面管理。

CPS，全稱信息物理系統(tǒng)( Cyber Physical Systems)，是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的統(tǒng)一體，可以被看作升級版的物聯(lián)網(wǎng)。

?【CPS與物聯(lián)網(wǎng)有什么不同？】它更強調(diào)數(shù)字世界對于物理世界的控制，CPS可以通過互聯(lián)網(wǎng)，以可靠并且安全的方式，實時和自治的操控一個物理實體和系統(tǒng)。CPS將使得數(shù)字世界不再僅僅是物理世界的虛擬映象，而將真正進化為人類社會的新疆界。

【CPS將為能源和工業(yè)領(lǐng)域帶來革命】對目前世界來說，互聯(lián)網(wǎng)革命喊得雖響，但歸根到底，互聯(lián)網(wǎng)其實還僅僅被當作一項工具，被廣泛利用于營銷和管理，而CPS將使互聯(lián)網(wǎng)同世界融合，未來人類社會就是一個MEGA CPS（超級CPS），互聯(lián)網(wǎng)思維將不再僅僅是營銷口號，而將成為我們看待世界的第一視角。未來CPS掀起的生產(chǎn)力革命將主要爆發(fā)在兩個基礎(chǔ)領(lǐng)域：能源和工業(yè)。CPS的人，機，物融合能力，能夠賦予人類在能源和工業(yè)領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)無所不在的信息監(jiān)視和精確控制，真正實現(xiàn)人類對復(fù)雜系統(tǒng)的全面管理，而能源互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0其實就是能源和工業(yè)同CPS深度融合的另一種表述。

【CPS時代的主題之一：融合】能源和工業(yè)內(nèi)部價值鏈的互聯(lián)融合，能源和工業(yè)兩者互相的互聯(lián)融合，能源和工業(yè)同終端消費者的互聯(lián)融合，由此將衍生出與目前截然不同的商業(yè)模式，傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)，輸電企業(yè)，制造企業(yè)將向數(shù)據(jù)企業(yè)轉(zhuǎn)型，并且繼續(xù)向系統(tǒng)解決方案型企業(yè)和平臺型企業(yè)演化，跨領(lǐng)域的整合也將頻繁出現(xiàn)。

【無所不能 文|曹寅】未來 30年，中國、印度和其他發(fā)展中國家的數(shù)十億人將步入中產(chǎn)階級，這些朝氣蓬勃的新生代和西方年輕人沒有什么區(qū)別，同樣需要高樓大廈，需要購物中心，需要蘋果手機，需要汽車、牛排、空調(diào)、寵物、音樂會、海外旅行等等中產(chǎn)階級物質(zhì)和精神需求。

不過地球養(yǎng)活今天的20億中產(chǎn)階級已經(jīng)承受了巨大壓力，還怎么再承擔(dān)新增的幾十億中產(chǎn)階級消費需求? 是不是真的像奧巴馬曾經(jīng)宣稱的“地球資源無法接受中國人像美國人一樣生活”？難道除了戰(zhàn)爭和計劃生育之外，人類真的無法解決人口增長和資源有限之間的矛盾？這種馬爾薩斯主義的論調(diào)看似正確，不過卻是站在靜止的角度去預(yù)測未來，忽略了一個重要維度：技術(shù)。

資源的短缺迫使人類采用新的技術(shù)，歷史上每一次重大技術(shù)突破都成功使生產(chǎn)力躍上一個新臺階，賦予更多人口有質(zhì)量的生活，這些突破包括化肥，電力，抗生素，流水線等，而這次將是信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems,簡稱CPS)把人類從馬爾薩斯陷阱拯救出來。

CPS：人、機、物融合全靠它

CPS是一個新的概念，2005年才由美國科學(xué)院提出，2008年之后，美國才將CPS作為國家戰(zhàn)略性發(fā)展方向予以重視。CPS是一個結(jié)合計算領(lǐng)域以及傳感器(Sensor)和致動器(Actuator)裝置的整合控制系統(tǒng)。包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使我們身邊的各種物體具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自組織功能，使計算能力與物理系統(tǒng)緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，在傳感器的幫助下，CPS接受并處理來自物理世界的大量數(shù)據(jù)，并將這些用于基于網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用和服務(wù)中，最終會這些服務(wù)和應(yīng)用會通過致動器反饋并影響實體世界。

