工業和信息化部：信息物理系統白皮書2017（110頁）.pdf

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1、2017年3月1日發布中國電子技術標準化研究院通信地址：北京市東城區安定門東大街1號 中國電子技術標準化研究院（100007）白皮書聯絡人：蘇偉 聯系方式：010-64102805郵 箱：指導單位：工業和信息化部信息化和軟件服務業司 國家標準化管理委員會工業標準二部編寫單位：中國電子技術標準化研究院 中國信息物理系統發展論壇信息物理系統白皮書（2017）信息物理系統白皮書（2017）2017年3月1日發布 指導單位：工業和信息化部信息化和軟件服務業司 國家標準化管理委員會工業標準二部編寫單位：中國電子技術標準化研究院 中國信息物理系統發展論壇i關于CPS的幾點思考CPS是什么？如何看？怎么干？

2、安筱鵬2006年美國國家科學基金會（NSF）組織召開了國際上第一個關于信息物理系統的研討會，并對Cyber-Physical Systems（即CPS）這一概念做出詳細描述。此后美國政府、學術界和產業界高度重視CPS的研究和應用推廣，并將CPS作為美國搶占全球新一輪產業競爭制高點的優先議題。2013年德國工業4.0實施建議將CPS作為工業4.0的核心技術，并在標準制定、技術研發、驗證測試平臺建設等方面做出了一系列戰略部署。CPS因控制技術而起、信息技術而興，隨著制造業與互聯網融合迅速發展壯大，正成為支撐和引領全球新一輪產業變革的核心技術體系。中國制造2025提出，“基于信息物理系統1的智能裝備

3、、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革”，要圍繞控制系統、工業軟件、工業網絡、工業云服務和工業大數據平臺等，加強信息物理系統的研發與應用。國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見明確提出，“構建信息物理系統參考模型和綜合技術標準體系，建設測試驗證平臺和綜合驗證試驗床，支持開展兼容適配、互聯互通和互操作測試驗證?！碑斍?，中國制造2025正處于全面部署、加快實施、深入推進的新階段，面對信息化和工業化深度融合進程中不斷涌現的新技術、新理念、新模式，迫切需要研究信息物理系統的背景起源、概念內涵、技術要素、1 當前，國內業界針對 CPS 有“信息物理融合系統”、“賽博物理系統”、“信息物理系統”

4、、“賽博實體融合系統”等多種譯法。為了便于統一認識，本文采用 中國制造 2025 中關于 CPS“信息物理系統”這一提法。ii應用場景、發展趨勢，以凝聚共識、統一認識更好的服務于制造強國建設?，F結合兩化深度融合工作，就信息物理系統談幾點認識和體會：一、一個總體定位：CPS是支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系信息化和工業化融合是人類社會兩個重要發展歷史進程的交匯。從社會形態演進角度看，其所引發的生產方式變革與生活方式調整正在構建信息社會發展新藍圖；從經濟發展角度看，其所推動的資源配置方式優化與發展方式轉變正在構建現代產業體系新格局；從工業發展角度看，其所催生的智能化技術裝備、協同化創新體系、柔性

5、化生產方式、集約化資源利用、精準化管理模式正在重塑新時期國家競爭新優勢。我國正處于信息化大背景下工業化加速發展的歷史時期。黨的十七大做出了大力推進信息化與工業化融合的戰略部署，十八大又進一步提出信息化和工業化深度融合。去年4月19日，習近平總書記在網絡安全和信息化工作座談會上強調要“做好信息化和工業化深度融合這篇大文章”。推動信息化和工業化融合是歷史賦予工業和信息化部的重要使命，是立部之本，更是全國工業和信息化系統的共同責任。推動信息化和工業化深度融合，就是要深刻把握全球信息化深入發展與中國工業化進程加速交匯的時代特征，在全面提高信息化水平的基礎上，促進信息技術向工業體系全面滲透，加快實現信息

6、化基礎上的新型工業化。推動信息化和工業化深度融合，就是要實現信息技術從單項業務應用向多業務綜合集成轉變，從單一企業應用向產業鏈協同應用轉變，從局部優化向全業務流程再造轉變，從提供單一產品向提供一體化的“產品+服務”轉變，從傳統的生產方式向柔性智能的生產方式轉變，從實體制造向實體制造與虛擬制造融合的制造范式轉變。從實踐來看，兩化深度融合具有四個基本特征：一是內生性，兩化深度融合是企業提升勞動生產率、獲取競爭新優勢的重要手段和途徑，具有iii內生的自增強機制。二是創新性，兩化深度融合是一個伴隨技術、商業模式和組織體系創新的過程，需要構建相適應的制度和管理新模式。三是層次性，兩化深度融合體現在技術、

7、產品、裝備、工藝、管理等方面，也體現在發展理念、產業體系、生產方式、業務模式等方面。四是長期性，兩化深度融合是一個從局部到整體的拓展、從點線到面的延伸、從技術變革到組織制度變遷的演進，這一轉變是不斷持續演進的過程。當前，面對搶占新一輪科技革命和產業變革競爭制高點的新形勢，面對“以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向”的戰略方針，面對從制造大國向制造強國轉變的戰略任務，迫切需要構建支撐兩化深度融合的技術體系。信息物理系統通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復

8、雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化?？梢钥闯?，信息物理系統是工業和信息技術范疇內跨學科、跨領域、跨平臺的綜合技術體系所構成的系統，覆蓋廣泛、集成度高、滲透性強、創新活躍，是兩化融合支撐技術體系的集大成。信息物理系統能夠將感知、計算、通信、控制等信息技術與設計、工藝、生產、裝備等工業技術融合，能夠將物理實體、生產環境和制造過程精準映射到虛擬空間并進行實時反饋，能夠作用于生產制造全過程、全產業鏈、產品全生命周期，能夠從單元級、系統級到系統之系統（SoS）級不斷深化，實現制造業生產范式的重構。從新一輪產業變革的全局出發，結合多年來推動兩化融合的實踐，我們認為，信息物理系統

9、是支撐信息化和工業化深度融合的綜合技術體系。iv二、四大技術要素：“一硬、一軟、一網、一平臺”是CPS的四大核心技術要素美國國家科學基金會、美國國家標準與技術研究院、德國國家科學與工程院、歐盟第七框架計劃等研究機構或科研項目對信息物理系統的概念、定義不盡相同，但總體來看，其本質就是構建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化。狀態感知就是通過各種各樣的傳感器感知物質世界的運行狀態，實時分析就是通過工業軟件實現數據、信息、知

10、識的轉化，科學決策就是通過大數據平臺實現異構系統數據的流動與知識的分享，精準執行就是通過控制器、執行器等機械硬件實現對決策的反饋響應，這一切都依賴于一個實時、可靠、安全的網絡。我們可以把這一閉環賦能體系概括為“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）、“一平臺”（工業云和智能服務平臺），即“新四基”?！靶滤幕迸c中國制造2025提出的“四基”（核心基礎零部件、先進基礎工藝、關鍵基礎材料和產業技術基礎）共同構筑了制造強國建設之基。感知和自動控制是數據閉環流動的起點和終點。感知的本質是物理世界的數字化，通過各種芯片、傳感器等智能硬件實現生產制造全流程中人、設備、物料、環

11、境等隱性信息的顯性化，是信息物理系統實現實時分析、科學決策的基礎，是數據閉環流動的起點。與人體類比，可以把感知看作是人類接收外部信息的感覺器官，提供視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺這“五覺”。自動控制是在數據采集、傳輸、存儲、分析和挖掘的基礎上做出的精準執行，體現為一系列動作或行為，作用于人、設備、物料和環境上，如分布式控制系統（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）及數據采集與監視控制系統（SCADA）等，是數據閉環流動的終點。與人體類v比，根據指令信息完成特定動作和行為的骨骼和肌肉可以看作是控制的執行機構。工業軟件是對工業研發設計、生產制造、經營管理、服務等全生命周期環節規律的模型化、代碼化、工

12、具化，是工業知識、技術積累和經驗體系的載體，是實現工業數字化、網絡化、智能化的核心。簡而言之，工業軟件是算法的代碼化，算法是對現實問題解決方案的抽象描述，仿真工具的核心是一套算法，排產計劃的核心是一套算法，企業資源計劃也是一套算法。工業軟件定義了信息物理系統，其本質是要打造“狀態感知-實時分析-科學決策-精準執行”的數據閉環，構筑數據自動流動的規則體系，應對制造系統的不確定性，實現制造資源的高效配置。與人體類比，工業軟件代表了信息物理系統的思維認識，是感知控制、信息傳輸、分析決策背后的世界觀、價值觀和方法論，是通過長時間工作學習而形成的。工業網絡是連接工業生產系統和工業產品各要素的信息網絡，通

13、過工業現場總線、工業以太網、工業無線網絡和異構網絡集成等技術，能夠實現工廠內各類裝備、控制系統和信息系統的互聯互通，以及物料、產品與人的無縫集成，并呈現扁平化、無線化、靈活組網的發展趨勢。工業網絡主要用于支撐工業數據的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執行，是實現從單個機器、產線、車間到工廠的工業全系統互聯互通的重要基礎工具，是支撐數據流動的通道。物質（機械、如導線）連接、能量（物理場、如傳感器）連接、信息（數字、如比特）連接、乃至意識（生物場，如思維）連接，為打造萬物互聯的世界提供了基礎和前提。與人體類比，工業網絡構成了經路脈絡，可以像神經系統一樣傳遞信息。工業云和智能服務平臺是高度集成、開

14、放和共享的數據服務平臺，是跨系統、跨平臺、跨領域的數據集散中心、數據存儲中心、數據分析中心和數據共享中心，基于工業云服務平臺推動專業軟件庫、應用模型庫、產品知識庫、測試評估庫、案例專家庫等基礎數據和工具的開發集成和開vi放共享，實現生產全要素、全流程、全產業鏈、全生命周期管理的資源配置優化，以提升生產效率、創新模式業態，構建全新產業生態。這將帶來產品、機器、人、業務從封閉走向開放，從獨立走向系統，將重組客戶、供應商、銷售商以及企業內部組織的關系，重構生產體系中信息流、產品流、資金流的運行模式，重建新的產業價值鏈和競爭格局。國際巨頭正加快構建工業云和智能服務平臺，向下整合硬件資源、向上承載軟件應

15、用，加快全球戰略資源的整合步伐，搶占規則制定權、標準話語權、生態主導權和競爭制高點。與人體類比，工業云和智能服務平臺構成了決策器官，可以像大腦一樣接收、存儲、分析數據信息，并分析形成決策。三、三個層次體系：單元級、系統級、系統之系統級是CPS的三個層次理解和認識信息物理系統要樹立系統觀和層次觀，要深刻把握信息物理系統演進和發展的規律。具體來說，信息物理系統具有明顯的層級特征，小到一個智能部件、一個智能產品，大到整個智能工廠都能構成信息物理系統。信息物理系統建設的過程就是從單一部件、單機設備、單一環節、單一場景的局部小系統不斷向大系統、巨系統演進的過程，是從部門級到企業級、再到產業鏈級、乃至產業

16、生態級演進的過程，是數據流閉環體系不斷延伸和擴展的過程，并逐步形成相互作用的復雜系統網絡，突破地域、組織、機制的界限，實現對人才、技術、資金等資源和要素的高效整合，從而帶動產品、模式和業態創新。單元級是具有不可分割性的信息物理系統最小單元?？梢允且粋€部件或一個產品，通過“一硬”（如具備傳感、控制功能的機械臂和傳動軸承等）和“一軟”（如嵌入式軟件）就可構成“感知-分析-決策-執行”的數據閉環，具備了可感知、可計算、可交互、可延展、自決策的功能，典型如智能軸承、智能機器人、智能數控機床等。每個最小單元都是一個可被識別、定位、訪問、聯網的信息載體，通過在信息空間中對物理實體的身vii份信息、幾何形狀

17、、功能信息、運行狀態等進行描述和建模，在虛擬空間也可以映射形成一個最小的數字化單元，并伴隨著物理實體單元的加工、組裝、集成不斷疊加、擴展、升級，這一過程也是最小單元在虛擬和實體兩個空間不斷向系統級和系統之系統級同步演進的過程。系統級是“一硬、一軟、一網”的有機組合。信息物理系統的多個最小單元（單元級）通過工業網絡（如工業現場總線、工業以太網等，簡稱“一網”），實現更大范圍、更寬領域的數據自動流動，就可構成智能生產線、智能車間、智能工廠，實現了多個單元級CPS的互聯、互通和互操作，進一步提高制造資源優化配置的廣度、深度和精度。系統級CPS基于多個單元級最小單元的狀態感知、信息交互、實時分析，實現

18、了局部制造資源的自組織、自配置、自決策、自優化。由傳感器、控制終端、組態軟件、工業網絡等構成的分布式控制系統（DCS）和數據采集與監控系統（SCADA）是系統級CPS，由數控機床、機器人、AGV小車、傳送帶等構成的智能生產線是系統級CPS，通過制造執行系統（MES）對人、機、物、料、環等生產要素進行生產調度、設備管理、物料配送、計劃排產和質量監控而構成的智能車間也是系統級CPS。系統之系統級（即SoS級）是多個系統級CPS的有機組合，涵蓋了“一硬、一軟、一網、一平臺”四大要素。SoS級CPS通過大數據平臺，實現了跨系統、跨平臺的互聯、互通和互操作，促成了多源異構數據的集成、交換和共享的閉環自動

19、流動，在全局范圍內實現信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執行?；诖髷祿脚_，通過豐富開發工具、開放應用接口、共享數據資源、建設開發社區，加快各類工業APP和平臺軟件的快速發展，形成一個贏者通吃的多邊市場，構建一個新的產業生態。西門子Mindsphere、GE Predix以及海爾COSMO、PTC的ThingWorx等軟件和大數據平臺，通過實現橫向、縱向和端到端集成，形成了開放、協同、共贏的產業新生態，體現了SoS級CPS的發展方向。viii四、五點統一認識：繼承性與創新性統一、理論性與指導性統一、階段性與演進性統一、層次性與系統性統一、實體制造與虛擬制造統一一部工業革命的斷代史，就是一

20、部具有劃時代意義的顛覆性產品的創新史，從蒸汽機到電動機，從手搖機床到數控機床，從阿帕網到互聯網，從功能手機到智能手機，都預示一個新時代的開始。信息物理系統作為一項顛覆性創新技術，正在帶來制造體系的重構與制造范式的遷移，昭示著人類正進入新工業革命時代。認識信息物理系統，需要堅持五個統一。繼承性與創新性的統一。信息技術產業的發展史，就是一部傳承與顛覆、追趕與超越、競合與重生相互交織的發展史。信息物理系統是新一輪產業革命的奧林匹克，它永恒的主題是更高更快更強，是如何超越和不被超越。信息物理系統由美德等發達國家提出，我們看到的是基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革，其背后

21、是一個國家對產業生態的駕馭能力，是一個國家實力的消漲。面對產業生態系統構建的重大窗口期，面對構建技術先進、產業領先、安全可控的歷史任務，我們需要繼承國外優秀的研究成果，需要系統總結中國兩化融合的多年實踐，更需要有領跑者思維和持續創新的勇氣，提出具有中國特色的信息物理系統的技術架構，增強產品和服務的定義能力、產業生態的駕馭能力。理論性與指導性的統一。信息物理系統不僅僅是一套技術體系，也是一套人類認識和改造世界的新方法，是一套制造業價值觀、方法論、發展模式和運行規律的認識框架。信息物理系統在中國的應用和發展必須與中國的實踐相結合，從中國的工業實踐出發，體現對實踐規律的理論認識。從本質上來說，開展信

22、息物理系統的研究就是要構建一套符合我國國情的信息化和工業化深度融合的技術體系，通過這套技術體系形成指導我國工業實踐的方法論、技術譜系、標準體系。因此，我們提出信息物理系統包含“一硬、一軟、一網、一平臺”四大技術要素，讓信息物理系統這一概ix念在我國真正落地。階段性與演進性的統一。當前，我們正處在一個技術變革的時代，信息技術發展日新月異，顛覆、跨界、融合、生態、創新將是信息技術產業的主題。對信息物理系統而言，技術在發展，產品在創新，體系在重建，能夠實現感知、分析、決策、執行等環節的新技術將會不斷涌現，當前的技術體系可能被未來的技術體系所顛覆，因此對信息物理系統的認識不是靜態的，而是動態的、演進的

23、、優化的過程。同時，信息物理系統的建設，只有起點，沒有終點，是一個認識和應用不斷深化的過程。白皮書體現了當前階段對信息物理系統的認識，隨著對信息物理系統認識的加深，理解的深入，需要對白皮書不斷更新，對技術體系建設不斷完善。層次性與系統性的統一。信息技術擴散、融合、應用的內在邏輯是在比特的汪洋中重構原子的運行軌道，信息物理系統建設就是在比特的世界中構建物質世界的運行框架和體系，是以數據自動流動實現資源優化，這將是一個從局部到全局、從初級到高級、從單機到系統逐步演進的過程。信息物理系統層次性體現為最小單元疊加成為小系統，小系統疊加成為大系統，大系統疊加構建成巨系統，這帶來資源優化配置從單點到多點、

24、從靜態到動態、從低級到高級的躍升。感知、通信、計算、控制相互作用構成了信息物理系統的基本形態，其不斷疊加形成的復雜巨系統是信息物理系統演進的最終形態，“一硬、一軟、一網、一平臺”既是信息物理系統相對獨立的四大技術要素，也是相互融合、互相促進的集成系統，這是CPS系統性的集中體現。從工業領域的實施路徑和落地方案來看，智能制造不只是“黑燈工廠”，不只是“機器換人”，不單純是設備改造，也不是簡單地軟件堆疊，而是制造系統的集成、制造體系的重建、制造模式的再造。對于信息物理系統而言，其不是傳統制造思維的線性延伸，不是傳統制造要素的全面展開，也不完全是制造階段的整體跨越，而應該是適用性和先進性、局部實現和

25、整體實現的相對統一。x實體制造和虛擬制造的統一。ICT對人類社會帶來的重大變革是創造一個新世界：信息空間。制造業數字化、網絡化、智能化的過程，是在信息空間重建制造流程，并基于此不斷提升制造效率的過程。未來制造，將是基于信息物理系統的制造，將是數據驅動、軟件定義、平臺支撐的制造，將是實體制造與虛擬制造實時交互的制造，無論是產品、設備、工藝流程都將以數字雙胞胎的形態出現。虛擬制造的應用，將會經歷從碎片化到一體化、從局部到全局、從靜態到動態的過程，逐漸涵蓋研發設計、制造過程、服務運營的全流程。五、五條建設思路：資源優化是目標、數據自動流動是關鍵、工業軟件是核心、新型能力培育是主線、系統解決方案是重點

