信息物理系统（CPS）导论

作者简介

中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心主任。牵头承担基于工业互联网平台的系列指南研制、融合发展暨工业互联网平台深度行、信息物理系统共性关键技术测试验证平台建设与应用推广、工业互联网平台标准管理服务公共支撑平台建设等多项工业互联网平台、制造业“双创”和融合发展相关重大课题的实施工作。主要参与国家标准GBT 33850-2017《信息技术服务 质量评价指标体系》以及智能制造、工业软件测试等领域国家、地方和团体标准的编写工作。参与编写并出版《软件成本度量国家标准实施指南—理论、方法与实践》、《信息物理系统（CPS）典型应用案例集》、《基于工业互联网平台的网络化协同实施指南研究报告》等书籍。

内容简介

信息物理系统(cyberphysical systems，CPS)因控制技术而起，因信息技术而兴。信息物理系统通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。随着制造业与互联网融合迅速发展壮大，信息物理系统作为一项颠覆性创新技术，正成为支撑和引领全球新一轮产业变革的核心技术体系，驱动着物理世界与信息世界的融合发展与创新应用，促使制造体系的重构与制造范式的迁移，为制造业高质量发展带来了全新的发展机遇。2006年，美国国家科学基金会(NSF)对CPS概念做了详细描述，将其作为美国抢占全球新一轮产业竞争制高点的优先议题。2013年，德国将CPS作为“工业4.0”的核心技术，在标准制定、技术研发、验证测试平台建设等方面做出一系列战略部署。《中国制造2025》提出：基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革，要围绕控制系统、工业软件、工业网络、工业云服务和工业大数据平台等，加强信息物理系统的研发与应用。《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》明确提出：构建信息物理系统参考模型和综合技术标准体系，建设测试验证平台和综合验证试验床，支持开展兼容适配、互联互通和互操作测试验证。当前，面对抢占新一轮科技革命和产业变革竞争制高点的新形势，面对“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的战略方针，应实现信息技术从单项业务应用向多业务综合集成转变，从单一企业应用向产业链协同应用转变，从局部优化向全业务流程再造转变，从提供单一产品向提供一体化的“产品+服务”转变，从传统的生产方式向柔性智能的生产方式转变，从实体制造向实体制造与虚拟制造相融合的制造范式转变。智能制造是制造系统的集成、制造体系的重建、制造模式的再造，基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。面对信息化和工业化深度融合进程中不断涌现的新技术、新理念、新模式，如何全面充分认识作为信息化与工业化深度融合的跨学科、跨领域、跨平台的综合技术体系的信息物理系统，对“制造强国”建设至关重要。信息物理系统的本质是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。2017年3月，中国电子技术标准化研究院联合中国信息物理系统发展论坛成员单位，共同研究编撰了《信息物理系统白皮书(2017)》，从“为什么”“是什么”“怎么干”“怎么建”“怎么用”“怎么发展”等方面对制造业CPS展开论述，业界基本达成“信息物理系统能够将感知、计算、通信、控制等信息技术与设计、工艺、生产、装备等工业技术融合，能够将物理实体、生产环境和制造过程精准映射到虚拟空间并进行实时反馈，能够作用于生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期，能够从单元级、系统级到系统之系统(SoS)级不断深化，实现制造业生产范式的重构”的认知，以及“一个总体定位、连接两大空间、作用三个层次、打通四个环节、四大技术要素、六大典型特征”的理论共识。2017年10月，中国电子技术标准化研究院结合CPS测试验证组织了信息物理系统(CPS)应用案例征集活动，共收到案例35份，通过专家评审，共有28份案例入选案例集，在为期一年的校稿及出版流程后，最终于2019年4月正式印刷出版了《信息物理系统(CPS)典型应用案例集》。典型行业共性建设方案是推动CPS落地与发展的重要抓手，既可以促进关键共性技术的突破，又可以推动制造企业的个性化应用。基于价值体系、建设模式选择、建设实施的思路，信息物理系统可在汽车制造业、航空航天业、石化行业、船舶行业和烟草行业落地应用，形成不同模式的解决方案，为企业带来不同的价值。信息物理系统(CPS)导论前言2018年，中国电子技术标准化研究院牵头承担了“信息物理系统共性关键技术测试验证平台建设与应用推广”项目，建成信息物理系统测试验证平台，通过标准化的测试方法、系统化和模型化的测试过程，对共性关键技术开展测试验证，并能够对外提供服务；通过系统数字化模型、测试工具和用例的研发，使共性关键技术测试验证能力显著提升；通过知识库、模型库和资源库、标准库的构建，使知识与经验沉淀，持续优化完善测试验证服务；通过服务门户的建设，使共性技术与测试技术能够得到有效推广和应用。2020年，在工业和信息化部信息技术发展司的指导下，中国电子技术标准化研究院联合制造业相关企业研究形成了《信息物理系统(CPS)建设指南》，立足于CPS“有什么价值”，探索CPS“如何分步实施”，着力推动CPS的发展由理论共识转向工程实践，打通CPS建设“最后一公里”问题，助力制造企业在“乱花渐欲迷人眼”的“概念丛林”中，坚定建设CPS的决心，在“山重水复疑无路”的“实施困境”中，提供CPS的建设模式。