目前已有某些領(lǐng)域出現(xiàn)似于CPS的電子控制綜合性系統(tǒng)，但目前這些系統(tǒng)通常都是嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），嵌入式系統(tǒng)比較強調(diào)機器的計算能力，CPS則更為強調(diào)各個實體裝置和電腦運算網(wǎng)絡(luò)的融合，CPS是借用技術(shù)手段實現(xiàn)人的能力在時間、空間等方面的延伸，CPS的本質(zhì)就是人、機、物的融合。簡而言之，現(xiàn)在我們身邊常見的物體都是沒有感覺，沒有靈魂，不會思考，不會合作的死物，但CPS使我們的物理系統(tǒng)成為了活物，不僅賦予了物體以感覺，還賦予了其思考能力和協(xié)作能力，物理世界和數(shù)字世界將合二為一，其意義甚至超過了哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，將從空間上和時間上深刻的改變?nèi)祟惿鐣?，從空間角度來說，CPS使得數(shù)字世界將不再僅僅是現(xiàn)實物理世界的映象，而將成為人類的新生存空間，這個空間遠遠超越了現(xiàn)實物理世界，超越了物理距離，沒有邊界，一切物體都以光速聯(lián)系彼此；從時間上來說，CPS使得現(xiàn)實物理世界的發(fā)展速度向數(shù)字世界靠近，人類社會的發(fā)展速度將呈指數(shù)級別增長，未來歷史學(xué)家回眸過去時將不再使用公元前和公元后來斷代，而將使用前CPS時代和后CPS時代來研究人類的歷史。

↓↓↓摩爾定律↓↓↓

CPS作為一種使能技術(shù)，將使眾多創(chuàng)新應(yīng)用成為現(xiàn)實，孕育了無數(shù)商業(yè)模式。CPS給人類社會帶來的深刻變化和挑戰(zhàn)應(yīng)該同其他重要的新技術(shù)放在一起檢視，比如CPS和人工智能，CPS和大數(shù)據(jù)，CPS和云計算，CPS和3D打印，CPS和可再生能源，CPS和電動汽車。但CPS給世界帶來最重要的貢獻卻鮮有人意識到，即摩爾定律將適用于實體世界。摩爾定律由英特爾創(chuàng)始人之一戈登•摩爾在50年前提出，摩爾提出，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的計算機性能，將每隔18個月翻兩倍以上?，F(xiàn)在，人類早已經(jīng)從晶體管時代進入了芯片時代，目前正在往下一代計算技術(shù)時代邁進，但長期以來，摩爾定律只適用于信息技術(shù)，也就是所謂的數(shù)字世界，而CPS則將會把物理世界也帶入摩爾時代。

CPS如何實現(xiàn)無所不在的信息監(jiān)視和精確控制？

CPS之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，有賴于半個多世紀以來人類ICT(Information Communication Technology,信息通信技術(shù))技術(shù)的不斷積累，但最重要還是近三十年以來兩項技術(shù)的爆炸式發(fā)展。首先是互聯(lián)網(wǎng)，比如因特網(wǎng)以及基于因特網(wǎng)的萬維網(wǎng)，顯而易見，這是CPS能夠?qū)崿F(xiàn)的基石。其次則是軟件密集型嵌入式系統(tǒng)（software-intensiveembedded systems，簡稱SIES），SIES在現(xiàn)今幾乎所有的高科技產(chǎn)品和系統(tǒng)中都能發(fā)現(xiàn)，比如數(shù)控機床、高級轎車、飛機、智能建筑、智能風(fēng)機等，SIES對于CPS的重要性常常被低估，但其卻是CPS能夠落地的真正關(guān)鍵。CPS的核心理念即數(shù)字世界同物理世界的深度融合，但數(shù)字世界的更新速度遠遠快于物理世界，純物理世界難以跟上數(shù)字世界的發(fā)展，因此CPS的實現(xiàn)需要能夠?qū)⑽锢硎澜缤瑪?shù)字世界合二為一的粘合劑，這種粘合劑就是SIES，而粘合方式就是“以軟代硬”。

軟件的功能可以無限量地添加和升級，而硬件通常要花費很多費用和時間來保養(yǎng)和升級，因此大規(guī)模的“以軟代硬”其實就是以數(shù)字世界融化物理世界的過程，這種趨勢在Tesla電動車和智能手機上已經(jīng)得到體現(xiàn)。在SIES中，軟件重要性遠遠超過硬件，因此SIES更加敏捷和靈活，可以按照客戶的特定需求和要求進行定制。在開發(fā)或使用的任何階段，都可以通過更新軟件來快速更新功能。此外，SIES的開發(fā)成本雖然可能相對于普通嵌入式系統(tǒng)有所增加，但產(chǎn)品生命周期成本卻可以大幅降低。在普通的硬件主導(dǎo)型系統(tǒng)中，硬件設(shè)計必須在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期就確定下來，但軟件驅(qū)動的系統(tǒng)卻可以將靈活性保持到在用戶使用中。因此，隨著代碼數(shù)量保持成倍增加，我們每天使用的設(shè)備將變得越來越智能化。未來，在工業(yè)企業(yè)中，軟件工程師將比機械工程師更多，未來，軟件將定義世界。