26、信息物理系統通過數據、軟件、網絡、平臺等信息技術與人員、機器、物料、環境、供應鏈等制造要素的深度融合，構建一個信息空間與物理空間數據自動流動的閉環賦能體系，實現生產制造的自主協調、智能優化和持續創新，推動制造業與互聯網融合發展?？偟膩砜?，要圍繞以下五個方面建設信息物理系統。資源優化是目標。工業革命300年來，技術變革是永恒的主題，而不變的主題是對制造效率、成本、質量永恒的追求。企業是社會資源配置的一種組織，是通過對社會資本、人才、設備、土地、技術、市場等各種資源進行組合配置來塑造企業能力，滿足客戶需求的一種社會組織。企業的競爭就是資源配置效率的競爭，是能力不斷躍升的競爭。如何縮短一個產品研發周

27、期、提高一部機床使用精度、提高一個班組的產量、提高一組設備的使用效率、提升倉儲周轉次數、減少一類部件庫存數量、縮短客戶服務的響應時間、降低資金使用成本等，所有這些本質上都是如何優化資源使用效率。信息物理系統通過創造一個與實物制造相對應的虛擬制造空間，實現了研發設計、試驗、制造、服務在虛擬空間的仿真測試和生產，xi形成人類認識和改造世界新方法，實現資源優化的新模式。一是在資源優化的頻率上，從靜態優化走向動態優化，摒棄傳統的以不變應萬變的思維模式，根據需求和環境的變化實時調整資源配置方式，企業面對個性需求帶來生產批次越來多、批量越來越少的新形勢，面對制造環節柔性生產的要求，面對不斷追求零庫存的過程

28、就是資源優化頻率加快的過程，對資源優化頻率的追求將是無止境的。二是在資源優化的范圍，從單點局部走向全局優化，參與優化的資源沿著點、線、面、體、大系統、巨系統方向不斷拓展，局部優化不能替代全局優化，全局優化也不是局部優化的總和。三是在資源優化方法論上，從實體優化走向虛實結合優化，從傳統的“試錯法”到基于數字仿真的“模擬擇優法”的演變，這一新方法推動了制造范式的遷移，通過構建制造業快速迭代、持續優化、數據驅動的新方式，重建制造效率、成本和質量管控新體系，實現更短的研發周期、更低的制造成本、更高的產品質量和更好的客戶體驗。數據自動流動是關鍵。當感知無所不在，連接無所不在，數據一定無所不在。信息物理系

29、統的本質就是構建一套數據自動流動的運行體系，即將正確的數據（所承載知識）、在正確的時間、傳遞給正確的人和機器，以信息流帶動技術流、資金流、人才流、物資流，進而不斷優化制造資源的配置效率。新一代信息技術的發展帶來最本質的變化是實現了生產全流程、全產業鏈、全生命周期管理數據的可獲取、可分析、可執行。這帶來了數據驅動的服務，智能互聯產品正演變為一個客戶需求數據實時感知的平臺，演變為基于時實數據的客戶服務平臺。帶來了數據驅動的創新，企業對客戶現實需求和潛在需求的深度挖掘、實時感知、快速響應、及時滿足，越來越依賴于需求功能創意產品鏈條數據聯動的速度、節奏和效率。帶來了數據驅動的新模式，數字化模型普遍存在

30、于生產體系各個環節，構建了面向設計、生產、運營、服務和管理的產品庫、知識庫、專家庫，衍生出個性化定制、極少量生產、服務型制造和云制造等新的生產模xii式。帶來了數據驅動的決策，企業內部的橫向集成和企業間的縱向集成實現了數據的及時性、完整性、準確性和可執行性，推動數據信息知識決策持續轉化，構建企業運營新機制。工業軟件是核心。工業軟件是一種以數據與指令集合對知識、經驗、控制邏輯等進行固化封裝的數字化（代碼化）技術，構建了工業領域中數據自動流動的規則體系，是業務、流程、組織的賦能工具和載體，解決了復雜制造系統的不確定性、多樣性等問題。工業軟件作為一種工具、要素和載體，為制造業建立了一套信息空間與物理

31、空間的閉環賦能體系，實現了物質生產運行規律的模型化、代碼化、軟件化，使制造過程在虛擬世界實現快速迭代和持續優化，并不斷優化物質世界的運行。產品設計和全生命周期管理軟件（如CAX,PLM等）建立了高度集成的數字化模型以及研發工藝仿真體系，生產制造執行系統（MES）是企業實現縱向整合的核心，聯通了設備、原料、訂單、排產、配送等各主要生產環節和生產資源，企業管理系統（如ERP、WMS、CRM）為企業的業務活動進行科學管理，改變了企業管理模式和管理理念。在網絡化協同生產、個性化定制、服務型制造等生產新模式的驅動下，工業軟件定制化、平臺化、網絡化和智能化已成為工業軟件巨頭推動產品變革的重要方向。新型能力

32、培育是主線。信息物理系統作為支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，落到企業具體實踐上，其最終目的是打造企業互聯網時代背景下的新型能力。歷次技術進步引發的工業革命，不僅推動了制造范式的變革，也伴隨著企業核心能力體系的變遷。當前，伴隨著制造業新產品、新需求、新模式的快速發展，伴隨著制造系統越來越復雜及生產全流程不確定性增加，迫切需要CPS系統更廣泛地應用和普及。CPS的出現和應用，它不僅僅是CPS部件、單元、數控機床、智能機器人、自動化生產線的引入，也不僅僅是企業內部的流程再造、組織優化，最終都要落實到企業核心能力提升上來，并不斷推動從傳統能力拓展到新型能力。因此，企xiii業推進信息物理系統建設，

33、不能只單純強調信息技術的先進性，而要圍繞企業新型能力打造不斷推進數據、技術、業務流程、組織結構的互動創新和持續優化，將技術的進步、組織結構的變革、業務流程的優化轉化成企業的新型能力，諸如個性化定制、精益管理、風險管控、供應鏈協同、市場快速響應等新型能力，進而重構企業生產方式、服務模式和組織形態，不斷獲取差異化的可持續競爭優勢。系統解決方案是重點。推動信息物理系統的應用與發展既需要核心關鍵技術的突破，也需要一批具有廣泛應用前景的行業系統解決方案。美德日等發達國家從各自發展特點出發，圍繞信息物理系統的建設、使用和推廣，組建產業聯盟、研制參考架構、研發共性技術、建設試驗環境，逐步摸索出一套方法、路徑

34、和模式，形成了多種解決方案。率先打造基于信息物理系統的成熟、完整、可復制的解決方案，正成為國際巨頭競爭的制高點和引領行業轉型發展的風向標。在實踐中，迫切需要抓住制造資源碎片化、在線化、再重組、再優化的機遇，在打造信息物理系統共性平臺的基礎上，要圍繞產品、裝備、工具、客戶、供應鏈、第三方應用等要素的數字化、網絡化、智能化，逐步構建跨設備、跨產線、跨車間、跨工廠、跨企業的信息物理系統解決方案。六、六項重點任務：加強頂層設計、夯實技術基礎、推動測試驗證、組織試點示范、強化信息安全、深化國際合作當前，信息物理系統相關技術和產業仍處在起步期，應搶抓機遇、提早布局、整合資源、重點突破，搶占發展主動權。當前

35、，要將基于CPS的產業生態系統培育和構建作為新一輪產業變革的制高點，將技術產業發展、測試平臺建設、解決方案推廣作為生態建設的三大環節。具體地，要以加強頂層設計為基礎，以突破技術和產業瓶頸為關鍵，以強化工業信息安全為保障，加強國際合作，通過搭建測試驗證公共服務平臺推進相關技xiv術應用的測試驗證，以面向特定行業的應用示范帶動相關技術和系統解決方案的產業化。加強頂層設計。信息物理系統是工業和信息技術跨界交織、深度融合的新型技術體系，涉及多技術、多標準、多領域，需要加大統籌協調力度，加強頂層設計。一是持續跟蹤信息物理系統技術、產業、應用發展趨勢，凝聚行業發展共識，發布并不斷更新信息物理系統白皮書，在

36、中國制造2025、國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見的戰略部署中，強化相關任務的落實。二是加快制定信息物理系統參考架構，形成信息物理系統發展的路線圖，牽引和指導技術標準、技術研發、實驗驗證、應用推廣等工作全面展開。三是完善標準體系，編制信息物理系統綜合標準化建設指南，開展基礎共性標準、關鍵技術標準和行業應用標準的研制，加快構建信息物理系統術語、數據和信息模型等基礎標準，工業大數據、工業云、工業軟件等平臺和軟件標準，以及傳感控制、生產設施、工業網絡等領域的標準體系。夯實技術基礎。信息物理系統技術演進正處于新舊融合、快速迭代、多方博弈的新階段，當前要以“一硬、一軟、一網、一平臺”為重點

37、，加大支持力度，推進關鍵技術研發和產業化。一是提升感知與自動控制產業支撐能力，突破核心芯片、驅動器、現場總線、工業以太網等關鍵器件和技術的發展瓶頸，加快推動智能傳感器、可編程邏輯控制器、分布式控制系統、數據采集與監控系統等研發和產業化。二是實施工業技術軟件化工程，促進軟件技術與工業技術深度融合，重點突破工業嵌入式軟件、制造執行系統等傳統工業軟件，虛擬仿真、工業數據分析等新型工業軟件，提升工業軟件的集成應用能力。三是建設工業云和智能服務平臺，圍繞智能裝備接入工業云的數據采集、網絡連接和調度管理等重點環節，突破通信協議、數據接口、數據分析等關鍵技術，提升工業云平臺系統解決方案供給能力，推動工業設計

38、模型、數字化模具、產品和裝備維護知識庫等制造xv資源向全社會的開放共享，鼓勵培育基于平臺的新型生產組織模式。四是推動工業網絡發展，制定工業互聯網總體體系架構方案，明確關鍵技術路徑，加快IPv6、泛在無線等技術在工廠內部網絡的部署，推動軟件定義網絡、5G等技術在網絡基礎設施中的應用。開展測試驗證。測試驗證平臺是實現信息物理系統高效適配、安全可靠的關鍵載體，是整合產業鏈創新資源的重要手段，是當前階段推廣普及信息物理系統的重要抓手。美工業互聯網、德工業4.0平臺組織幾百家企業參與近百個各類測試床建設。當前要以信息物理系統核心組件為對象，建立通用性和專業性相結合的應用測試驗證平臺，加速信息物理系統關鍵

39、軟硬件技術應用和產業化，依托平臺匯聚產業和打造生態系統。一是建設信息物理系統通用性技術測試驗證平臺，以“一硬、一軟、一網、一平臺”為重點，開展通用性技術的可靠性、開放性、互通性測試驗證，促進相關通用性標準的建立和行業應用的推廣。二是建設面向特定行業應用的專業性測試驗證平臺，圍繞鋼鐵、石化、航空等不同重點行業，建設通用性網絡和生產試驗床，開展設備和系統互通性、系統解決方案及技術測試驗證，驗證實現通用性技術在特定生產環境、生產工藝下的適用性和可用性穩定性和魯棒性。三是支持研究院所、運營商、設備商及制造企業建設面向信息物理系統的工業網絡測試驗證平臺建設，推動SDN、5G等新型工業網絡技術在工業中的應

40、用。四是建設信息物理系統體驗中心，聚焦具體行業領域，模擬客戶現場真實環境，開展解決方案、最佳實踐等示范、演示和推廣示范。組織試點示范。行業應用試點示范是牽引技術應用測試和標準體系建立的有效手段，應從特定行業選擇、特定應用場景兩個角度來考慮試點示范工作的推進思路。一是開展信息物理系統技術平臺試點示范，在基礎數據采集、設備互聯互通、異構數據集成、生產資源優化等領域，形成一批行業應用示范項目。二是開展CPS行業系統解決方案試點示范，面向生產xvi設備及生產線改造、數據共享、工藝流程改造、能耗智能管控等重點，通過匹配客戶需求和信息物理系統最佳實踐，可復制、可推廣的行業系統解決方案，建設應用案例庫，形成

41、邊研究、邊試點、邊推廣的聯動模式。三是開展部省共建，以信息物理系統在區域落地為重點，通過強化省部資源統籌，建設國家創新中心、測試驗證平臺、試點示范項目、緊缺人才培養等，建設一批信息物理系統示范區。強化信息安全。信息物理系統應用越深化，工業信息系統安全形勢將越嚴峻，要將工業控制系統安全作為當前信息物系統推進和部署的重要內容，同規劃、同部署、同推進，打造安全可靠產業發展環境。一是完善工業信息安全政策標準體系，研究制定工業控制系統信息安全行動計劃、工業控制系統信息安全防護能力評估方法等政策文件，以及工業信息安全評估、測試等相關標準。二是建設“國家工業信息安全發展研究中心”，培育工業信息安全國家隊，建

42、設工業信息安全態勢感知、風險預警、應急處置、安全防護、產業推進能力。三是增強工業信息安全技術產業支撐能力，建設工業信息安全態勢感知、信息共享等技術平臺，開展工業控制系統信息安全年度檢查，組織工控安全防護能力試點示范。深化國際合作。當前，美德日等不斷加強信息物理系統國際合作，強化全球發展主導權。我國應抓住信息物理系統剛剛起步、國際格局正在形成、創新空間大的歷史契機，將國際合作作為戰略舉措系統推進，積極主動、取長補短，在全球發展中把握主動權。一是推動政府、協會、聯盟及企業等不同層面，開展與德國工業4.0、美國工業互聯網以及國際標準化組織、國際產業組織之間在技術研究、測試驗證、試點示范、應用推廣、標

43、準化等方面的交流與合作，探索國際合作新領域、新機制。二是積極利用中德智能制造合作機制，將信息物理系統作為中德企業合作、園區合作、標準合作、人才培養的重點內容。三是引導企業積極參與國際競合發展，鼓勵企業積極參與全球信息物理系統技術架構、標準化、測試驗證平xvii臺、解決方案等研究和成果輸出，提升國際話語權和全球影響力。推進兩化深度融合是一項富有創新性的偉大實踐，信息物理系統作為支撐兩化深度融合的綜合技術體系，是推動制造業與互聯網融合發展的重要抓手，需要在技術研發、標準研制和產業應用等方面盡早部署。為此，我司指導中國電子技術標準化研究院，聯合國內相關單位，編撰形成了信息物理系統白皮書（2017）。

44、本白皮書在編寫過程中集眾人之智、采眾家之長，體現了當下我國對信息物理系統的認識水平。下一步，要圍繞信息物理系統共性關鍵技術研發、測試驗證平臺建設、綜合標準化體系建設及試點示范推進等方面，統籌開展工作。希望能夠通過白皮書為相關人員提供參考，通過社會各界共同努力，為我國信息物理系統的發展貢獻一份力量。是為序。信息物理系統白皮書（2017）指導單位工業和信息化部信息化和軟件服務業司國家標準化管理委員會工業標準二部編寫單位（排名不分先后）中國電子技術標準化研究院中國船舶工業系統工程研究院中國航空綜合技術研究所華為技術有限公司北京元工國際科技股份有限公司同濟大學廣東工業大學石化盈科信息技術有限責任公司沈

45、機（上海）智能系統研發設計有限公司中國電子信息產業發展研究院（軟件測評中心）中國信息通信研究院中控科技集團有限公司海爾集團參數技術公司（PTC）中國石油化工股份有限公司九江分公司江蘇極熵物聯科技有限公司信息物理系統白皮書（2017）指導委員會謝少鋒工業和信息化部信息化和軟件服務業司司 長安筱鵬工業和信息化部信息化和軟件服務業司副 司 長戴 紅國家標準化管理委員會工業標準二部主 任趙 波中國電子技術標準化研究院院 長林 寧中國電子技術標準化研究院書 記專家咨詢委員會李伯虎中國工程院院 士錢 鋒中國工程院院 士寧振波中航工業信息技術中心首 席 顧 問趙 敏中國發明協會發明方法研究分會會 長苗建軍中

46、國航空綜合技術研究所副總工程師邱伯華中國船舶工業系統工程研究院主 任海洋智能技術中心王建偉工業和信息化部信軟司兩化融合推進處處 長馮 偉工業和信息化部信軟司兩化融合推進處副 處 長編寫人員（排名不分先后）周 平 郭 楠 于秀明 賈 超 劉獻禮 蘇 偉 陳 強楊夢培 王程安 張 羽 蔣云鵬 吳燦輝 彭 炎 鐘優平丁德宇 樊留群 陳德基 袁 波 程良倫 肖 紅 王 濤索寒生 賈貴金 朱志浩 劉廣杰 洪月蓉 周 峰 張松鵬袁曉慶 王曉玲 張泉靈 吳坤林 宋治元 劉 平 鐘海龍張星星 孫東來 版權聲明：如需轉載或引用，請注明出處。內容摘要自信息物理系統提出以來，美國、德國及歐盟等多個國家和組織先后發布

47、了有關信息物理系統的研究報告，探索信息物理系統技術及其應用。尤其在制造業領域，發展信息物理系統已經成為美國、德國等發達國家實施“再工業化”戰略，搶占制造業新一輪競爭制高點的重要舉措。在國內，信息物理系統作為支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，受到廣泛的關注，技術研發和應用推廣發展迅速。為了積極引導我國信息物理系統發展，中國電子技術標準化研究院組織業內相關專家編寫了本白皮書。重點圍繞“為什么”、“是什么”、“怎么干”、“怎么建”、“怎么用”、“怎么發展”等方面面向制造業的信息物理系統展開論述。通過對信息物理系統內涵和外延的深入挖掘，白皮書確定了“一個總體定位”，即信息物理系統是支撐兩化深度融合的

48、一套綜合技術體系，其目標是通過打通兩大空間（信息空間和物理空間）在數據閉環自動流動的四個過程（狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行）中實現“資源的優化配置”?！耙挥病保ǜ兄妥詣涌刂疲?、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）、“一平臺”（工業云和智能服務平臺）即“新四基”是信息物理系統的四大核心技術要素。在數據閉環自動流動的過程中，表現出六大典型特征（數據驅動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構集成、系統自治），作用于三個層次（單元級、系統級、SoS級）信息物理系統。白皮書依據上述“一二三四四六”的總體思路，圍繞信息物理系統的內涵、實現、建設與應用、演進進行論述。第一章簡要介紹了信息物理