新基建对中国经济有着至关深远的影响，5G、工业互联网、大数据、人工智能等将为人类社会带来重大变革。十九届五中全会提出：“加快发展现代产业体系，推动经济体系优化升级。坚持把发展经济着力点放在实体经济上，坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国，推进产业基础高级化、产业链现代化，提高经济质量效益和核心竞争力。要提升产业链供应链现代化水平，发展战略性新兴产业，加快发展现代服务业，统筹推进基础设施建设，加快建设交通强国，推进能源革命，加快数字化发展。”制造业数字化、网络化、智能化的过程，是在信息空间重建制造流程，并基于此不断提升制造效率的过程。未来制造，将是基于信息物理系统的制造，将是数据驱动、软件定义、平台支撑的制造，将是实体制造与虚拟制造实时交互的制造，产品、设备、工艺流程都将以数字双胞胎的形态出现。本书详细介绍了CPS概念、认识、架构、技术、标准、应用、测试、发展等方面的理论知识、技术方法、应用实践。(1) 基础篇：信息物理系统通过数据、软件、网络、平台等信息技术与人员、机器、物料、环境、供应链等制造要素的深度融合，构建一个信息空间与物理空间数据自动流动的闭环赋能体系，实现生产制造的自主协调、智能优化和持续创新，推动制造业与互联网融合发展。(2) 认识篇：信息物理系统不仅是一套技术体系，也是一套人类认识和改造世界的新方法，还是一个制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。信息物理系统是数据价值提升与业务流程再造的规则体系。信息物理系统构建了物理空间和信息空间各要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，将物理空间设备、产线、工厂等物理环境以及“研发设计—生产制造—运营管理—产品服务”等业务环节，在信息空间相对应地构建起数字孪生设计、数字孪生工艺、数字孪生流程、数字孪生产线、数字孪生产品等，实现生产全生命周期流程在信息空间的数字孪生重构，并通过数字主线，实现各数字孪生体之间的数据贯通，通过“数据+模型”实现数据—信息—知识—策略的转化，构建起数据价值提升与业务流程再造的规则体系，即实现业务数据化、知识模型化、数据业务化、决策执行化的逻辑闭环。(3) 架构篇: 面对产业生态系统构建的重大窗口期，面对构建技术先进、产业领先、安全可控体系的历史任务，我们需要借鉴国外优秀的研究成果，需要系统总结中国两化融合的多年实践，更需要有领跑者思维和持续创新的勇气，提出具有中国特色的信息物理系统的技术架构，增强产品和服务的定义能力、产业生态的驾驭能力。(4) 技术篇：开展信息物理系统的研究就是要构建一套符合我国国情的信息化和工业化深度融合的技术体系，通过这套技术体系形成指导我国工业实践的方法论、技术谱系、标准体系。当前的技术体系可能会被未来的技术体系所颠覆，因此对信息物理系统的认识不是静态的，而是动态的、演进的、优化的过程。同时，信息物理系统的建设，只有起点，没有终点，是一个认识和应用不断深化的过程。(5) 标准篇：推进两化深度融合是一项富有创新性的伟大实践，信息物理系统作为支撑两化深度融合的综合技术体系，是推动制造业与互联网融合发展的重要抓手。虚拟制造的应用，将会经历从碎片化到一体化、从局部到全局、从静态到动态的过程，逐渐涵盖研发设计、制造过程、服务运营的全流程，因此必须有标准支撑。(6) 应用篇： 行业应用试点示范是牵引技术应用测试和标准体系建立的有效手段，应从特定行业、特定应用场景两个角度来考虑试点示范工作的推进思路。 一是开展信息物理系统技术平台试点示范，在基础数据采集、设备互联互通、异构数据集成、生产资源优化等领域，形成一批行业应用示范项目。 二是开展CPS行业系统解决方案试点示范，面向生产设备及生产线改造、数据共享、工艺流程改造、能耗智能管控等重点，通过匹配客户需求和信息物理系统最佳实践，以及可复制、可推广的行业系统解决方案，建设应用案例库，形成边研究、边试点、边推广的联动模式。(7) 测试篇：测试验证平台是实现信息物理系统高效适配、安全可靠的关键载体，是整合产业链创新资源的重要手段，是当前阶段推广普及信息物理系统的重要抓手。信息物理系统是构建工业互联网平台的基础，为此，中国电子标准化研究院围绕信息物理系统开展了标准协议兼容、数据互操作、物理单元建模、异构系统集成、工业信息安全等的测试工具开发及企业测试工作，围绕信息物理系统测试及技术研发共编制了6项标准，分别是标准协议兼容测试规范、数据互操作测试规范、物理单元建模测试规范、异构系统集成测试规范、工业信息安全测试规范、工业网关技术要求，并于2018年9月正式获得CNAS认证资质，成为全国首家具备信息物理系统正式测试能力的第三方机构，共可测试3大类17小项。(8) 发展篇：信息物理系统在中国的应用和发展必须与中国的实践相结合，从中国的工业实践出发，体现对实践规律的理论认识。从本质上来说，从工业领域的实施路径和落地方案来看，信息物理系统不是传统制造思维的线性延伸，不是传统制造要素的全面展开，也不完全是制造阶段的整体跨越，而应该是适用性和先进性、局部实现和整体实现的相对统一。 本书立足前瞻性的角度，采用系统性的思维， 强化落地应用， 采用了循序渐进的方法， 结合从 2017 年以来研究成果和国家级科研项目， 详细介绍了信息物理系统从概念、 认识、 架构、 技术、 标准、 应用、 测试到发展，阐述了信息物理系统的理论知识、 技术方法、应用实践。本书最大特色是全面性、系统性、创新性和实践性强。