這種由CPS所帶來的虛擬物理大融合將使人類的生活和生產(chǎn)更安全，更高效，更健康，更清潔，幫助人類社會解決很多目前物理系統(tǒng)無法解決的難題，比如人口老化帶來的養(yǎng)老問題，資源稀缺造成的物價上漲，交通擁堵帶來的效率損失，自然災(zāi)害帶來的生產(chǎn)力損失，可再生能源不穩(wěn)定造成的電價上漲等。一些早期的類CPS應(yīng)用早已經(jīng)進入我們的日常生活，并被我們天天使用。典型案例就是車載導(dǎo)航軟件，GPS系統(tǒng)為地球表面每一塊土地都提供了一個全新的、瞬時可知的虛擬映象，車輛既是行駛在物理世界的道路上，也穿行在數(shù)字世界中，在移動通信數(shù)據(jù)的幫助下，現(xiàn)在的導(dǎo)航軟件還能根據(jù)即時路況規(guī)劃最佳行駛路線。其他的常見類CPS應(yīng)用還包括軌道交通控制系統(tǒng)，風(fēng)電站遠程控制系統(tǒng)等。但CPS對人類世界最震撼的改造還并未降臨，CPS掀起的生產(chǎn)力革命將主要爆發(fā)在兩個基礎(chǔ)領(lǐng)域：能源和工業(yè)，CPS的人，機，物融合能力，使的人類在能源和工業(yè)領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)無所不在的信息監(jiān)視和精確控制，真正實現(xiàn)人類對復(fù)雜系統(tǒng)的全面管理。


能源革命？沒了CPS才玩不轉(zhuǎn)呢

在能源領(lǐng)域中，如果我們能夠站在全球角度來看，人類的能源系統(tǒng)正處于巨變中。我們的電力供應(yīng)模式正從可以隨時發(fā)電的常規(guī)大型集中式電源（核電，火電，大型水電）向不穩(wěn)定，非集中，低能量密度的可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。由成熟應(yīng)用向不成熟應(yīng)用的變化難以避免會帶來陣痛，風(fēng)能和太陽能不像火電核電一樣招之即來，揮之即去，可再生能源是一種氣候能源，瞬息即變的天氣隨時都在影響風(fēng)能和太陽能的輸出。此外，電力消費因時間不同，季節(jié)和習(xí)慣不同而變化復(fù)雜，為了滿足這些時刻處于變化中的電力需求，電力供應(yīng)量總是不得不超過電力需求量。除此以外，在你看不見的地方，還有很多發(fā)電機組正處于隨時待命狀態(tài)，以滿足突然出現(xiàn)的額外電力需求，這造成了巨大資源和效率浪費。由于以上原因，電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間正在從發(fā)電和用電兩端被前所未有的壓縮，這也對電力系統(tǒng)的調(diào)度和控制技術(shù)提出了更高的要求。在新的背景下，傳統(tǒng)技術(shù)和結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯得力不從心，只有基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)才能滿足新型電力系統(tǒng)的要求。

目前被動的、弱信息化的、單向傳輸?shù)?、靜態(tài)的、封閉式的電網(wǎng)，將進化為市場導(dǎo)向的、服務(wù)化的、分布式和集中式相結(jié)合的、動態(tài)的，開放式系統(tǒng)。未來基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)可以持續(xù)不斷監(jiān)控每一戶家庭，每一輛電動車，每一個工廠，甚至每一臺用電器的電力消費數(shù)據(jù)和使用習(xí)慣，通過大數(shù)據(jù)分析來預(yù)測即期，短期，中期以及長期的電力消費。而在發(fā)電端和輸電端，基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)，則可以通過微網(wǎng)技術(shù)，儲能技術(shù)和遠程輸電技術(shù)，大幅提升可再生能源的使用比例和使用效率，大幅降低因為不必要的冗余而造成的巨額浪費。