49、系統的發展背景及面臨的問題。從宏觀層面回答了“為什么”發展信息物理系統的問題。同時給出本表皮書的編寫方法以及對相關問題的說明。第二章給出了本白皮書對信息物理系統的定性描述，回答了信息物理系統“是什么”的問題，是本白皮書的核心。首先闡述了信息物理系統的發展起源，同時結合國內外專家學者對信息物理系統的認識及我國當前工業發展現狀，從信息物理系統的定位、定義和本質三個層面給出了本白皮書的認識；隨后考慮信息物理系統的層次性及系統性，對信息物理系統的認識進行了外延，給出了信息物理系統的最小單元，并在此基礎上擴展成三種不同的層次；最后總結歸納不同層次信息物理系統所呈現出來的特性，形成六大典型特征并詳細描述。

50、第三章提出了信息物理系統的技術實現，回答了信息物理系統“怎么干”的問題。通過對第二章提出的三個層次信息物理系統的技術架構和技術需求進行分析總結，給出了信息物理系統的技術體系，并對技術體系中相關技術歸納匯總出信息物理系統四大核心技術要素為：“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）和“一平臺”（工業云和智能服務平臺）即“新四基”。圍繞嵌入式軟件、MBD、智能感知、虛實融合控制、現場總線、工業以太網、大數據分析等方面對“新四基”中關鍵技術具體展開。第四章給出了信息物理系統的建設和應用藍圖，回答了信息物理系統“怎么建”、“怎么用”的問題。從設計、生產、服務和應用四個方面，

51、分析現有工業生產過程的現狀和問題，給出了依據信息物理系統的解決思路，并在具體的場景下，對通過信息物理系統實現環節的改造提升進行了描述。最后，根據企業的不同階段，提出了信息物理系統建設路徑。第五章給出了發展信息物理系統的演進路徑，回答了信息物理系統“怎么發展”的問題。以問題導向為原則，從技術攻關和人才培養、標準體系建設、解決方案研究和新生態建立四個方面提出了建議。最后，附錄從國內外研究情況、企業的典型應用、術語和縮略語三個方面對正文進行了補充。一、概述11.1編寫背景11.2編寫方法21.3特別說明3二、信息物理系統的內涵52.1CPS的來源52.2CPS的認識72.3CPS的層次 122.4C

52、PS的特征 162.4.1數據驅動 162.4.2軟件定義 172.4.3泛在連接 172.4.4虛實映射 182.4.5異構集成 182.4.6系統自治 19三、信息物理系統的實現 213.1CPS的體系架構 213.1.1單元級 213.1.2系統級 223.1.3SoS級 233.2CPS的技術需求 243.2.1單元級 243.2.2系統級 253.2.3SoS級 25目 錄3.3CPS的技術體系 253.4CPS的核心技術要素 273.4.1感知和自動控制 273.4.2工業軟件 293.4.3工業網絡 323.4.4工業云和智能服務平臺 353.5CPS的標準化 373.5.1國內

53、外已開展的標準化工作 373.5.2有待解決的CPS標準化問題 383.5.3CPS標準化重點方向 38四、信息物理系統的建設和應用 414.1CPS應用場景概覽 414.2CPS典型應用場景 424.2.1智能設計 424.2.2智能生產 454.2.3智能服務 484.2.4智能應用 534.3CPS建設路徑 58五、信息物理系統的演進路徑 61附件A：信息物理系統國內外研究和應用綜述 63附件B：信息物理系統典型應用 68附件C：術語和縮略語 77參考文獻 79致謝 82目 錄信息物理系統白皮書1一、概述1.1 編寫背景隨著計算技術、通信技術和智能控制技術的迅速發展，信息物理系統（Cyb

54、er-Physical Systems，CPS）一經提出便引起學術界及產業界的廣泛重視并保持快速發展。CPS與人類社會生產生活息息相關，具有廣泛的應用前景，典型應用場景包括生產制造、交通運輸、醫療健康、城市建設等，各國政府及組織紛紛開展CPS相關領域探索。尤其在制造業領域，發展CPS已經成為美國、德國等發達國家實施“再工業化”戰略、搶占制造業新一輪科技革命和產業變革制高點的重要舉措。面對復雜的全球產業競爭格局，國務院先后出臺了中國制造2025（國發201528號）和國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見（國發201628號，以下簡稱指導意見），全面部署推進制造強國戰略實施，加快推進我國

55、從制造大國向制造強國轉變。指導意見把發展CPS作為強化融合發展基礎支撐的重要組成部分，明確了現階段CPS發展的主要任務和方向，對推動我國CPS發展具有重要意義1-3。與此同時，我們深刻地認識到，CPS發展和應用仍然面臨諸多挑戰。一是認識不統一?，F階段不同國家或組織對CPS的理解各不相同，對CPS典型特征的認識還不一致。二是技術體系亟待完善和提升。CPS發展的完備技術體系亟需梳理，發展CPS的部分核心關鍵技術亟待解決。三是典型應用亟需總結。目前CPS在航空航天、船舶、汽車、石化等部分典型制造行業已有一些探索應用，亟需歸納總結典型應用場景特征，建立能體現CPS典型特征的典型應用參考案例，可以為更深

56、更廣的應用推廣提供參考依據。信息物理系統白皮書2為進一步貫徹落實指導意見的要求，推動我國CPS發展，支撐制造業與互聯網融合，在工信部信息化和軟件服務業司的指導下，信息物理系統發展論壇將近期關于CPS的主要研究成果進行整編歸納，同時匯集了學術界、產業界專家學者對CPS發展的真知灼見，編寫了本白皮書。1.2 編寫方法一是研究分析國外相關政策與理論。綜合分析美國、德國、歐盟等國家和地區的CPS政策措施，研究學習美國國家標準與技術研究院（NIST）、德國國家科學與工程院（acatech）、IEEE等機構的最新研究成果。例如：美國總統科學技術顧問委員會（PCAST）發布的挑戰下的領先全球競爭世界中的信息

57、技術研發4、美國CPS研究指導小組（CPS Steering Group）發布的信息物理系統概要5、NIST發布的信息物理系統框架6、德國發布的國家嵌入式系統技術路線圖7、acatech發布的德國工業4.0實施建議8、網絡世界的生活9、歐盟發布的CyPhERS CPS歐洲路線圖和戰略10等。通過開展上述政策和相關理論的研究分析，系統掌握了CPS技術和應用發展最新動向。二是歸納總結CPS的內涵。在工信部信息化和軟件服務業司指導下，我們組織了業內相關領域的專家，經過多輪討論和論證，從CPS的來源、認識等方面深入研究了CPS的內涵，給出了CPS的定義及其典型特征，同時按照系統和單元復雜度對CPS進行

58、分類，形成CPS認識體系。三是研究分析國內外典型應用案例。先后研究了NIST工程實驗室智能電網項目組發布的CPS測試平臺（Testbed）和德國人工智能研究中心（DFKI）建成的世界第一個已投產的CPPS（Cyber-Physical Production Systems，CPPS）實驗室等典型應用案例，系統掌握了CPS應用的典型場景、建設路徑、價值和面臨的挑戰。研究了同濟大學、浙江大學、廣東工業大學、中航信息技術中心、中船系統工程院等高校、科研機構及專信息物理系統白皮書3家學者關于信息物理系統研發和應用的最新成果及相關文獻著作11-16，重點分析了中船集團與美國NSF-IMS中心聯合成立的海

59、洋智能技術中心（OITC），探討CPS技術在工業領域的應用研究。1.3 特別說明1）本白皮書將“Cyber-Physical Systems”翻譯為“信息物理系統”。CPS在引入國內時，業界對其內涵和外延并無統一認識，甚至其譯名都存在較大的爭議。就中文名稱就有“信息物理系統”、“賽博物理系統”、“網絡實體系統”、“賽博實體融合系統”等。為表述清晰，本白皮書采用國務院相關文件中用法，統一使用“信息物理系統”。2）制造業是CPS的主要應用領域之一。CPS涉及制造、醫療、船舶、交通、軍事、基礎設施建設等多個領域，為使研究范圍更加聚焦，本白皮書重點針對制造業領域進行研究并闡述觀點。3）當前社會各界對C

60、PS認識仁者見仁智者見智，本白皮書主要觀點內容僅代表參編單位當下對CPS意見看法。對于文中主要觀點，歡迎社會各界專家學者提出建議，今后我們將積極吸納各方專家意見，不斷豐富完善白皮書的內容。信息物理系統白皮書4信息物理系統白皮書5二、信息物理系統的內涵2.1 CPS的來源術語來源。信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）這一術語，最早由美國國家航空航天局（NASA）于1992年提出，其后這個概念因為一次危機事件而被美國政府高度重視。2006年美國國家科學基金會（NSF）科學家海倫吉爾（Helen Gill）在國際上第一個關于信息物理系統的研討會（NSF Worksho

61、p on Cyber-Physical Systems）上將這一概念進行詳細描述?！癈yber”一詞容易使人們聯想到“Cyberspace”，“賽博空間”的概念?！癈yberspace”最早于1982年美國作家威廉吉布森（William Gibson）發表的短篇小說燃燒的鉻合金（Burning Chrome）中首次創造出來，并在后來的小說神經漫游者（Neuromancer）中普及，為公眾所熟知。但事實上，Cyber-Physical Systems的術語來源可以追溯到更早時期，1948年諾伯特維納受到安培1的啟發，創造了“Cybernetics”這個單詞2。1954年錢學森所著Engineer

62、ing Cybernetics一書問世，第一次在工程設計和實驗應用中使用這一名詞。1958年其中文版工程控制論發布，“Cybernetics”翻譯為“控制論”。此后“Cyber”常作為前綴，應用于與自動控制、計算機、信息技術及互聯網等相關的事物（如圖2-1）。針對Cyber-Physical Systems國內部分專家學者將其翻譯成“信息物理融合系1 1834 年著名的法國物理學家和數學家安培（A.M.Ampre）根據希臘語“Kybernetes”（原意指的是希臘輪船上掌舵人）將關于國務管理(Civil Government)的科學命名為“Cyberntique”。在此意義下,“Cybernt

63、ique”一詞被編入 19 世紀許多著名詞典中。162 1948 年諾伯特維納出版了 Cybernetics:Or Control and Communication in the Animal and the Machine一書，創造了Cybernetics 一詞。信息物理系統白皮書6統”、“賽博物理系統”、“網絡實體系統”、“賽博實體融合系統”等，本白皮書將其翻譯為“信息物理系統”。技術來源。信息物理系統是控制系統、嵌入式系統的擴展與延伸，其涉及到的相關底層理論技術源于對嵌入式技術的應用與提升。然而，隨著信息化和工業化的深度融合發展，傳統嵌入式系統中解決物理系統相關問題所采用的單點解決方案

64、已不能適應新一代生產裝備信息化和網絡化的需求，急需對計算、感知、通信、控制等技術進行更為深度的融合。因此，在云計算、新型傳感、通信、智能控制等新一代信息技術的迅速發展與推動下，信息物理系統順勢出現。需求來源。當前我國工業生產正面臨產能過剩、供需矛盾、成本上升等諸多問題，傳統的研發設計、生產制造、應用服務、經營管理等方式已經不能滿足廣大用戶新的消費需求、使用需求，迫使制造業轉型升級，提“Kybernetes”希臘語掌舵人194819541958199219822006“Cybernetics”諾博特維納創造這一詞Engineering Cybernetics錢學森第一次在工程設計和實踐應用中使用

65、工程控制論錢學森“Cybernetics”翻譯為“控制論”“Cyber-Physical Systems”首次提出“Cyberspace”威廉吉布森“創造這一單詞”“NSF Workshop on Cyber-Physical Systems”國際上第一個關于CPS的會議圖2-1 CPS 術語來源歷程信息物理系統白皮書7高對資源配置利用的效率。制造業企業亟需新的技術應用使得自身生產系統向柔性化、個性化、定制化方向發展。而CPS正是實現個性化定制、極少量生產、服務型制造和云制造等新的生產模式的關鍵技術，在大量實際應用需求的拉動下，信息物理系統順勢出現，為實現制造業轉型升級提供了一種有效的實現途徑

66、。2.2 CPS的認識CPS是多領域、跨學科不同技術融合發展的結果。盡管CPS已經引起了國內外的廣泛關注，但CPS發展時間相對較短，不同國家或機構的專家學者對CPS理解側重點也各不相同。表2-1匯集了業內主要機構和專家對CPS的認識。表2-1 各國機構及專家對CPS的認識機構或學者觀點認識美國國家科學基金會（NSF）17 CPS是通過計算核心（嵌入式系統）實現感知、控制、集成的物理、生物和工程系統。在系統中，計算被“深深嵌入”到每一個相互連通的物理組件中，甚至可能嵌入到物料中。CPS的功能由計算和物理過程交互實現。美國國家標準與技術研究院CPS公共工作組（NIST CPS PWG）6CPS將計

67、算、通信、感知和驅動與物理系統結合，并通過與環境（含人）進行不同程度的交互，以實現有時間要求的功能。德國國家科學與工程院（acatech）9CPS是指使用傳感器直接獲取物理數據和執行器作用物理過程的嵌入式系統、物流、協調與管理過程及在線服務。他們通過數字網絡連接，使用來自世界各地的數據和服務，并配備了多模態人機界面。CPS開放的社會技術系統，使整個主機的新功能，服務遠遠超出了當前嵌入式系統具有控制行為的能力。Smart America18CPS是物聯網與系統控制相結合的名稱。因此，CPS不僅僅是能夠“感知”某物在哪里，還增加了“控制”某物并與其周圍物理世界互動的能力。信息物理系統白皮書8機構或

68、學者觀點認識歐盟第七框架計劃10CPS包含計算、通信和控制，它們緊密地與不同物理過程，如機械、電子和化學，融合在一起。美國辛辛那提大學Jay Lee教授19C P S 以 多 源 數 據 的 建 模 為 基 礎，以 智 能 連 接（Connection）、智能分析（Conversion）、智能網絡（Cyber）、智能認知（Cognition）和智能配置與執行（Configuration）的5C體系為構架，建立虛擬與實體系統關系性、因果性和風險性的對稱管理，持續優化決策系統的可追蹤性、預測性、準確性和強韌性（Resilience），實現對實體系統活動的全局協同優化。加利福尼亞大學伯克利分校Edw

69、ard A.Lee20CPS是計算過程和物理過程的集成系統，利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，并通過反饋環實現計算和物理過程的相互影響。中國科學院何積豐院士21CPS從廣義上理解，就是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體。對一個新事物、新概念的理解和認識，應在不同范圍、不同層次充分把握其內涵，應遵循認識的方法論，對相關概念的理解與認識也應在不斷迭代和演進中完善。把握這一原則，我們認為認識

70、和發展中國信息物理系統必需與我國當前工業發展的現狀相結合，并能夠指導我國工業的轉型升級，促進信息化和工業化的深度融合。因此，在繼承相關國內外研究成果的基礎上，本部分從定位、定義及本質三個層面，給出了對信息物理系統的認識。定位。黨的十五大提出“大力推進國民經濟和社會信息化”，首次將“信息化”寫入國家戰略；十六大提出“以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，走新型工業化的道路”；十七大提出了“發展現代產業體系，大力推進信息化與工業化融合”的新科學發展的觀念；十八大又進一步提出“堅持走中國特色新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化道信息物理系統白皮書9路，推動信息化和工業化深度融合、工業化和城鎮化良

71、性互動、城鎮化和農業現代化相互協調，促進工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展?！睆闹袊I近20年的發展歷程來看，工業化演進的同時，迎來了信息技術的發展浪潮。因此，在我國不能按照其他強國那樣，先走工業化再走信息化，要在這個時間節點上同步發展，互相促進。這與信息物理系統的發展要求如出一轍，一脈相承。因此，本白皮書對信息物理系統的定位是：信息物理系統是支撐信息化和工業化深度融合的一套綜合技術體系。定義。通過對現有各國科研機構及學者的觀點進行系統全面研究，本白皮書嘗試給出對CPS的定義即：CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、

72、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。我們把信息物理系統定位為支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，這套綜合技術體系包含硬件、軟件、網絡、工業云等一系列信息通信和自動控制技術，這些技術的有機組合與應用，構建起一個能夠將物實體和環境精準映射到信息空間并進行實時反饋的智能系統，作用于生產制造全過程、全產業鏈、產品全生命周期，重構制造業范式。本質?；谟布?、軟件、網絡、工業云等一系列工業和信息技術構建起的智能系統其最終目的是實現資源優化配置。實現這一目標的關鍵要靠數據的自動流動，在流動過程中數據經過不同的環節，在不同的環節以不同

73、的形態（隱性數據、顯性數據、信息、知識）展示出來，在形態不斷變化的過程中逐漸向外部環境釋放蘊藏在其背后的價值，為物理空間實體“賦予”實現一定范圍內資源優化的“能力”。因此，信息物理系統的本質就是構建一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化。信息物理系統白皮書10 實現數據的自動流動具體來說需要經過四個環節，分別是：狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行。大量蘊含在物理空間中的隱性數據經過狀態感知被轉化為顯性數據，進而能夠在信息空間進行計算分析，將顯性數據轉

74、化為有價值的信息。不同系統的信息經過集中處理形成對外部變化的科學決策，將信息進一步轉化為知識。最后以更為優化的數據作用到物理空間，構成一次數據的閉環流動如圖2-2。具體來說：狀態感知。是對外界狀態的數據獲取。生產制造過程中蘊含著大量的隱性數據，這些數據暗含在實際過程中方方面面，如物理實體的尺寸、運行機理，外部環境的溫度、液體流速、壓差等。狀態感知通過傳感器、物聯網等一些數據采集技術，將這些蘊含在物理實體背后的數據不斷的傳遞到信息空間，使得數據不斷“可見”，變為顯性數據。狀態感知是對數據的初級采集加工，是一次數據自動流動閉環的起點，也是數據自動流動的源動力。實時分析。是對顯性數據的進一步理解。是

75、將感知的數據轉化成認圖2-2 CPS的本質網軟硬資源優化C:信息空間P:物理空間知識信息顯性數據隱性數據優化數據實時分析精準執行狀態感知科學決策人CPS信息物理系統白皮書11知的信息的過程，是對原始數據賦予意義的過程，也是發現物理實體狀態在時空域和邏輯域的內在因果性或關聯性關系的過程。大量的顯性數據并不一定能夠直觀的體現出物理實體的內在聯系。這就需要經過實時分析環節，利用數據挖掘、機器學習、聚類分析等數據處理分析技術對數據進一步分析估計使得數據不斷“透明”，將顯性化的數據進一步轉化為直觀可理解的信息。此外，在這一過程中，人的介入也能夠為分析提供有效的輸入?？茖W決策。是對信息的綜合處理。決策是根

76、據積累的經驗、對現實的評估和對未來的預測，為了達到明確的目的，在一定的條件約束下，所做的最優決定。在這一環節CPS能夠權衡判斷當前時刻獲取的所有來自不同系統或不同環境下的信息，形成最優決策來對物理空間實體進行控制。分析決策并最終形成最優策略是CPS的核心關鍵環節。這個環節不一定在系統最初投入運行時就能產生效果，往往在系統運行一段時間之后逐漸形成一定范圍內的知識。對信息的進一步分析與判斷，使得信息真正的轉變成知識，并且不斷地迭代優化形成系統運行、產品狀態、企業發展所需的知識庫。精準執行。是對決策的精準物理實現。在信息空間分析并形成的決策最終將會作用到物理空間，而物理空間的實體設備只能以數據的形式

77、接受信息空間的決策。因此，執行的本質是將信息空間產生的決策轉換成物理實體可以執行的命令，進行物理層面的實現。輸出更為優化的數據，使得物理空間設備運行的更加可靠，資源調度更加合理，實現企業高效運營，各環節智能協同效果逐步優化。螺旋上升。數據在自動流動的過程中逐步由隱性數據轉化為顯性數據，顯性數據分析處理成為信息，信息最終通過綜合決策判斷轉化為有效的知識并固化在CPS中，同時產生的決策通過控制系統轉化為優化的數據作用到物理空間，使得物理空間的物理實體朝向資源配置更為優化的方向發展。從這一層面信息物理系統白皮書12來看，數據自動流動應是以資源優化為最終目標“螺旋式”上升的過程。因此對于CPS的本質，

78、可從另一個角度輔助來看如圖2-3。圖2-3 另一角度對CPS的認識資源優化知識顯性數據人CPS隱性數據信息優化數據2.3 CPS的層次CPS具有層次性，一個智能部件、一臺智能設備、一條智能產線、一個智能工廠都可能成為一個CPS。同時CPS還具有系統性，一個工廠可能涵蓋多條產線，一條產線也會由多臺設備組成。因此，對CPS的研究要明確其層次，定義一個CPS最小單元結構。本部分嘗試給出了CPS最小單元結構，從最簡單的CPS入手，對其基礎特征進行分析，逐漸擴展過渡到CPS的高級形態。在這一逐漸遞增的過程中，CPS應逐漸需要相關技術實現相關功能，同時表現出更高級的特征。按照本文對CPS外延的理解，本部分

79、將CPS劃分為單元級、系統級、SoS級（System of Systems，系統之系統級）三個層次。單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS 總線）構成更高層次的CPS，即系統級CPS；系統信息物理系統白皮書13級CPS可以通過工業云、工業大數據等平臺構成SoS級的CPS，實現企業級層面的數字化運營。CPS的層次演進如圖2-4。單元級CPS:一個部件如智能軸承，一臺設備如關節機器人等都可以構成一個CPS最小單元，單元級CPS具有不可分割性，其內部不能分割出更小CPS單元如圖2-5所示。單元級CPS能夠通過物理硬件（如傳動軸承、機械臂、電機等）、自身嵌入式軟件系統及通信模塊，構成含有“感知-分析

80、-決策-執行”數據自動流動基本的閉環，實現在設備工作能力范圍內的資源優化配置（如優化機械臂、AGV小車的行駛路徑等）。在這一層級上，感知和自動控制硬件、工業軟件及基礎通信模塊主要支撐和定義產品的功能。圖2-4 CPS的層次演進“硬軟”單元級“硬軟+網”系統級CPS智能服務平臺“硬+軟+網+平臺”SoS級CPS總線CPS總線CPS總線CPS總線圖2-5 單元級CPS示意圖“硬軟”單元級信息物理系統白皮書14 系統級CPS:在單元級CPS的基礎上，通過網絡的引入，可以實現系統級CPS的協同調配。在這一層級上，多個單元級CPS及非CPS單元設備的集成構成系統級CPS，如一條含機械臂和AGV小車的智能

81、裝配線。多個單元級CPS匯聚到統一的網絡（如CPS總線），對系統內部的多個單元級CPS進行統一指揮，實體管理（如根據機械臂運行效率，優化調度多個AGV的運行軌跡），進而提高各設備間協作效率，實現產線范圍內的資源優化配置。在這一層級上，網絡聯通（CPS總線）至關重要，確保多個單元級CPS能夠交互協作。圖2-6 系統級CPS示意圖“硬軟+網”系統級CPS總線圖2-7 SoS級CPS示意圖“硬+軟+網+平臺”SoS級CPS智能服務平臺CPS總線CPS總線CPS總線信息物理系統白皮書15SoS級CPS:在系統級CPS的基礎上，可以通過構建CPS智能服務平臺，實現系統級CPS之間的協同優化。在這一層級上

82、，多個系統級CPS構成了SoS級CPS，如多條產線或多個工廠之間的協作，以實現產品生命周期全流程及企業全系統的整合。CPS智能服務平臺能夠將多個系統級CPS工作狀態統一監測，實時分析，集中管控。利用數據融合、分布式計算、大數據分析技術對多個系統級CPS的生產計劃、運行狀態、壽命估計統一監管，實現企業級遠程監測診、供應鏈協同、預防性維護。實現更大范圍內的資源優化配置，避免資源浪費。圖2-8 對CPS的再認識CPS平臺單元級系統級SoS級網軟硬資源優化C:信息空間P:物理空間知識信息顯性數據隱性數據優化數據實時分析精準執行狀態感知科學決策人對CPS層次的劃分使得我們對CPS的認識又有了更加深刻的理

83、解。因此，為了更為全面的認識CPS的本質，我們給出了CPS的更為系統的示意圖如圖2-8。同時，從另外一個角度重新理解CPS的本質與三類CPS之間的關系如圖2-9。信息物理系統白皮書16 2.4 CPS的特征CPS作為支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，構建了一個能夠聯通物理空間與信息空間，驅動數據在其中自動流動，實現對資源優化配置的智能系統。這套系統的靈魂是數據，在系統的有機運行過程中，通過數據自動流動對物理空間中的物理實體逐漸“賦能”，實現對特定目標資源優化的同時，表現出六大典型特征，總結為：數據驅動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構集成、系統自治。理解CPS的特征不能從單一個方面、單一層

84、次來看，要結合CPS的層次分析，在不同的層次上呈現出不同的特征。2.4.1 數據驅動數據普遍的存在于工業生產的方方面面，其中大量的數據是隱性存在的，沒有被充分的利用并挖掘出其背后潛在的價值。CPS通過構建“狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行”數據的自動流動的閉環賦能體系，能夠將數據源源不斷的從物理空間中的隱性形態轉化為信息空間的顯性形態，并不斷迭代優化形成知識庫。在這一過程中，狀態感知的結果是圖2-9 從另外一個角度對CPS的再認識資源優化知識顯性數據信息系統級：硬+軟+網SoS級：硬+軟+網+平臺單元級：硬+軟優化數據人CPS隱性數據信息物理系統白皮書17數據；實時分析的對象是數據；科學

85、決策的基礎是數據；精準執行的輸出還是數據。因此，數據是CPS的靈魂所在，數據在自動生成、自動傳輸、自動分析、自動執行以及不斷的迭代優化中不斷累積，螺旋上升，不斷產生更為優化的數據，能夠通過質變引起聚變，實現對外部環境的資源優化配置。2.4.2 軟件定義軟件正和芯片、傳感與控制設備等一起對傳統的網絡、存儲、設備等進行定義，并正在從IT領域向工業領域延伸。工業軟件是對工業各類工業生產環節規律的代碼化，支撐了絕大多數的生產制造過程。作為面向制造業的CPS，軟件就成為了實現CPS功能的核心載體之一。從生產流程的角度看，CPS會全面應用到研發設計、生產制造、管理服務等方方面面，通過對人、機、物、法、環全

86、面的感知和控制，實現各類資源的優化配置。這一過程需要依靠對工業技術模塊化、代碼化、數字化并不斷軟件化被廣泛利用。從產品裝備的角度看，一些產品和裝備本身就是CPS。軟件不但可以控制產品和裝備運行，而且可以把產品和裝備運行的狀態實時展現出來，通過分析、優化，作用到產品、裝備的運行，甚至是設計環節，實現迭代優化。2.4.3 泛在連接網絡通信是CPS的基礎保障，能夠實現CPS內部單元之間以及與其它CPS之間的互聯互通。應用到工業生產場景時，CPS對網絡連接的時延、可靠性等網絡性能和組網靈活性、功耗都有特殊要求，還必須解決異構網絡融合、業務支撐的高效性和智能性等挑戰。隨著無線寬帶、射頻識別、信息傳感及網

87、絡業務等信息通信技術的發展,網絡通信將會更加全面深入地融合信息空間與物理空間,表現出明顯的泛在連接特征，實現在任何時信息物理系統白皮書18間、任何地點、任何人、任何物都能順暢的通信。構成CPS的各器件、模塊、單元、企業等實體都要具備泛在連接能力，并實現跨網絡、跨行業、異構多技術的融合與協同，以保障數據在系統內的自由流動。泛在連接通過對物理世界狀態的實時采集、傳輸，以及信息世界控制指令的實時反饋下達，提供無處不在的優化決策和智能服務。2.4.4 虛實映射CPS構筑信息空間與物理空間數據交互的閉環通道，能夠實現信息虛體與物理實體之間的交互聯動。以物理實體建模產生的靜態模型為基礎，通過實時數據采集、

88、數據集成和監控，動態跟蹤物理實體的工作狀態和工作進展（如采集測量結果、追溯信息等），將物理空間中的物理實體在信息空間進行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執行能力的數字孿生（亦叫作數字化映射、數字鏡像、數字雙胞胎）。同時借助信息空間對數據綜合分析處理的能力，形成對外部復雜環境變化的有效決策，并通過以虛控實的方式作用到物理實體。在這一過程中，物理實體與信息虛體之間交互聯動，虛實映射，共同作用提升資源優化配置效率。2.4.5 異構集成軟件、硬件、網絡、工業云等一系列技術的有機組合構建了一個信息空間與物理空間之間數據自動流動的閉環“賦能”體系。尤其在高層次的CPS，如SoS級CPS中，往往會存在

89、大量不同類型的硬件、軟件、數據、網絡。CPS能夠將這些異構硬件（如CISC CPU、RISC CPU、FPGA等）、異構軟件（如PLM軟件、MES軟件、PDM軟件、SCM軟件等）、異構數據（如模擬量、數字量、開關量、音頻、視頻、特定格式文件等）及異構網絡（如現場總線、工業以太網等）集成起來，實現數據在信息空間與物理空間不同環節的自動流動，實現信息技術與工業技術的深度融合，因此，信息物理系統白皮書19CPS必定是一個對多方異構環節集成的綜合體。異構集成能夠為各個環節的深度融合打通交互的通道，為實現融合提供重要保障。2.4.6 系統自治CPS能夠根據感知到的環境變化信息，在信息空間進行處理分析，自

90、適應的對外部變化做出有效響應。同時在更高層級的CPS中（即系統級、SoS級）多個CPS之間通過網絡平臺互聯（如CPS總線、智能服務平臺）實現CPS之間的自組織。多個單元級CPS統一調度，編組協作，在生產與設備運行、原材料配送、訂單變化之間的自組織、自配置、自優化，實現生產運行效率的提升，訂單需求的快速響應等；多個系統級CPS通過統一的智能服務平臺連接在一起，在企業級層面實現生產運營能力調配，企業經營高效管理、供應鏈變化響應等更大范圍的系統自治。在自優化自配置的過程中，大量現場運行數據及控制參數被固化在系統中，形成知識庫、模型庫、資源庫，使得系統能夠不斷自我演進與學習提升，提高應對復雜環境變化的

91、能力。信息物理系統白皮書20信息物理系統白皮書21三、信息物理系統的實現3.1 CPS的體系架構基于本白皮書對CPS的認識及其主要特征，本部分嘗試給出一個CPS最小單元體系架構，即單元級CPS體系架構，然后逐級擴展依次給出系統級和SoS級兩個層級的體系架構，供研究和應用參考。3.1.1 單元級單元級CPS是具有不可分割性的CPS最小單元，其本質是通過軟件對物理實體及環境進行狀態感知、計算分析，并最終控制到物理實體，構建最基本的數據自動流動的閉環，形成物理世界和信息世界的融合交互。同時，為了與外界進行交互，單元級CPS應具有通信功能。單元級CPS是具備可感知、可計算、可交互、可延展、自決策功能的

92、CPS最小單元，一個智能部件、一個工業機器人或一個智能機床都可能是一個CPS最小單元，其體系架構如下圖3-1所示。圖3-1單元級CPS體系架構感知計算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置1.物理裝置物理裝置主要包括人、機、物等物理實體和傳感器、執行器、與外信息物理系統白皮書22圖3-2 系統級CPS體系架構界進行交互的裝置等，是物理過程的實際操作部分。物理裝置通過傳感器能夠監測、感知外界的信號、物理條件（如 光、熱）或化學組成（如煙霧）等，同時經過執行器能夠接收控制指令并對物理實體施加控制作用。2.信息殼信息殼主要包括感知、計算、控制和通信等功能，是物理世界中物理裝置與

93、信息世界之間交互的接口。物理裝置通過信息殼實現物理實體的“數字化”，信息世界可以通過信息殼對物理實體“以虛控實”。信息殼是物理裝置對外進行信息交互的橋梁，通過信息殼從而使得物理裝置與信息世界聯系在一起，物理空間和信息空間走向融合。3.1.2 系統級在實際運行中，任何活動都是多個人、機、物共同參與完成的，例如在制造業中，實際生產過程中沖壓可能是有傳送帶進行傳送，工業機器人進行調整，然后由沖壓機床進行沖壓，是多個智能產品共同活動的結果，這些智能產品一起形成了一個系統。通過CPS總線形成的系統級CPS體系架構如下圖3-2所示。感知計算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置感知計

94、算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置CPS 總線實體管理協同控制監視與診斷網絡協議兼容數據互操作異構系統集成多個最小單元（單元級）通過工業網絡（如工業現場總線、工業以太網等），實現更大范圍、更寬領域的數據自動流動，實現了多個單元級CPS的互信息物理系統白皮書23聯、互通和互操作，進一步提高制造資源優化配置的廣度、深度和精度。系統級CPS基于多個單元級CPS的狀態感知、信息交互、實時分析，實現了局部制造資源的自組織、自配置、自決策、自優化。在單元級CPS功能的基礎上，系統級CPS還主要包含互聯互通、即插即用、邊緣網關、數據互操作、協同控制、監視與診斷等功能。其中互連互通

95、、邊緣網關和數據互操作主要實現單元級CPS的異構集成；即插即用主要在系統級CPS實現組件管理，包括組件（單元級CPS）的識別，配置，更新和刪除等功能；協同控制是指對多個單元級CPS的聯動和協同控制等；監視與診斷主要是對單元級CPS的狀態實時監控和診斷其是否具備應有的能力。3.1.3 SoS級多個系統級CPS的有機組合構成SoS級CPS。例如多個工序（系統的CPS）形成一個車間級的CPS，或者形成整個工廠的CPS。通過單元級CPS和系統級CPS混合形成的SoS級CPS體系架構如圖3-3所示。圖3-3 SoS級CPS體系架構感知計算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置感知計

96、算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置CPS 總線實體管理協同控制監視與診斷網絡協議兼容數據互操作異構系統集成感知計算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置感知計算傳感器執行器物理實體（人、機、物）交互控制通信信息殼物理裝置CPS 總線實體管理協同控制監視與診斷網絡協議兼容數據互操作異構系統集成CPS智能服務平臺資產性能管理運營優化服務企業資產優化個性化定制預防性維護供應鏈協同環境安全數字制造管控遠程監控診斷遠程運維管理數據服務數據存儲數據融合分布式計算大數據分析信息物理系統白皮書24SoS級CPS主要實現數據的匯聚，從而對內進行資產的優化和對外形

97、成運營優化服務。其主要功能包括：數據存儲，數據融合，分布式計算、大數據分析，數據服務，并在數據服務的基礎上形成了資產性能管理和運營優化服務。SoS級CPS可以通過大數據平臺，實現跨系統、跨平臺的互聯、互通和互操作，促成了多源異構數據的集成、交換和共享的閉環自動流動，在全局范圍內實現信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執行。這些數據部分存儲在CPS智能服務平臺，部分分散在各組成的組件內。對于這些數據進行統一管理和融合，并具有對這些數據的分布式計算和大數據分析能力，是這些數據能夠提供數據服務，有效支撐高級應用的基礎。資產性能管理主要包括企業資產優化、預防性維護、工廠資產管理、環境安全和遠程監控診

98、斷等方面。運營優化服務主要包括個性化定制、供應鏈協同、數字制造管控和遠程運維管理。通過智能服務平臺的數據服務，能夠對CPS內的每一個組成部分進行操控，對各組成部分狀態數據進行獲取，對多個組成部分協同進行優化，達到資產和資源的優化配置和運行。3.2 CPS的技術需求由于復雜性和跨學科的特點，CPS的技術需求極其廣泛，其成功實現不僅需要借助已有的成熟技術，比如總體技術進行架構設計，信息安全技術保障系統的安全可靠，同時還對技術提出了新要求。本部分基于CPS的特征，按照CPS三個層次的體系架構，重點梳理匯總CPS特征下引發的新的技術需求。3.2.1 單元級單元級CPS技術需求是構建一個最基本的CPS單

99、元時需要滿足的技術信息物理系統白皮書25需求，從單元級CPS的體系架構看，傳感器是CPS獲取相關數據信息的來源，是實現自動檢測和自動控制的首要環節，CPS進一步需要對獲取的數據進行計算分析并在信息虛體中流通，執行器則根據計算結果實現對物理實體的控制與優化，所以可梳理出其技術需求主要包括：一是狀態感知能力；二是對物理實體的控制執行能力；三是對數據的計算處理能力；四是對外交互和通信能力。3.2.2 系統級在單元級CPS的技術需求基礎上，參考系統級CPS的體系架構，主要強調其組件之間的互聯互通，并在此基礎上著眼于對不同組件的實時、動態信息控制，實現信息空間與物理空間的協同和統一，同時需要對集成的計算