其實ICT技術(shù)在能源系統(tǒng)里面早已被廣泛應(yīng)用，舉例來說，現(xiàn)在火電站已經(jīng)能夠做到遠程控制，輸電網(wǎng)的運行情況在調(diào)度中心中能夠一目了然，配電網(wǎng)自動化也正在逐漸普及，帶有通信功能的智能變電站也正在日益推廣；光伏電站和風(fēng)電站也能做到遠程智能控制，全球過億家庭已經(jīng)安裝了智能電表，帶有通信功能的智能電器和智能汽車也越來越多；不僅電力，就連油氣開采和油氣管輸也在日益自動化和智能化，通信和控制已經(jīng)成為能源電力系統(tǒng)的標準功能配置，但是目前這些系統(tǒng)還是一個個信息孤島，在孤島內(nèi)，基于不同系統(tǒng)的CPS已經(jīng)出現(xiàn)，但目前還缺乏一個能將消費者，生產(chǎn)者，經(jīng)銷者，管理者和調(diào)度者，以及各種設(shè)備和服務(wù)都連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)就是基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)。


CPS能讓所有地方具備和德國一樣的工業(yè)升級的能力

同能源領(lǐng)域一樣，如今的工業(yè)也正處于大變革的前夜。上世紀90年代以來的新型經(jīng)濟體迅速工業(yè)化后，產(chǎn)生了基于比較優(yōu)勢的全球大分工和大競爭，同時，在互聯(lián)網(wǎng)時代大背景下，消費者和消費觀念也在劇變。當供應(yīng)端和消費端同時發(fā)生劇變時，工業(yè)企業(yè)的核心競爭力也被徹頭徹尾的顛覆了，核心競爭力從產(chǎn)品質(zhì)量控制，轉(zhuǎn)移到了客戶價值創(chuàng)造。這種變化對企業(yè)能力提出了前所未有的要求。為客戶創(chuàng)造價值意味著企業(yè)需要能夠生產(chǎn)夠復(fù)雜更先進的產(chǎn)品和系統(tǒng)，隨著機械技術(shù)和信息技術(shù)的深入融合，人類所生產(chǎn)的各種產(chǎn)品和系統(tǒng)的復(fù)雜性也呈指數(shù)級別增長，比較典型的例子就是高鐵，高鐵是車輛，軌道系統(tǒng)，信號及調(diào)度系統(tǒng)，電力供應(yīng)系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)的結(jié)合，每一個子系統(tǒng)都涉及非常復(fù)雜并且專業(yè)的技術(shù)。但根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)觀點，系統(tǒng)的復(fù)雜性遠大于子系統(tǒng)和子系統(tǒng)元件復(fù)雜性的線性加總。從單個產(chǎn)品，到系統(tǒng)，再到基于系統(tǒng)的服務(wù)，對企業(yè)的能力要求成指數(shù)級別增長。

復(fù)雜的系統(tǒng)也意味著更復(fù)雜的供應(yīng)鏈和價值鏈，以及更多的參與者。過去，受經(jīng)濟學(xué)分工理論的影響，企業(yè)傾向于將工作任務(wù)進行精細劃分，然后再逐層外包，以達到專業(yè)化分工目的，但分工在提升生產(chǎn)效率同時，卻造成信息流通效率降低，如果沒有先進信息技術(shù)，復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)的企業(yè)協(xié)作將變的根本無法進行。更何況，在全球化和互聯(lián)網(wǎng)化背景下，企業(yè)分工價值鏈早已蔓延過了地區(qū)，甚至跨越了時區(qū)。硅谷團隊負責(zé)研發(fā)，紐約團隊負責(zé)品牌管理，，巴黎事務(wù)所設(shè)計，韓國和日本企業(yè)提供零部件，深圳工廠組裝，再由迪拜分銷商送往世界各地，這種全球大分工在很多行業(yè)已經(jīng)十分普遍。但是，截至目前只有部分巨型企業(yè)，比如波音，空客，西門子，通用電氣，東芝，蘋果等工業(yè)巨頭才具備對復(fù)雜價值鏈的管理能力，在未來，CPS所掀起的新工業(yè)革命將幾乎將使任何組織都具備這種能力,德國人將這種革命成為工業(yè)4.0，而美國人將這種革命成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

目前CPS在工業(yè)，尤其是制造業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到一定應(yīng)用，基于CPS的智慧制造可以根據(jù)市場需求即時改變產(chǎn)品設(shè)計和供應(yīng)鏈，利用PLM（Product lifetime Management）平臺，甚至可以實現(xiàn)跨公司的超柔性合作。這就使得基于客戶要求和特征的快速定制化生產(chǎn)成為可能，并且徹底改變現(xiàn)在上下游企業(yè)之間的合作方式。自組織、自優(yōu)化、自適應(yīng)的全球價值鏈和供應(yīng)鏈大協(xié)作將在世界范圍內(nèi)迅速改變目前制造業(yè)競爭局面，傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)就像是單細胞生物，而基于CPS的智慧制造將重塑制造業(yè)企業(yè)之間的合作方式，使同一價值鏈內(nèi)的眾多企業(yè)從單細胞生物融合為多細胞生物，實現(xiàn)整條價值鏈的共同進化。