100、系統、感知系統、控制系統與網絡系統進行統一管理，所以歸納可得出系統級CPS除包含單元級CPS技術需求外，還需關注有：一是CPS之間的互聯互通能力；二是系統內各組成CPS的管理和檢測能力；三是系統內各組成CPS的協同控制能力。3.2.3 SoS級在系統級CPS技術需求基礎上，參考SoS級CPS的體系架構，SoS級CPS所感知的數據更為真實、豐富多樣、種類繁多，因此需要新的處理模式對數據進行融合分析提取其中潛在價值，從而提供更強的決策力、洞察力和流程優化能力。通過數據服務可進行CPS的資源控制和CPS能力的獲取。綜合歸納其相對系統級CPS增加的技術需求主要是：一是數據存儲和分布式處理能力；二是對外

101、可提供數據和智能服務能力。3.3 CPS的技術體系通過研究分析CPS的體系架構和技術需求，綜合單元級、系統級、信息物理系統白皮書26SoS級CPS所需的自動控制技術、智能感知技術、計算（軟件）技術、通信技術、互聯技術、協同控制技術、分布式終端管理技術、數據存儲和處理技術、云服務技術等，并結合CPS所需當前已較為成熟的嵌入式軟件、通信、大數據等技術，提出了CPS技術體系如圖3-4所示，供研究應用CPS參考。圖3-4 CPS的技術體系架構技術、異構集成、安全技術、試驗驗證技術智能感知、嵌入式軟件、數據庫、人機交互、中間件、認知技術SDN、物聯網、大數據、云計算、邊緣計算、霧計算、分布式虛實融合控制

102、技術、智能裝備技術、MBD、數字孿生、CAXMESERPPLMCRMSCM、現場總線、工業以太網CPS總體技術CPS支撐技術CPS核心技術信息物理系統技術體系CPS技術體系主要分為CPS總體技術、CPS支撐技術、CPS核心技術。CPS總體技術主要包括系統架構、異構系統集成、安全技術、試驗驗證技術等，是CPS的頂層設計技術；CPS支撐技術主要包括智能感知、嵌入式軟件、數據庫、人機交互、中間件、SDN（軟件定義網絡）、物聯網、大數據等，是基于CPS應用的支撐；CPS核心技術主要包括虛實融合控制、智能裝備、MBD、數字孿生技術、現場總線、工業以太網、CAXMESERPPLMCRMSCM等，是CPS的

103、基礎技術。對CPS技術體系中各種技術歸納總結，本白皮書認為上述技術體系可以分為四大核心技術要素即“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）、“一平臺”（工業云和智能服務信息物理系統白皮書27平臺）”。其中感知和自動控制是CPS實現的硬件支撐；工業軟件固化了CPS計算和數據流程的規則，是CPS的核心；工業網絡是互聯互通和數據傳輸的網絡載體；工業云和智能服務平臺是CPS數據匯聚和支撐上層解決方案的基礎，對外提供資源管控和能力服務。3.4 CPS的核心技術要素基于CPS的“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）、“一平臺”（工業云和智能服務平

104、臺）的四大核心技術要素，本部分只對其中包含的部分關鍵技術進行論述，其它技術例如總體技術、信息安全等也是CPS可靠高效運行的保障，只是限于篇幅此處不過多論述。3.4.1 感知和自動控制CPS使用到的感知和自動控制技術主要包括智能感知技術和虛實融合控制技術，如圖3-5。圖3-5 信息空間和物理空間的交互信息空間信息虛體物理空間物理實體機器機器人感知控制01.CONTROL 02.CONTROL 03.CONTROL 04.CONTROL 05.CONTROL 06.CONTROL POWER信息物理系統白皮書281.智能感知技術CPS系統主要使用的智能感知技術是傳感器技術。傳感器是一種檢測裝置，能

105、感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。RFID是最常用的一種傳感器，即射頻識別傳感器。主要包括感應式電子晶片或近接卡、感應卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等。RFID系統一般由電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和計算機網絡及數據處理系統（也稱“RFID中間件”或“應用軟件”）三大部分組成。2.虛實融合控制技術CPS虛實融合控制是多層“感知-分析-決策-執行”循環，建立在狀態感知的基礎上，感知往往是實時進行的，向更高層次同步或即時反饋。如圖3-6所示，包括嵌入控制、虛體控制、集控

106、控制和目標控制四個層次。圖3-6 多層循環控制產品數據物理實體虛體控制執行器目標控制 集控控制虛體控制嵌入控制物理實體工程數據集控控制執行傳感器嵌入控制感知虛體狀態集控狀態信息物理系統白皮書29（1）嵌入控制。嵌入控制主要針對物理實體進行控制。通過嵌入式軟件，從傳感器、儀器、儀表或在線測量設備采集被控對象和環境的參數信息而實現“感知”，通過數據處理而“分析”被控對象和環境的狀況，通過控制目標、控制規則或模型計算而“決策”，向執行器發出控制指令而“執行”。不停地進行“感知-分析-決策-執行”的循環，直至達成控制目標。（2）虛體控制。虛體控制是指在信息空間進行的控制計算，主要針對信息虛體進行控制。

107、虛體控制不是必須的，但往往是非常重要的，一是在嵌入式軟硬件實現復雜計算不如在“大”計算環境（如云計算）成本低、效率高，二是需要同步跟蹤物理實體的狀態（感知信息），通過控制目標、控制邏輯或模型計算而向嵌入控制層發出控制指令。（3）集控控制。在物理空間，一個生產系統，往往由多個物理實體構成，比如一條生產線會有多個物理實體，并通過物流或能流連接在一起。在信息空間內，主要通過CPS總線的方式進行信息虛體的集成和控制。（4）目標控制。對于生產而言，產品數字孿生的工程數據提供實體的控制參數、控制文件或控制指示，是“目標”級的控制，實際生產的測量結果或追溯信息收集到產品數據，通過即時比對判斷生產是否達成目標

108、。3.4.2 工業軟件工業軟件是指專用于工業領域，為提高工業企業研發、制造、生產、服務與管理水平以及工業產品使用價值的軟件。工業軟件通過應用集成能夠使機械化、電氣化、自動化的生產系統具備數字化、網絡化、智能化特征，從而為工業領域提供一個面向產品生命周期的網絡化、協同化、開放式的產品設計、制造和服務環境。CPS應用的工業軟件技術主要包括嵌入信息物理系統白皮書30式軟件技術和MBD技術等。1.嵌入式軟件技術嵌入式軟件技術主要通過把軟件嵌入在工業裝備或工業產品之中，這些軟件可細分為操作系統、嵌入式數據庫和開發工具、應用軟件等，他們被植入硬件產品或生產設備的嵌入式系統之中，達到自動化、智能化的控制、監

109、測、管理各種設備和系統運行的目的，應用于生產設備，體現采集、控制、通信、顯示等功能。嵌入式軟件技術是實現CPS功能的載體，其緊密結合在CPS的控制、通信、計算、感知等各個環節，如圖3-7所示。圖3-7 嵌入式軟件在單元級CPS的作用機機器人嵌入式控制軟件I/O 機器人設備手腕硬件接口手腕控制肘部控制肩部控制底座控制順序控制器及其他組件手腕控制夾具控制2.MBD技術MBD（Model Based Definition）技術采用一個集成的全三維數字化產品描述方法來完整地表達產品的結構信息、幾何形狀信息、三維尺寸標注和制造工藝信息等，將三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為

110、主，而以三維實體模型為輔的制造方法。通過MBD技術，支撐了CPS系統的產品數據在制造各環節的流動。信息物理系統白皮書31 MBD制造模式下，產品工藝數據、檢驗檢測數據的形式與類型，發生了很大變化。通過MBD技術，產品模型串聯起了工業軟件。工藝部門通過三維數字化工藝設計與仿真，依據基于MBD的三維產品設計數模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數據。檢驗部門通過三維數字化檢驗，依據基于MBD的三維產品設計數模、三維工藝模型，建立三維檢驗模型和檢驗計劃，如圖3-8所示。3.CAX/MES/ERP軟件技術CAX是CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI等各項技術之

111、綜合叫法。CAX實際上是把多元化的計算機輔助技術集成起來復合和協調地進行工作，從產品研發、產品設計、產品生產、流通等各個環節對產品全生命周期進行管理，實現生產和管理過程的智能化、網絡化管理和控制。CAX軟件是CPS信息虛體的載體。信息虛體的原始要素定義，以及信息虛體之間接口的定義，都是通過CAX軟件實現。通過CAX軟件，CPS的信息虛體充斥到制造流程之中，從供應鏈管理、產品設計、生產管理、企業管理等多個維度，提升“物理世界”中的工廠/車間的生產效率，優化生產工程。MES是滿足大規模定制的需求實現柔性排程和調度的關鍵，其主要圖3-8 MBD技術在制造業的應用三維模型三維工藝規劃三維標注數控編程操

112、作指導生產校對遠程運維維修指導設計服務生產信息物理系統白皮書32操作對象是CPS信息虛體。通過信息虛體的操控，以網絡化和扁平化的形式對企業的生產計劃進行“再計劃”，“指令”生產設備“協同”或“同步“動作，對產品生產過程進行及時的響應，使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。同時信息虛體的相關數據通過MES收集整合，形成工廠的業務數據，通過工業大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到CPS使能后的企業生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質量最優化的目的。ERP是以市場和客戶需求為導向，以實行企業內外資源優化配置，消除生產經營過程中一切無效的勞動和資源，實現信息流、

113、物流、資金流、價值流和業務流的有機集成和提高客戶滿意度為目標，以計劃與控制為主線，以網絡和信息技術為平臺，集客戶、市場、銷售、采購、計劃、生產、財務、質量、服務、信息集成和業務流程重組等功能為一體，面向供應鏈管理的現代企業管理思想和方法。3.4.3 工業網絡經典的工業控制網絡金字塔模式展示了定義明晰的層級結構，信息從現場設備層，向上經由多個層級流入企業層。盡管這一模式得到廣泛認可，但其中的數據流動并不順暢。由于金字塔每層的功能性要求不盡相同，這就導致了各層往往采用不同的網絡技術，使得不同層級之間的兼容性較差。此外，由于CPS對開放互聯和靈活性的要求更高，自動化金字塔模式的這種結構越來越受到詬病

114、。CPS中的工業網絡技術將顛覆傳統的基于金字塔分層模型的自動化控制層級，取而代之的是基于分布式的全新范式，如圖3-9所示。由于各種智能設備的引入，設備可以相互連接從而形成一個網絡服務。每一個層面，都擁有更多的嵌入式智能和響應式控制的預測分析；每一個層面，都可以使用虛擬化控制和工程功能的云計算技術。與傳統工業控制系統嚴格信息物理系統白皮書33的基于分層的結構不同，高層次的CPS是由低層次CPS互連集成，靈活組合而成。圖3-9 CPS的網狀互聯網絡22企業規劃層工廠管理層流程控制層控制PLC 現場層實時觸發當下的自動化層級基于CPS的自動化CPS網絡從技術角度來看，主要涉及到工業異構異質網絡的互聯

115、互通和即插即用。由于不同的網絡在傳輸速率、通信協議、數據格式等方面的差異，異構異質網絡的融合具有高度的復雜性。一些設備將作為邊緣網關，發揮連接異構網絡的作用，將數據融合在IP網絡中傳輸和控制。同時還需要一個統一的通信機制與數據互操作機制，使數據在不同網絡間傳輸和交換，實現設備間的互聯互通。此外，為了適應柔性制造，小批量定制化的需求，CPS必須是靈活組合的，相應的，工業網絡也必須是柔性的，即插即用的，從而使能資源的合理配置以及生產效率的極大提高。CPS網絡的實現，在接入技術上，主要通過有線網絡，例如現場總線技術和工業以太網技術，以及無線網絡和基于有線無線網絡形成的柔性靈活的工廠網絡；從網絡類型來

116、分，既有各種智能設備組成的專用協議局域網，也有基于通用TCP/IP協議的公共互聯網。1.現場總線技術現場總線技術是計算機，網絡通訊、超大規模集成電路、儀表和測信息物理系統白皮書34試、過程控制和生產管理等現代高科技迅猛發展的綜合產物，主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題?，F場總線作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系，因此現場總線的內涵現在已遠遠不是指這一根通訊線或一種通訊標準?？偩€在運動控制中的應用使得工業自動化控制技術正在向智能化、網絡化和集成化方向

117、發展，為自控設備與系統開拓了更為廣闊的領域?，F場總線的控制系統主要有如下特點，全數字化通信、開放型的互聯網絡、互可操作性與互用性、現場設備的智能化、系統結構的高度分散性、對現場環境的適應性。2.工業以太網技術當前廣泛使用的工業以太網技術有十余種，如EtherCAT、Ethernet Powerlink等。這些工業以太網技術，基本上都是各家廠商基于IEEE 802.3（Ethernet）百兆網的基礎上，增加實時特性獲得的。工業以太網，提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。此外，當前IEEE 802正在對實時以太網TSN進行標準化，以滿足工業環境中時間敏感的需求。TSN實現了一個標準的開放式網

118、絡基礎設施，可支持不同廠商儀器之間的相互操作和集成。同時，TSN可支持制造應用中的其他網絡傳輸，進而驅動企業內部信息系統網絡與生產控制系統網絡的無縫融合。工業生產商和終端用戶將通過更多的供應商獲得更低成本的網絡部件，有助于工業以太網更廣泛被采用。3.無線技術無線技術，由于其節省線路布放與維護成本，組網簡單（常支持自組織組網，而且不需要考慮線長、節點數等制約），已應用于工業生產的一些場景，如基于IEEE 802.15.4的WirelessHART與ISA100.11a技術，當前已有一些在資產管理、過程測量與控制、HMI等方面的應用，尤其是在某些信息物理系統白皮書35環境不適宜有線布放，如高溫、腐

119、蝕環境下，無線幾乎是唯一選擇。WiFi和Zigbee也是工廠內非生產環境中會使用的無線局域網技術，前者側重于高速率、后者側重于低功耗。此外，移動寬帶技術LTE、eLTE，低功率廣域無線技術NB-IoT、LTE-M、LoRa等也在工業企業中有相應的應用。4.SDN為了適應柔性生產的需求，單元級CPS可能需要根據需求進行靈活重構，例如智能機器可在不同的系統級CPS（如生產線）間遷移和轉換，并實現即插即用，這需要工廠網絡的柔性靈活組網?；谲浖x網絡（SDN）的敏捷網絡，實現了管理平面與業務平面的分離，可以實現網絡資源可編排能力?；跇I務系統（如制造執行系統MES）的需求，在SDN控制器的配置下，

120、各網絡設備進行網絡資源調度和業務分發，實現快速的網絡重組，支撐柔性制造和生產自組織。3.4.4 工業云和智能服務平臺工業云和智能服務平臺通過邊緣計算技術、霧計算技術、大數據分析技術等技術進行數據的加工處理，形成對外提供數據服務的能力，并在數據服務基礎上提供個性化和專業化智能服務，如圖3-10。圖3-10 CPS平臺構建需要的計算技術CPS智能服務平臺大數據霧計算邊緣計算CPS總線CPS總線CPS總線信息物理系統白皮書361.邊緣計算邊緣計算指在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能

121、、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。對于SoS級CPS，其每一個CPS組成均具有計算和通信功能，通過每一個CPS的邊緣計算，數據在邊緣側就能解決，更適合實時的數據分析和智能化處理。邊緣計算聚焦實時、短周期數據的分析，具有安全、快捷、易于管理等優勢，能更好地支撐CPS單元的實時智能化處理與執行，滿足網絡的實時需求，從而使計算資源更加有效地得到利用。此外，邊緣計算雖靠近執行單元，但同時也是是云端所需高價值數據的采集單元，可以更好地支撐云端的智能服務。2.霧計算CPS是復雜控制系統，局域型的CPS對于每個CPS組成也需要進行協同計算，從而對組成CPS單元協同控制。霧計算將數據、數據處理和應用程序集中在

122、網絡邊緣的設備中，數據的存儲及處理更依賴本地設備，而非服務器。霧計算是新一代的分布式計算，在CPS中應用分布式的霧計算，通過智能路由器等設備和技術手段，在不同設備之間組成數據傳輸帶，可以有效減少網絡流量，數據中心的計算負荷也相應減輕。霧計算可以作為產品CPS或系統CPS之間的計算處理，以應對網絡產生的大量數據運用處理程序對這些數據進行預處理，以提升其使用價值。霧計算不僅可以解決聯網設備自動化的問題，更關鍵的是，它對數據傳輸量的要求更小。3.大數據分析大數據分析技術將給全球工業帶來深刻的變革，創新企業的研發、生產、運營、營銷和管理方式，給企業帶來了更快的速度、更高的效率和更深遠的洞察力。工業大數

123、據的典型應用包括產品創新、產品故障診斷與預信息物理系統白皮書37測、工業企業供應鏈優化和產品精準營銷等諸多方面。工業云和智能服務平臺所支持的CPS技術，可以通過大數據分析來實現上述創新。例如，有效地分析產品大數據，通過系統地收集研發數據和分析建模，以新的算法來優化、控制和穩定產品研發質量，以此來實現產品創新；有效地分析高頻、海量的運維大數據，可以確定產品的工作狀態，發現零部件更換與維護的規律，由事后發現問題、解決問題而做到事先避免問題，以此來實現產品故障診斷與預測式運維服務。對來自社交網絡的商業大數據的分析，可以從數據中觀察到人們復雜的社會行為模式，通過數據挖掘，找到用戶的產品使用習慣、喜好和

124、實際需求，以調整優化產品，為客戶提供更高滿意度的產品與服務，以此來實現產品精準營銷。3.5 CPS的標準化標準與技術創新同步已成為推動產業發展的有效模式。信息物理系統是一個具有顯著創新潛力和社會影響的領域，其技術體系和應用方案有待完善，用標準助推創新發展是必要的手段。因此，借鑒國內外已開展的CPS標準化工作經驗，針對CPS標準化存在的現實需求，我們認為現階段開展標準化工作應聚焦在幾個重點方向。3.5.1 國內外已開展的標準化工作目前美國NIST、IEEE以及我國CPS發展論壇已先行開展了CPS標準研究工作。美國國家標準與技術研究院（NIST）于2014年6月成立CPS公共工作組（CPS PWG

125、），聯合相關高校和企業專家共同開展CPS標準研究，并于2016年5月發布了信息物理系統框架。該框架分析了CPS的起源、應用、特點和相關標準，并從概念、實現和運維三個視角給出了CPS在功能、商業、安全、數據、實時、生命周期等方面的特征。信息物理系統白皮書38美國電子電氣工程師協會（IEEE）于2008年成立CPS技術委員會（TC-CPS），致力于CPS領域的交叉學科研究和教育。TC-CPS每年都舉辦CPSWeek等學術活動以及涉及CPS各方面研究的研討會。中國電子技術標準化研究院于2016年9月聯合國內百余家企事業單位發起成立信息物理系統發展論壇，共同研究CPS發展戰略、技術和標準等?，F已形成信

126、息物理系統（CPS）體系結構、術語和概念標準草案，正在申請國標立項。3.5.2 有待解決的CPS標準化問題CPS體現了工業技術和信息技術的跨界融合，涉及到硬件、軟件、網絡以及平臺等多方面的集成，以及不同環節、不同模式下的復雜應用。目前國內外對CPS標準的研究還處于起步階段，這些現實情況以及CPS本身具有的創新性、復雜性給標準化工作帶來了諸多挑戰：統籌CPS設計、實現、應用等多方面的標準化任務，整體布局分段實施。統一CPS標準化語言，減少理解和認識的差異化。解決互聯互通、異構集成、互操作等復雜技術問題。規范CPS應用模式，營造良好的應用氛圍。構建CPS安全環境，預防控制安全問題。3.5.3 CP

127、S標準化重點方向針對上述問題，從頂層設計、基礎共性、關鍵技術、應用和安全等5個方面提出標準化的重點方向。1.頂層設計頂層設計是開展標準化工作的總體綱領與參考，界定了CPS標準研究的范圍，明確待研制的標準明細以及各項標準之間的關系。對頂層架構的信息物理系統白皮書39設計應至少包括標準體系框架、實施綜合標準化體系建設指南等。2.基礎共性類標準用于統一CPS的術語、相關概念以及框架模型，是認識、理解以及實現CPS的基礎，為開展其他方面的標準研究提供支撐。包括術語和概念、體系結構以及相關的評估規范等。3.關鍵技術類標準用于規范CPS的設計、開發和實現中的關鍵技術要素及其測試規范，指導技術研發、測試驗證

128、等。包括MBD建模、異構集成、數據互操作、數據分析等技術要求及其測試規范、技術實現的過程與方法等。4.應用類標準用于指導不同場景、不同行業CPS的部署、集成與測試。包括用例、系統解決方案以及行業實施指南等。5.安全類標準用于規范CPS中工業控制以及信息安全管理，提升工控安全防控能力。包括工業控制系統信息安全管理、風險評估、防護能力評估等。信息物理系統白皮書40信息物理系統白皮書41四、信息物理系統的建設和應用4.1 CPS應用場景概覽目前，CPS受到工業領域的廣泛關注，并已在多個環節得到應用和體現。通過對目前CPS在工業領域中的應用程度、重要性、代表性進行篩選和考量，本白皮書最后選擇從智能設計

129、、智能生產、智能服務、智能應用這四個方面，結合CPS的關鍵特征和關鍵技術實現對CPS的應用場景進行闡述和說明。應用場景概覽如圖4-1，隨著CPS技術和應用的快速發展，我們也將會對本部分內容進行不斷豐富和完善。圖4-1 CPS在制造業應用概覽產品設計工藝設計工廠設計數據驅動生產管理柔性制造健康管理泛在連接智能維護遠程征兆診斷協同優化共享服務智能應用系統自治異構集成虛實映射生產線設計設備管理軟件定義智能設計智能生產智能服務智能應用感知和自動控制工業云和智能服務平臺工業軟件工業網絡本白皮書選擇從應用需求、解決思路、應用場景這三個角度分別對CPS在智能設計、智能生產、智能服務、智能應用中的應用進行描述

130、。根據CPS在這四個方面中的應用需求提出解決思路，圍繞解決思路選擇適合信息物理系統白皮書42的應用場景進行解釋說明，使讀者可以更深刻地理解本內容。4.2 CPS典型應用場景4.2.1 智能設計 1.應用需求目前，在產品及工藝設計、生產線或工廠設計過程中，借助于仿真分析手段使設計的精度得到大幅度提高，但由于缺少足夠的實際數據為設計人員提供支撐，使得在設計、分析、仿真過程中不能有效模擬真實環境，從而影響了設計精度。所以需要建立實際應用與設計之間的信息交互平臺，使得在設計過程中可以直接提取真實數據，通過對數據進行分析處理來直接指導設計與仿真，最后形成更優化的設計方案，提高設計精度，降低研制成本。2.

131、解決思路隨著CPS不斷發展，在產品及工藝設計、生產線或工廠設計過程中，企業流程正在發生深刻變化，研發設計過程中的試驗、制造、裝配都可以在虛擬空間中進行仿真，并實現迭代、優化和改進。通過基于仿真模型的“預演”，可以及早發現設計中的問題，減少實際生產、建造過程中設計方案的更改，從而縮短產品設計到生產轉化的時間，并提高產品的可靠性與成功率。3.應用場景 產品及工藝設計通常為了更好地滿足設計目標，需要通過基于產品應用環境進行產品使用性能的仿真，例如機械產品包括結構強度仿真、機械動力學仿真、熱力學仿真等。傳統的仿真系統各自獨立，在仿真過程中不能完整描述產品的綜合應用環境，而CPS很好地解決了這個問題。在

132、進行產品研發設計信息物理系統白皮書43過程中，通過將已有的相關經驗設計數據或者試驗數據等不同種類的數據進行采集，建立結構、動力、熱力等異構仿真系統組成的集成綜合仿真平臺，將數據及仿真模型以軟件的形式進行集成，從而實現更全面、真實的產品使用工況仿真，同時結合產品設計規范、設計知識庫等信息，形成以某一目標的優化設計算法，通過數據驅動形成產品優化設計方案，實現產品設計與產品使用的高度協同。在產品工藝設計方面，為了使產品的制造工藝設計更加精準、高效，需要對實際制造工藝的具體參數進行采集，例如機加工中刀具的切削參數、電機功率參數等，在軟件系統或平臺中將工藝參數、工藝設計方案、工藝模型進行信息的組織和融合

133、，考慮不同的工藝參數對產品制造質量、產品制造效率、產品制造設備可承受力等方面的影響，建立關聯性模型，依據工藝設計目標和制造現場實際條件，以實時采集的工藝數據進行仿真，并以已有的工藝方案、工藝規范作為支撐，形成制造工藝優化方案，場景如圖4-2所示。圖4-2 CPS在研發設計的場景裝配仿真工裝設計工藝仿真工藝設計詳細設計初步設計方案論證產品分析仿真虛擬試驗驗證基于CPS的研發設計信息物理系統白皮書44 生產線/工廠設計在生產線/工廠設計方面，首先建立產品生產線/工廠的初步方案，初步形成產品的制造工藝路線，通過采集實際和試驗所生成的工時數據、物流運輸數據、工裝和工具配送數據等，在軟件系統中基于工藝路

134、線建立生產線/工廠中的人、機械、物料等生產要素與生產線產能之間的信息模型。在此過程中，綜合考慮生產線/工廠中不同設備、不同軟件系統、不同網絡通信協議之間的集成，根據生產線/工廠建設環境、能源等現有條件，結合系統采集的工時、運輸等數據來分析計算出合理的設備布局、人員布局、工裝工具物料布局、車間運輸布局，建立生產線/工廠生產模型，進行生產線/工廠生產仿真，依據仿真結果優化生產線/工廠的設計方案。同時，生產線/工廠的管理系統設計要通過數據傳遞接口與企業管理系統、行業云平臺及服務平臺進行集成，從而實現生產線/工廠設計與企業、行業的協同。如圖4-3所示。圖4-3 CPS在生產線設計的場景基于CPS的生產

135、線設計制造工藝路線生產線信息模型生產試驗及信息采集工裝生產線仿真生產線設計信息物理系統白皮書454.2.2 智能生產1.應用需求生產制造是制造業的核心環節，也是制造企業將用戶需求變成實際產品、實現產品價值的重要過程。但是，傳統生產制造模式中的生產設備分散，而且特殊設備處于高危區域中，所以造成生產設備的操作、監測、管理等極為不便。此外，因設備與設備之間的不能通信而造成生產制造過程缺乏協同性，從而出現設備閑置或設備不足的現象，造成生產資源及生產能力分配不合理和浪費。另一方面，由于缺乏數據傳導渠道和工具，對生產制造過程中的狀態、數據、信息很難進行傳輸和分析。因此，生產過程的管理和控制缺乏數據信息等決

136、策依據的支撐，管理者的意志難以準確傳遞和執行。這樣會造成資源調度和生產規劃的不合理，并阻礙生產制造效率和質量的提高。為解決以上生產過程存在的問題，亟需利用CPS打破生產過程的信息孤島現象，實現設備的互聯互通，實現生產過程監控，合理管理和調度各種生產資源，優化生產計劃，達到資源和制造協同，實現“制造”到“智造”的升級。2.解決思路生產制造是制造企業運營過程中非常重要的活動，CPS將針對生產制造環節的應用需求對生產制造環節進行優化，以實現資源優化配置的目標。CPS通過軟硬件配合，可以完成物理實體與環境、物理實體之間（包括設備、人等）的感知、分析、決策和執行。設備將在統一的接口協議或者接口轉化標準下

137、連接，形成具有通信、精確控制、遠程協調能力的網絡。通過實時感知分析數據信息，并將分析結果固化為知識、規則保存到知識庫、規則庫中。知識庫和規則庫中的內容，一方面幫助企業建立精準、全面的生產圖景，企業根據所呈現的信息可以在最短時間內掌握生產信息物理系統白皮書46現場的變化，從而作出準確判斷和快速應對，在出現問題時得到快速合理的解決；另一方面也可以在一定的規則約束下，將知識庫和規則庫中的內容分析轉化為信息，通過設備網絡進行自主控制，實現資源的合理優化配置與協同制造。3.應用場景 設備管理應用場景CPS將無處不在的傳感器、智能硬件、控制系統、計算設施、信息終端、生產裝置通過不同的設備接入方式（例如串口

138、通訊、以太網通訊、總線模式等）連接成一個智能網絡，構建形成設備網絡平臺或云平臺，在不同的布局和組織方式下，企業、人、設備、服務之間能夠互聯互通，具備了廣泛的自組織能力、狀態采集和感知能力，數據和信息能夠通暢流轉，同時也具備了對設備實時監控和模擬仿真能力，通過數據的集成、共享和協同，實現對工序設備的實時優化控制和配置，使各種組成單元能夠根據工作任務需要自行集結成一種超柔性組織結構，并最優和最大限度地開發、整合和利用各類信息資源。如圖4-4所示。圖4-4 車間設備聯網智能服務平臺CPS HubCPS Hub信息物理系統白皮書47 生產管理應用場景CPS是實現制造業企業中物理空間與信息空間聯通的重要

139、手段和有效途徑。在生產管理過程中通過集成工業軟件、構建工業云平臺對生產過程的數據進行管理，實現生產管理人員、設備之間無縫信息通訊，將車間人員、設備等運行移動、現場管理等行為轉換為實時數據信息，對這些信息進行實時處理分析，實現對生產制造環節的智能決策，并根據決策信息和領導層意志及時調整制造過程，進一步打通從上游到下游的整個供應鏈，從資源管理、生產計劃與調度來對整個生產制造進行管理、控制以及科學決策，使整個生產環節的資源處于有序可控的狀態。如圖4-5所示。圖4-5 生產管理資源管理生產計劃生產調度CPS生產管理資源生產調度系統信息物理系統白皮書48 柔性制造應用場景CPS的數據驅動和異構集成特點為

140、應對生產現場的快速變化提供了可能，而柔性制造的要求就是能夠根據快速變化的需求變更生產，因此，CPS契合了柔性制造的要求，為企業柔性制造提供了很好的實施方案。CPS對整個制造過程進行數據采集并存儲，對各種加工程序和參數配置進行監控，為相關的生產人員和管理人員提供可視化的管理指導，方便設備、人員的快速調整，提高了整個制造過程的柔性。同時，CPS結合CAX、MES、自動控制、云計算、數控機床、工業機器人、RFID射頻識別等先進技術或設備，實現整個智能工廠信息的整合和業務協同，為企業的柔性制造提供了技術支撐。如圖4-6所示。圖4-6 柔性制造應用場景CAXMES其他工業軟件軟件柔性管理決策平臺信息交互

141、科學決策數據采集信息集成預測分析模型優化可視化柔性制造4.2.3 智能服務1.應用需求伴隨著新工業革命的到來，先進制造模式和技術不斷深化，用戶在高精度和制造高效率方面的需求越來越突出，帶來的是裝備越來越智能化、產品模塊越來越集成化，從而生產過程的精密性、自動化、數字化、智能信息物理系統白皮書49化程度越來越高。企業大幅度提高生產效率的同時也面臨著裝備運行復雜、使用難度日益增大的困擾，這些無疑會對企業的管理和服務帶來巨大挑戰。對裝備應用企業來講，需要將傳統的集中式控制向分布式控制轉變。裝備進入制造企業成為了企業經營要素，企業的目標是通過較低成本投入能夠高效生產出高品質的產品。將智能裝備與關聯的其

142、他裝備、相關軟件等要素有機的融合，配合基于大數據的先進管理才可能實現，但是大量、多樣的智能裝備和產品融入，必然會產生各類海量的多樣化、碎片化信息，并且會貫穿到各個環節，這必然會給傳統制造模式在運營管理、維護等方面帶來嚴峻挑戰。對裝備制造企業來說，裝備的復雜性、故障原因的多樣性，增加了自身和使用者故障解決的周期和成本，特別是大型復雜的協同運行環境中，各裝備的維護活動不能獨立進行，更是加大了系統管理、維護、故障處理的難度和復雜度，加重企業負擔。智能化的普及帶來傳統企業管理復雜的問題，管理的各個環節都是碎片化管理，裝備間、系統間、使用者等攸關方不能互聯互通，協同優化。企業需要能夠保證裝備在協同優化、

143、健康管理、遠程診斷、智能維護、共享服務等方面進行高效應用。利用CPS數據驅動、虛實映射、系統自治等應用特征，為解決上述需求提供了有效的手段。2.解決思路通過在自身或是相關要素搭載具有感知、分析、控制能力的智能系統，采用恰當的頻率對人、機、料、法、環數據進行感知、分析和控制，運用工業大數據、機器學習、PHM、人工智能等技術手段，幫助企業解決裝備健康監測、預防維護等問題，實現“隱形數據-顯性數據-信息-知識”的循環優化。同時通過將不同的“小”智能系統按需求進行集成，構建一個面向群體或是SoS的裝備的工業數據分析與信息服務平臺，對群體裝備間的相關多源信息進行大數據分析、挖掘，實現群體、SoS之間數據

144、和知信息物理系統白皮書50識的共享優化，解決遠程診斷、協同優化、共享服務等問題，同時通過云端的知識挖掘、積累、組織和應用，構建具有自成長能力的信息空間，實現“數據-知識-應用-數據”。通過CPS按照需要形成本地與遠程云服務相互協作、個體與群體（個體）、群體與系統的相互協同一體化工業云服務體系，能夠更好地服務于生產，實現智能裝備的協同優化，支持企業用戶經濟性、安全性和高效性經營目標落地。3.應用場景 健康管理將CPS與裝備管理相結合，通過應用建模、仿真測試、驗證等技術建立裝備健康評估模型，在數據融合的基礎上搭建具備感知網絡的智能應用平臺，實現裝備虛擬健康管理。通過智能分析平臺對裝備運行狀態進行實

145、時的感知與監測，并實時應用健康評估模型進行分析預演及評估，將運行決策和維護建議反饋到控制系統，為裝備最優使用和及時維護提供自主認圖4-7 某型船舶精細管理CPS系統示意圖感知網絡和智能分析平臺岸基服務系統視情使用App視情維護App遠程監控數據分析服務 管理信息服務 環境數據：氣象、船位、航速、航向、縱傾優化船體污底轉速優化軸功率儀燃油流量計電站監測PMS數據機艙監測報警數據信息物理系統白皮書51知、學習、記憶、重構的能力，實現裝備健康管理。如圖4-7為某型船舶健康監測管理CPS系統示意圖。智能維護應用建模、仿真測試及驗證等技術，基于裝備虛擬健康的預測性智能維護模型，構建裝備智能維護CPS系統

146、。通過采集裝備的實時運行數據，將相關的多源信息融合，進行裝備性能、安全、狀態等特性分析，預測裝備可能出現的異常狀態，并提前對異常狀態采取恰當的預測性維護。裝備智能維護CPS系統突破傳統的閾值報警和窮舉式專家知識庫模式，依據各裝備實際活動產生的數據進行獨立化的數據分析與利用，提前發現問題并處理，延長資產的正常運行時間，如圖4-8。圖4-8 CPS在預防維護中的應用執行：預防性維護、自適應維護網絡融合接口感知：運行數據、能耗參數等信息虛體物理實體 遠程征兆性診斷傳統的裝備售后服務模式下，裝備發生故障時需要等待服務人員到現場進行維修，將極大程度影響生產進度，特別是大型復雜制造系統的組件裝備發生故障時

147、，維修周期長，更是增加了維修成本。在CPS應用場景信息物理系統白皮書52下，當裝備發生故障時，遠程專家可以調取裝備的報警信息、日志文件等數據，在虛擬的設備健康診斷模型中進行預演推測，實現遠程的故障診斷并及時、快速地解決故障，從而減少停機時間并降低維修成本。圖4-9為CPS在預防維護中的應用圖。圖4-9 CPS在遠程診斷中的應用 協同優化CPS通過搭建感知網絡和智能云分析平臺，構建裝備的全生命周期核心信息模型，并按照能效、安全、效率、健康度等目標，通過對核心部件和過程特征等在虛擬空間進行預測推演，結合不同策略下的預期標尺線，從而篩選出最佳決策建議，為裝備使用提供輔助決策，從而實現裝備的最佳應用。

148、以飛機運營為例，運營中對乘客人數、飛行時間、飛行過程環境數據、降落數據、機場數據等數據的采集，同步共享給相關方：飛機設計與制造部門通過飛機虛擬模擬模型推演出最優方案指導飛機操作人員、航空運營商提供最優路線方案給地勤運營等。圖4-10為CPS在運營調度的場景圖。數據遠程到供應商分析診斷某設備商 輸出診斷報告服務云診斷結果共享現場設備參數傳輸某制造工廠信息物理系統白皮書53 共享服務通過在云端構建一個面向群體裝備的工業數據分析與信息服務平臺，將單一智能裝備的信息與知識進行共享，正在運行的智能裝備可以利用自身的感知和運算能力幫助其他智能裝備進行分析運算，智能裝備可依據云端群體知識進行活動優化。以船舶