中國2025計劃：看上去很美

工業(yè)的CPS化將給世界工業(yè)競爭帶來巨大影響，因此德國打出了工業(yè)4.0概念，美國拉開了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大旗，中國制造業(yè)也不甘落后，提出了“中國制造業(yè)2025”計劃。然而，對于中國企業(yè)來說，工業(yè)CPS化任重而道遠，因為這需要重塑包括流程和工藝，機械和設(shè)備，物流和供應(yīng)鏈管理，自動化和信息化在內(nèi)的所有能力領(lǐng)域，面臨的挑戰(zhàn)數(shù)不勝數(shù)，比如，基于虛擬生產(chǎn)而重新設(shè)計的工藝和流程、能夠容錯的強健制造流程、性能穩(wěn)定并且可預(yù)測的生產(chǎn)設(shè)備、開放并且標準模塊化的過程仿真和工藝模型、人工智能的安全應(yīng)用、工業(yè)大數(shù)據(jù)的存儲和分析應(yīng)用，當然，信息安全也將無比重要。與此同時，工業(yè)人才的知識體系和觀念需要徹底重塑，傳統(tǒng)工業(yè)的集中式和層級化組織結(jié)構(gòu)和管理理念已經(jīng)不再適用于基于CPS的智慧工業(yè)。

CPS在改造能源和工業(yè)的同時，CPS本身也在不停進化。下一階段，CPS將實現(xiàn)自組織能力，未來CPS能夠在沒有外部指令和干涉的情況下，使系統(tǒng)的物理和信息部分按照某種規(guī)則，相互默契，各盡其責(zé)，同時又協(xié)調(diào)自動地形成有序結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有序有效并且有意義的系統(tǒng)自動控制和執(zhí)行。CPS自組織能力在具體工業(yè)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用功能實現(xiàn)將十分有意思，舉個例子，在工業(yè)領(lǐng)域，工廠的生產(chǎn)線可以根據(jù)工作負荷自動的調(diào)整維修周期，甚至自動調(diào)整上游物料供給速度，自動安排并切換備用生產(chǎn)線，使得工廠在產(chǎn)線維修期間的產(chǎn)出不受影響。在能源領(lǐng)域，自組織能力的實現(xiàn)可以解決可再生能源發(fā)展的最大瓶頸，即風(fēng)光的不穩(wěn)定性，通過氣象大數(shù)據(jù)的分析預(yù)測和現(xiàn)場氣象傳感器的即時數(shù)據(jù)，用電器和儲能系統(tǒng)能夠提前預(yù)知可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電輸出波動，在不影響生產(chǎn)生活的情況下，自動調(diào)整工作狀態(tài)，使得原來必須依賴于電網(wǎng)才能實現(xiàn)穩(wěn)定工作的可再生能源系統(tǒng)實現(xiàn)真正的獨立運行。
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CPS對我們現(xiàn)在的社會和商業(yè)結(jié)構(gòu)具有高度顛覆性影響，可以從根本上改變現(xiàn)有的諸多商業(yè)模式，顛覆企業(yè)及組織之間的競爭方式。能夠提供基于CPS的服務(wù)的新型企業(yè)正在不知不覺的滲透和吞噬傳統(tǒng)企業(yè)的市場，當然CPS本身也在前所未有的拓展人類的社會和商業(yè)邊界，創(chuàng)造新的商業(yè)價值處女地。CPS也將對我們現(xiàn)在的研發(fā)領(lǐng)域帶來新的挑戰(zhàn)。如何建立，運行，監(jiān)控和維護CPS及其應(yīng)用？數(shù)據(jù)和信息如何在不同的通訊方式和系統(tǒng)中傳輸？如何進行跨系統(tǒng)的控制？以及如何不被有惡意的人遠程侵入和控制？如何存儲和利用CPS帶來的海量數(shù)據(jù)？等等，這些都是切實擺在企業(yè)和研究者面前的問題，這需要機械，電氣，電子，計算機與軟件，系統(tǒng)科學(xué)等諸多學(xué)科跨界研究，也需要不同企業(yè)之間共同協(xié)作。未來的商業(yè)社會將是一個沒有邊界的世界，傳統(tǒng)的電力企業(yè)，制造企業(yè)，建筑企業(yè)，服務(wù)企業(yè)甚至農(nóng)業(yè)，都會和互聯(lián)網(wǎng)深度融合，未來的世界就是一個MEGA CPS(超級CPS)，這不是科幻小說，而是每個人都將面對的明天。