149、為例，將要開始某個具體航線活動的船舶可以向該區域內的船舶提出信息請求，正在進行該活動的船舶可以利用自身的感知與運算能力幫助前者進行分析運算，將結果告知，這樣，前者可以依據這個結果選擇航線、設定航速、躲避氣象災害。4.2.4 智能應用1.應用需求工業產品不同于大眾消費品，企業用戶在購買工業產品之后，將其作為生產工具納入再生產體系當中，創造新的產品、服務，獲取利潤。工業體系產業鏈上，設計者、生產者和使用者相互之間密不可分，生產者為使飛行時間飛機起?；赾ps的運營調度飛行操作飛行路線機場調度數據采集圖4-10 CPS在運營調度的場景信息物理系統白皮書54用者提供符合設計者要求的產品，三者之間既是合

150、作者又是互相爭利的競爭者。隨著經濟增速放緩，在市場壓力和資金壓力下，制造企業勢必會采取生產線升級、管理系統信息化等措施提高生產效率，降低成產成本，同時減少在產品設計上的投入。無論設備制造企業如何提升制造端的智能化，其成本最終依然會轉移給用戶企業，對于現金流同樣緊張的用戶企業來說，任何生產要素的投入都是大額的資金占用，勢必會提高用戶企業的經營風險。在零和博弈的傳統產業鏈上，設計者、生產者和使用者之間的矛盾不可調和。2.解決思路通過“新四基”的體系性建設，實現CPS在制造業全產業鏈的創新應用，給制造業帶來了新的思路：不只是生產產品，而是創造真正的用戶價值，解決用戶再生產過程中的焦慮（worry-f

151、ree），令設計者和制造者通過提供服務的方式參與到使用者企業的再生產過程中，共創產業融合的分享型價值鏈。運用感知和自動控制硬件以及工業軟件，將傳統產業鏈中設計者、生產者和使用者的裝備、人和環境行為連入工業網絡。通過軟件定義的工業網絡實現裝備設計數據、裝備生產數據、裝備運行數據、設計活動數據、生產活動數據、使用活動數據、內環境和外環境數據的異構融合，并將工業大數據按安全性和隱私性要求存儲在私有工業云或公有工業云中。通過數據服務平臺的映射層，實現裝備的設計個體空間、生產個體空間和運行個體空間的映射，設計、生產、使用過程中人類管理活動行為的映射，以及環境空間的映射，并通過智能組網、集群協同、活動協同

152、和環境協同等不同目標，構建可供認知利用的群體空間、活動空間和環境空間。在數據服務平臺的認知層，分別用以數據驅動和機器學習為主要手段的行為認知方式，以機理模型和數據增強為主要手段的啟發認知方式，以信息物理系統白皮書55載體 產業鏈設計者生產者使用者（價值鏈創建互動產業鏈）（價值鏈創建互動產業鏈）產業要素 裝備人環境硬件+軟件“一軟一硬”感知和控制硬件工業軟件工業軟件感知硬件+工業軟件設計工具生產工具使用工具設計活動生產活動使用活動內外環境工業互聯網“一網”軟件定義工業互聯網異構集成數據層“工業云”裝備設計數據裝備生產數據裝備運行數據設計活動數據生產活動數據使用活動數據環境數據私有云工業云工業大數

153、據處理公有云數據（不創造價值）映射層設計個體空間生產個體空間運行個體空間設計活動空間生產活動空間使用活動空間環境空間智能組網群體空間行為認知數據驅動知識發現推演空間狀態感知智能裝備自主成長模型移植敏捷設計柔性制造安全能效 高效健康視情設計視情生產視情使用 視情管理自主學習持續演進智能決策預測空間知識交互知識融和機器學習機理模型數據增強群體行為群體啟發啟發認知群體認知活動空間環境空間集群協同活動協同環境協同信息（物理關聯）認知層 知識（內在關聯）服務層CPS智能膠囊“數據服 務平臺”智能裝備裝備的協同優化智能制造人+裝備的協同優化智能管理人+環境的協同優化價值（數據創造價值）價值鏈設計者滿足用戶

154、需求設計創造用戶價值設計生產者交付產品交付能力使用者單一盈利共同盈利設計者使用者活動協同資源優化生產者改造反饋迭代圖4-11 智能應用解決思路圖信息物理系統白皮書56群體行為認知和群體啟發認知為主要手段的群體認知方式，構建知識發現、知識交互和知識融和的平臺，并通過知識的推演、預測，建立推演空間和預測空間。最終，在數據服務平臺的服務層對環境提供狀態感知、自主學習、持續演進和智能決策的支撐服務，并以工業軟件和感知控制硬件為載體運用在設計端、生產端和使用端。在裝備端的協同優化通過知識成長的核心智能裝備建設以及模型移植的CPS智能膠囊實現，共同完成“智能裝備”。在人與裝備之間的協同優化，通過機器自主學

155、習的事情設計和視情生產實現，滿足敏捷設計、柔性制造等供給側的優化需求，完成“智能制造”。在人與環境之間的協同優化，通過工業智能技術，突破人類工程師的局限性，實現安全、健康、高效、環保的視情使用和視情管理，完成“智能管理”。通過上述“新四基”的建設，實現制造業全產業鏈的信息物理融合和價值共同創造，將設計者、生產者和使用者的單調角色轉變為新價值創造的參與者，并通過新型價值鏈的創建反饋到產業鏈的轉型，從根本上調動生產流程中各個參與者的積極性和創造力，最終實現業態融合的制造業轉型。如圖4-11所示。3.應用場景 無人裝備船舶、飛機等重資產裝備，普遍操作難度大，安全性要求高，一旦發生意外就會造成嚴重后果

156、，這就對操作人員的能力和經驗提出了很高的要求。隨著老齡化加劇，人力資源短缺的情況日益嚴重，以船舶為例，傳統模式下，培養一個優秀的船員需要5到10年，市場上迫切需要一種智能化船舶解決方案，一方面快速提高船員的技能水平，同時降低操船對于船員經驗的依賴程度。建立在“新四基”之上的CPS很好的解決了裝備智能化的問題，通過裝備狀態感知和實時計算，學習認知裝備操控過程知識，并通過行為認知信息物理系統白皮書57和啟發認知不斷的迭代增強決策正確率，逐漸實現物的智慧代替人的智慧，建立無人智能設備，同時構建CPS智能膠囊，在同類型的裝備上進行模型移植，實現設備智能化能力的低成本快速推進。如圖4-12。產業鏈互動當

157、市場需求飽和時，需要設計者、生產者共同參與到使用者的活動之中，利用工業網絡，構建融合設計、生產和使用的信息空間，并通過機器學習和群體認知等手段，快速分析產品的使用狀況，預測用戶的需求變化和市場趨勢，提供設計修改建議和生產維修計劃輔助決策知識，智能優化配置資源，及時處理用戶需求。同時，通過CPS，可以讓用戶參與到產品的設計生產過程中，激發用戶的需求，增加購買欲望，共同實現敏捷設計和柔性生產。價值鏈共贏制造企業要實現向服務商的轉型，由單一的依靠銷售產品收入變為通裝備端云端用戶端決策者管理者執行者智能系統CPS數據分析與信息服務平臺數據信息知識知識信息數據云端的知識源新知識自成長元模型成長模型知識調

158、用知識同步（知識的生產線、服務線）預防維護精細管理知識應用價值創造遠程診斷運營調度協同優化Cyber空間（知識倉庫，知識的積累與成長）圖4-12 無人裝備應用場景圖信息物理系統白皮書58過交付后的產品服務實現長期穩定的收入。依靠傳統的售后維護手段，顯然已無法滿足用戶企業的服務需求。傳統的定期保養、遠程維護、專家診斷等方式，均是“與用戶爭利”的手段，高額的養護成本更加激化了二者之間的矛盾，許多大型企業用戶不惜花重金建立自有的服務體系。但是，定期保養、專家診斷等服務模式提升保養保障能力的邊際成本很高，只有大型企業才有實力構建自己專家系統，而占據更大是市場份額的中小企業則無力承擔高額的保養費用和龐大

159、的專家系統。因此，制造企業面向最廣大的用戶，尤其是中小企業用戶，以較低成本向其提供與大型企業相同的定制化服務，這就需要通過CPS，建立人、裝備和環境在信息空間中的映射，更重要的是，建立機器自主學習的認知決策系統，通過智能決策支持，突破傳統專家系統等模式受人員素質限制的桎梏，向用戶提供更加便利、高效的人與環境協同優化服務，即視情使用和視情管理服務。通過服務，進一步參與到產品交付后的持續盈利過程中，在分擔用戶管理使用風險的同時實現共同盈利。4.3 CPS建設路徑信息物理系統在狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的數據閉環下，可以實現生產制造的自主協調、智能優化和持續創新，對于企業制造的各個環節都

160、可以得到很大的提升。但是企業在建設CPS的過程中要充分考慮信息物理系統的層級特征，不同企業處在不同的階段，應根據實際情況采取不同的應對措施。CPS的建設不可能一蹴而就，一定是循序漸進、逐漸深入的，其建設路徑可以分為如下幾個階段：1.CPS體系設計不論處在任何階段的企業，在建設CPS的初期，都應該從行業背景出發，結合自身特點，針對應用模式、層次架構、安全體系、標準規范體系信息物理系統白皮書59等方面開展CPS建設相關的整體體系設計。對企業在CPS建設上的具體需求、資源配給、建設周期、建設平臺、人員支持、目標考核進行合理規劃。另外，通過對企業目前CPS所屬階段進行評估與診斷，對未來CPS建設的條件

161、與投入進行預判，從而制定適合企業實際發展的CPS解決方案，最終形成完整的CPS建設體系設計，幫助企業開展下一步的具體建設。2.單元級CPS建設當企業處于單元級CPS建設階段，首先應明確單元級CPS的建設目標，即通過物理硬件、嵌入式軟件及通信模塊構成含有“感知-分析-決策-執行”數據自由流動的閉環，實現資源的優化配置。在具體建設上我們應將感控設備安裝、制造工藝與流程數字化作為重點。感控設備的安裝是CPS建設的基礎，通過改造或者更新企業的感控設備，提升感知外部環境信息、實現智能控制的關鍵能力，對CPS的應用起著技術牽引和場景指導的作用。通過提升裝備的狀態感知和智能控制能力，為制造工藝與流程數字化提

162、供數據基礎與控制基礎。制造工藝與流程的數字化是實現資源優化配置的重要環節，通過工業軟件對工藝、流程等工業技術實現數字化、軟件化，為信息處理和匯聚提供載體。通過對生產過程中復雜信息流進行分析處理，實現高效的資源優化。3.系統級CPS建設當企業處于系統級CPS建設階段，需要實現更大范圍、更寬領域的數據自由流動，更多關注多個單元級CPS之間的互聯互通、協同控制。在具體建設上應將工業網絡的建設作為重點。工業網絡是CPS實現多個單元級CPS互聯的保障，建立在網絡和系統集成的基礎上。通過工業網絡將狀態感知、傳輸、計算與制造過程融合起來，實現對多個單元級CPS之間數據的互聯互通，進一步對物的實時、動態信息進

163、行分析和控制，以實現制造信息可靠感知、數據實時傳輸、海量信息物理系統白皮書60數據處理，從而最終實現各組成CPS之前的協同控制能力。4.SoS級CPS建設當企業處于SoS級CPS建設階段，要實現多個系統級CPS的有機組合，更多關注于數據存儲和分布式處理能力、智能服務能力，在具體建設上應將大數據平臺、智能服務平臺的建設作為重點。大數據平臺、智能服務平臺是實現全面感知、深度分析、科學決策和精準執行的有力保障。通過感知設備實時感知獲取可靠信息，通過工業網絡以實時高效傳輸手段傳輸數據，通過大數據平臺以智能快速的方式將這些有效數據進行處理，通過智能服務平臺以高精度快響應的方式提供精準反饋控制，從而最終實

164、現SoS級的CPS建設。信息物理系統白皮書61五、信息物理系統的演進路徑CPS為支撐兩化深度融合提供了一套綜合的技術體系，同時也是實現兩化深度融合的必經之路。目前，隨著我國各界對CPS的重視程度越來越高，各級政府、企業、高校、科研院所都在積極推動對CPS的相關研究與應用推廣。然而，當前CPS的研究和應用還并不完善，其發展仍面臨著諸多亟待解決的問題，總結歸納主要包括：一是CPS核心關鍵技術仍需研究；二是CPS綜合標準體系有待研制；三是CPS成熟的解決方案還未成熟；四是CPS生態亟需構建。針對上述問題，我們可以通過加強以下幾方面工作來幫助解決，從而推動CPS技術與應用在我國的快速發展：一是加快核心

165、關鍵技術攻關和人才培養。將CPS的四大核心技術要素“新四基”（感知和自動控制、工業軟件、工業網絡、工業云和智能服務平臺）作為重點關注對象，通過聯合產業界、高校、科研院所和服務商形成產學研用的合作創新體系，以團結協作方式共同加快開展CPS核心關鍵技術攻關工作。同時，針對應用需求，充分利用和整合現有資源，加快開展CPS研發平臺、測試驗證平臺和綜合驗證試驗床的建設與應用推廣，為CPS解決方案的開發提供技術保障。另外，在高校設立與CPS緊密相關的專業課程，在企業、科研院所成立關于CPS的專業研究部門，針對CPS構造復雜、涉及知識廣泛的實際情況，形成多學科、多領域的交叉人才培養新模式。并且建立關于CPS

166、的國際交流與合作機制，圍繞核心技術研發開展多層次、多渠道、多方式的人才交流與合作。二是構建信息物理系統綜合標準化體系。依托科研院所、咨詢機構、行業協會、代表企業等開展廣泛調研，全面掌握我國CPS技術和應用發展的現狀與需求，通過專業標準化制定機構組織相關產業代表，共同研究建立適合CPS發展的綜合標準化體系。同時，組織力量加快編制CPS體系架信息物理系統白皮書62構等具有指導意義的關鍵標準，引導我國CPS技術和應用的提升與進步。另外，充分做好標準的宣傳與貫徹，大力推動標準的落實與推廣，引導CPS相關產業的快速發展。三是推動信息物理系統行業解決方案研究。面向CPS建設，加快培育一批優秀系統解決方案提

167、供商，通過利用中央財政現有資金渠道，鼓勵地方設立專項資金，加大對CPS發展關鍵環節和重點領域的投入力度，為符合條件的解決方案提供商實施CPS方案驗證、方案推廣提供支持，并在各領域組織開展行業系統解決方案應用試點示范工程，促進CPS解決方案由點到面進行推廣，從而調動解決方案提供商對CPS研究的積極性，推進CPS解決方案的快速發展。四是打造健康良好發展新生態。通過建立跨行業、跨學科的新型發展聯盟，大力培育發展感知和自動控制、工業軟件、工業網絡、工業云和智能服務平臺的載體，促進CPS的多領域和跨行業應用。通過政府引導各界積極布局相關技術和應用，把握發展機遇，穩步推進CPS在各領域的推廣，最終形成協同

168、創新、產用結合、以市場促發展的CPS發展新生態。信息物理系統白皮書63附件A國家和組織研究方向研究成果理論和標準研究：參考架構、應用案例、時間同步、CPS安全、數據交換。成立CPS公共工作組（CPS PWG）發布了CPS框架1.0（2016年5月）CPS測試驗證平臺（Testbed）標準研究：開展CPS相關標準研制工作。成立IEEE TC-CPS 定期舉辦學術會議CPS Weeks戰略分析和理論研究：智能設備、嵌入式系統、感知控制、復雜系統（SoS）。設立CPS研究小組 啟動了ARTEMIS項目 發布CyPhERS CPS歐洲路線圖和戰略國家戰略和理論研究：CPS 特征、CPS應用、智能設備、

169、信息物理制造系統CPPS。德國工業4.0確定以CPS為核心 發布生活在網絡世界CPS集成研究計劃 成立了世界第一個已投產CPPS實驗室標準、技術、應用研究：聚焦參考結構、核心技術、標準需求以及應用案例等的研究。信息物理系統發展論壇 CPS共性關鍵技術測試驗證平臺建設與應用 推廣等項目信息物理系統國內外研究和應用綜述自2006年至今，CPS的發展得到了許多國家政府的大力支持和資助，已成為學術界、科技界、企業界爭相研究的重要方向，獲得了國內外計算機、通信、控制、生物、船舶、交通、軍事、基礎設施建設等多個領域研究機構與學者的關注和重視。同時，CPS也是各行業優先發展的產業領域，具有廣闊的應用前景和商

170、業價值。1.國外研究現狀國際上，有關CPS的研究大多集中在美國、德國、日本、韓國、歐盟等國家和地區。表A-1各國研究機構對CPS的研究及成果信息物理系統白皮書64 美國2006年2月，美國科學院發布 美國競爭力計劃23，明確將CPS列為重要的研究項目；2006年末開始，美國國家科學基金會召開了世界上第一個關于CPS的研討會并將CPS列入重點科研領域，開始進行資金資助；2007年7月，美國總統科學技術顧問委員會（PCAST）在題為 挑戰下的領先全球競爭世界中的信息技術研發4的報告中列出了8大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件，數據、數據存儲與數據流，網絡，高端計算，網絡與信息安全

171、，人機界面與社會科學；2008年3月美國CPS研究指導小組（CPS Steering Group）發布了 信息物理系統概要5把CPS應用于交通、農業、醫療、能源、國防等方面。2014年6月美國國家標準與技術研究院（NIST）匯集相關領域專家，組建成立了CPS公共工作組（CPS PWG）聯合企業共同開展 CPS 關鍵問題的研究，推動 CPS 在跨多個“智能”應用領域的應用。2015年NIST工程實驗室智能電網項目組發布CPS測試平臺（Testbed）設計概念，已收集全球范圍內的CPS測試平臺清單，正在建立CPS測試平臺組成和交互性的公共工作組。2016年5月NIST正式發表了信息物理系統框架6,

172、提出了CPS的兩層域架構模型，在業界引起極大關注。截至2016年，美國國家科學基金會投入了超過3億美元來支持CPS基礎性研究。在學術界，IEEE及ACM等組織從2008年開始，每年都舉辦CPSWeek等學術活動。CPSWeek匯集了國際上關于CPS的五個主要會議：HSCC、ICCPS、IoTDI、IPSN和RTAS以及涉及CPS各方面研究的研討會和專題報告24。美國利用國際產業鏈優勢，在CPS標準、學術研究和工業應用方面處于領先地位，我國亟需在標準研究和應用領域深入研究，追趕世界先進水平。德國德國作為傳統的制造強國，也一直關注CPS的發展。2009年德國國信息物理系統白皮書65家嵌入式系統技術

173、路線圖25提出了發展本地嵌入式系統網絡的建議，明確提出CPS將是德國繼續領先未來制造業的技術基礎。2013年4月，在漢諾威工業博覽會上德國正式推出工業4.0。德國工業4.0實施建議8中提出：建設一個平臺，即“全新的基于服務和實時保障的CPS平臺”。2015年3月，德國國家科學與工程院（acatech）發布了網絡世界的生活9，對CPS的能力、潛力和挑戰進行了分析，提出了CPS在技術、商業和政策方面所面臨的挑戰和機遇。依托德國人工智能研究中心（DFKI）德國開展了CPS試驗工作，建成了世界第一個已投產的CPPS（Cyber-Physical Pro-duction Systems，CPPS）實驗室

174、。德國借助其制造強國優勢，突出CPS在制造業和嵌入式領域的應用，我國在實施制造強國戰略過程中，需要重點關注CPS對制造業發展的促進作用。歐盟歐盟在CPS方面也做了很多工作。CPS研究做為歐盟公布的“單一數字市場”戰略的一部分，得到歐盟的大力支持，歐盟通信網絡、內容和技術理事會單獨設立CPS研究小組；歐盟在2007年啟動了ARTEMIS(Ad-vanced research and technology for embedded intelligence and systems)26等項目,計劃投入超過70億美元到CPS相關方面研究，并將CPS 作為智能系統的一個重要發展方向。2015年7月歐盟

175、發布CyPhERS CPS歐洲路線圖和戰略10，強調了CPS的戰略意義和主要應用的關鍵領域。歐盟發揮國家間組織優勢，重點關注CPS的戰略分析和理論研究，我國也要加強同世界其它國家和組織的溝通交流，促進CPS理論和應用的發展。日韓在日韓等國，CPS從2008年左右開始備受關注。韓國科技院等高等教育機構和科研院嘗試開展了CPS的課程，從自動化研究與發展的角度，關信息物理系統白皮書66注計算設備、通訊網絡與嵌入式對象的集成跨平臺研究。在日本，以東京大學和東京科技大學為首，對CPS技術在智能醫療器件以及機器人開發等方面的應用投入了極大的科研力量。日韓作為后發的發達國家，緊跟CPS的技術研發和應用，對我

176、國的CPS發展既是動力，也是挑戰，我國需要加大CPS領域的研究投入。Cyber-PhysicalProduction SystemsCyber-Physical Systems Testbed Workshop賽博協同創新中心浙江大學清華大學上海交通大學廣東省信息物理融合系統重點實驗室廣東工業大學863 2010“面向信息-物理融合的系統平臺”等項目研究高校 2012開展工業信息物理融合系統（iCPS）的基礎理論和關鍵技術的前沿研究CSSC NSF-IMS 2013成立海洋智能技術中心（OITC）開展CPS技術在工業領域的應用研究高校 2015在船舶制造、汽車零配件制造等領域開展集成應用示范工

177、作CESI 2016CPS發展論壇CPS測試驗證平臺及應用推廣項目研究NSF 2006提出CPS作為重點科研領域PCAST 20078大關鍵信息技術CPS位列之首CPS Steering Group 20088大關鍵信息技術CPS在交通、農業、醫療、能源、國防上的應用NIST CPS PWG 2014開展 CPS 關鍵問題的研究NIST 2015建立CPS測試平臺組成和交互性的公共工作組NIST CPS PWG 2016Framework for Cyber-Physical Systems Release 1.0ZVEI 2009提出CPS將是德國繼續領先未來制造業的技術基礎。Acatech

178、 2013工業4.0以CPS為核心Acatech 2015提出了CPS在技術、商業和政策方面所面臨的挑戰和機遇DFKI 2016世界第一個已投產的CPPS實驗室EURO 2007ARTEMIS 項目在CPS研究領域，投入超過70億Seventh FrameworkProgram 2015CyPhERS CPS歐洲路線圖和戰略2.國內研究現狀在CPS明確提出之前，我國已經開展了類似的研究，這些研究與政府在工業領域的政策緊密聯系在一起。2016年中國政府提出了深化制造業與圖 A-1 各國CPS發展歷程信息物理系統白皮書67互聯網融合發展的要求，其中在強化融合發展基礎支撐中對CPS未來發展做出進一步

179、要求。政策的延續和支持使得我國CPS發展駛入快車道。高校和科研單位也紛紛進行CPS技術研究和應用。2010年科技部啟動了863計劃“面向信息-物理融合的系統平臺”等項目。2012年浙江大學、清華大學、上海交通大學聯合成立了賽博（Cyber）協同創新中心，開展工業信息物理融合系統（iCPS）的基礎理論和關鍵技術的前沿研究。2016年3月中山大學成立信息物理系統研究所，致力于CPS核心技術和特色應用研究。2016年9月，中國電子技術標準化研究院（工業和信息化部電子工業標準化研究院）聯合國內百余家企事業單位發起成立信息物理系統發展論壇，共同研究CPS發展戰略、技術和標準，開展試點示范，推廣優秀的技術

180、、產品和系統解決方案等活動。此外，在工業和信息化部的支持下，中國電子技術標準化研究院開展了CPS共性關鍵技術測試驗證平臺建設與應用推廣等項目的研究。在CPS應用實踐方面，國內也開展了較多有益探索。2013年,中船集團與美國NSF-IMS中心聯合成立海洋智能技術中心（OITC）,開展CPS技術在工業領域的應用研究。該中心研制的CPS智能信息平臺和智能船舶運行與維護系統（SOMS）作為國產智能船舶的兩大核心系統在散貨船、集裝箱船和VLCC船上開展廣泛應用。廣東工業大學2015年5月建立廣東省信息物理融合系統重點實驗室，2016年6月進一步建立智能制造信息物理融合系統集成技術國家地方聯合工程研究中心

181、，初步構建了智能制造信息物理融合系統集成應用體系架構，并在船舶制造、汽車零配件制造等領域開展集成應用示范工作。信息物理系統白皮書68附件B信息物理系統典型應用單元級CPS:中控科技集團有限公司CPS應用研究 建設背景盡管DCS和PLC的應用已經相對成熟，在某些方面仍表現出了一定局限性，其較高的價格和復雜的系統結構、較高的技術門檻以及較高的制造和維護成本使得其更適用于中大型的控制場合。而單元級CPS包含“感知-分析-決策-執行”的數據自由流動閉環，具有傳感執行、自動控制、實時通信等基本要素，也正是自動化控制系統的進一步完善與提升。實施情況中控科技集團有限公司聯合國內多家單位共同研制了基于CMC芯

182、片的多種控制系統。CMC芯片即片上控制模塊，是一種成本更低廉、設計更簡單、可靠性更高的CPS核心模塊，將傳感信號的檢測輸入、控制運算、執行輸出以及各種工業通信協議全部集成在單一的SoC芯片中，將現有結構復雜、成本高昂的控制系統簡化為單一芯片，從而大幅度降低控制系統和單元級CPS的結構成本和實現難度?；贑MC芯片，集成了多家單位開發產品。例如由武漢華中數控股份有限公司研制出新一代數控系統和相應的車床、銑床，以及小功率和中功率的多種伺服驅動裝置；由上海自動化儀表有限公司研制出各類工業變送器儀表、電動執行機構；由沈陽中科博微自動化技術有限公司研制了智能電表的終端和采集器、集中器設備；由浙江中控研制

183、了點位控制器、無線智能插座、無線燈光控制器等智能建筑設備。各設備除了在內部實現了狀態感知、實時分析、精準執行外，也通過實時以太網接口與管理監控軟件進行信息交互，提供科學決策。所有這信息物理系統白皮書69些設備產品都基于CMC芯片+傳感+執行+管理服務軟件的CPS結構進行設計（如圖B-1所示），并完成了良好的應用。CMC芯片的創新點主要包括：片上控制關鍵技術、片上數?；旌细呔杉洼敵鰧崿F技術、片上高可靠實時互連技術等。CMC芯片將控制功能普及到現場端，將傳感信號和執行信號以數據映射的方式存儲在芯片內部，通過組態程序和內置的控制算法完成實時控制，系統完全自治。并且，CMC芯片通過實時通信網絡將現

184、場和平臺間的信息和數據通道直接打通，由CMC應用軟件配合完成數據監測和更大型分布式系統的實施。CMC芯片使得設備開發商直接搭載CMC芯片并通過簡單的控制組態便可圖B-1 基于CMC的單元級CPS結構示意圖組態編程高級算法下載監控診斷數據服務CMC應用軟件EPA、MODBUS等信息通道傳感器/開關CMC控制芯片電機/執行機構信息物理系統白皮書70實現傳感監測、控制決策、精準執行和通信監測的功能，并完成單元級的CPS研制和應用。實施效果使用CMC芯片進行CPS設備的研制和實施，與常規嵌入式系統方案相比，在設備硬件方面，由于集成度較高，研制周期更短，芯片的可靠性更高，硬件成本也更低。由于CMC方案已

185、內嵌了控制算法和控制程序處理功能，因此其底層軟件開發成本為零，開發時間為零，可靠性高。在PC端軟件方面，由于CMC方案也直接集成了協議通信并提供了對應的軟件應用平臺（包括組態、監控、調試診斷、數據庫等），使得CPS設備在向上建設系統級CPS以及SoS級CPS時將沒有技術障礙。系統級CPS:石化盈科CPS應用研究 建設背景近年來，世界石化產業規模不斷擴大，產業格局發生顯著變化，北美、中東和亞太作用日益凸顯。世界石化工業加快了結構調整步伐，開始由以規模帶動效益階段轉向以質量和效益提升競爭力階段，產品結構向精品、高端方向轉變，并高度重視節能環保、綠色低碳和循環經濟發展。在新科技革命的推動下，世界石化

186、工業科技創新發展迅猛，技術創新向集成創新轉變。石化盈科從系統級CPS入手，構建基于CPS的中國石化智能工廠來開展相關研究，以CPS為核心融合新一代信息技術、運營技術和制造技術等，給石化工業生產方式帶來了革命性的變化。實施情況石化盈科于2012年起承擔基于CPS的中國石化智能工廠建設。中國石化智能工廠是面向石化生產的全產業鏈環節，將CPS深入應用到現有石化生產過程中，實現工藝和設備運行技術、人的深度集成融合，提升全面感知、預測預警、協同優化、科學決策的四項關鍵能力，以更加精細和動態信息物理系統白皮書71的方式提升工廠運營管理水平，并推動形成新的制造和商業模式創新。石化智能工廠是構建一個以泛在感知

187、和泛在智能服務為特征的新一代石化生產環境，將由無處不在的傳感器、智能硬件、控制系統、計算設施、通信設備、信息終端構成的單元級CPS連接成一個智能網絡，構成系統級CPS，實現了企業、人、設備、服務之間的互聯互通，最大限度地開發、整合和利用各類信息資源、知識、智慧?；贑PS的中國石化智能工廠建設圍繞三條主線：1.全過程一體化生產管控即通過企業資源計劃管理層、生產執行管理層和過程控制層互聯，實現各層次的信息匯通和數據共享，實現物流、資金流和信息流的統一，實現全廠管控一體化。通過產品質量、安全管控和能源產耗等約束條件下的計劃調整，實現全廠范圍計劃調度一體化。通過建立工廠和車間數據模型支撐生產過程的自

188、動化處理，通過知識前置實現實時的事前預測，獲取與當前工藝狀況相適應的最佳操作模式用于指導生產、優化工藝過程。2.全流程一體化優化即通過資源共享，最終實現從原油資源優化、原油配送、生產加工至成品油配送及銷售的供應鏈全過程整體效益最大化。建立橫跨石化各業務單元的一體化供應鏈管理平臺，以物料、能源和環保為主要約束，實現全局動態調控，建立上中下游協同的計劃與調度優化模型，實現全價值鏈的供應鏈優化。在此基礎上，圍繞客戶價值和產業鏈的整合，構建技術服務、商業服務為一體的商業生態圈，形成新的商業模式。3.生命周期一體化資產管理即實現石化工廠資產設備從計劃應用、投入使用、檢維修到設備壽命終止的整個生命周期的管

189、理。通過連接最小單元CPS，構建系統級CPS，對設備運行狀態進行評定，預測振動趨勢，實時對監測數據進行故障診斷和案例匹配，提前預測發現潛在的問題，判別問題風險，安排預防性維信息物理系統白皮書72護，對停產檢修做出計劃，對意外停車做出快速反應，為工廠的升級和改造提供支撐。實施效果從下屬企業的裝備基礎、管理基礎、員工素質基礎和信息化基礎等方面考慮，中國石化選擇了燕山石化、茂名石化、鎮海煉化、九江石化等4家企業作為試點進行以CPS為核心的智能工廠建設，取得了優異的成效，并給同行業的智能工廠建設提供了參考和指導。截止2016年，4家試點企業的先進控制投用率、生產數據自動數采率分別提升了10%、20%，

190、均達到了90%以上，外排污染源自動監控率達到100%，建立了數字化、自動化、智能化的生產運營管理新模式，從局部優化、離線優化逐步提升為一體化優化、在線優化，勞動生產率提高10%以上，提質增效作用明顯，促進了集約型內涵式發展。SoS級CPS：中國船舶工業系統工程研究院CPS應用探索 建設背景船舶工業是為航運業、海洋開發及國防建設提供技術裝備的綜合性產業，對鋼鐵、石化、輕工、紡織、裝備制造、電子信息等重點產業發展和擴大出口具有較強的帶動作用。但在全球經濟增長乏力的大背景下，航運業市場持續低迷，過度在船舶設計制造端追求產品性能的提升已經無法打動船東，需創造新的行業合作形態，令產業鏈上下游企業共同參與

191、到船舶價值創造之中，創造新的用戶價值。中國船舶工業系統工程研究院利用自身系統工程理論的優勢和海軍體系工程理論基礎，于2010年成立海洋智能技術中心（OITC），是我國船舶領域最早的信息物理系統專門研究機構。海洋智能技術中心（OITC）為了探索適應中國船舶制造業和遠洋航運業的轉型發展方案，以工業智能為核心突破點，從根本上解決船廠、船東和船員之間的矛盾，率先開展基信息物理系統白皮書73于CPS船舶產業SoS解決方案，并積極開展實船實踐驗證工作，共創“無憂船舶”和“無憂運營”。實施情況海洋智能技術中心（OITC）針對SoS級CPS的體系架構，結合我國海洋裝備技術和應用特點，在國內首次研制以裝備全壽命

192、周期視情使用、視情管理和視情維護為核心，面向船舶與航運智能化的智能船舶運行與維護系統（Smart-vessel Operation and Maintenance System，簡稱SOMS），并進一步面向船隊、船東和船舶產業鏈，分別設計了船舶（個體）、船隊（群體）和產業鏈（社區）的CPS應用解決方案，為整個船舶產業鏈提供面向環境、狀態、集群、任務的智能能力支撐。海洋智能技術中心（OITC）在北京設置了工業大數據認知中心與智能信息服務平臺，通過具有自主知識產權的CPS認知與決策系統（CPS Cognition and Decision System，簡稱CCDS），將船舶工業數據異構融合，在信

193、息空間進行映射，在機器自主學習的認知計算環境中，完成了船舶設計、制造、運營流程的知識發現與行為預測。并通過智能信息服務平臺以數據驅動的模型訓練技術對外提供面向船舶設計、制造、管理、運營的視情決策支持。同時，海洋智能技術中心（OITC）研發了船舶智能Agent。一方面，作為模型和算法的載體，通過模型移植技術實現船舶的自主成長能力，在實時接入上千種傳感器數據的基礎上，獨立為船端用戶的活動提供實時快速的決策支持；另一方面，以模型化方式與北京認知中心進行知識交互，并在北京工業大數據認知中心與智能信息服務平臺的支持下，基于群體認知學習能力提供更深度的智能決策支持和智能Agent持續升級。通過工業大數據認

194、知中心與智能信息服務平臺，以及CCDS和智能Agent的技術布局，海洋智能技術中心（OITC）根據船舶產業應用對象的不同提出了三個層次的SOMS解決方案：信息物理系統白皮書74（1）船舶-SOMS個體CPS體系解決方案：船舶作為船舶行業的核心裝備，既是整個產業鏈技術水平的集中體現，也是產業鏈智能化升級最重要的載體。SOMS個體解決方案設計了由感知-分析-決策和控制4個模塊構成的智能控制單元，首先對典型的主力船型加裝感知系統和分析系統，分析全船數據，通過北京認知中心的強大運算能力和數據科學家隊伍，訓練認知模型，優化認知算法，以重點船舶的智能化帶動船舶整體智能化發展。在為重點船舶提供視情決策、資源

195、優化支持的基礎上，利用模型移植將核心模型和關鍵算法制作成為CPS膠囊，此后只需要在同型姊妹船舶上安裝CPS膠囊，并接入簡單的關鍵數據就可以實現大部分自主視情優化功能，無須進行感知網絡的重復建設，有利于CPS技術和成果的高效率、低成本推廣。（2）船隊-SOMS群體CPS體系解決方案：船隊作為工業領域內最典型的裝備集群，幾乎具備了裝備集群的所有特點和特征，同時由于船舶使用場景和任務的多樣性，也出現了很多集群協同優化方面的智能化需求。SOMS群體解決方案為船隊的直接關系用戶，也就是船東，設計了由感知-分析-決策-管理4個模塊構成的智能管理單元，在船舶智能化的基礎上，結合我國船舶工業的實際情況，運用模

196、型化傳輸手段實現了岸海一體分析決策流程，為船東提供了基于CPS的群體認知學習化境，并通過智能信息服務平臺，為船東提供視情使用和視情管理服務，在安全、經濟和環保三個方面為船東提供自主成長的智能化服務支撐。（3）產業鏈-SOMS社區CPS體系解決方案：在SOMS個體和群體解決方案的基礎上，為了進一步在船舶產業進行CPS的應用推廣，本著“數據驅動，融合創新”的理念，SOMS社區解決方案提供面向全產業鏈的全維數據感知、綜合數據分析、定制信息服務，以商船、漁船、執法船和關鍵設備等海洋領域核心裝備為裝備對象，向海洋領域核心活動的用戶提供裝備全壽命周期信息服務、智慧航運、貨物產業鏈服務、智慧漁業管理等信息物

197、理系統白皮書75智慧化服務，以智能Agent和部署在船端、船東總部的分布式數據中心為數據來源，以北京認知中心為數據認知、優化決策、信息服務的載體，以CCDS為核心，將不同領域用戶以知識相連接，構建信息物理融和的船舶工業社區，實現CPS在船舶產業鏈的深度融合與廣泛應用。SOMS船舶、船隊和產業鏈三種解決方案是依次遞進、相互影響的，由于面臨的裝備、船舶、船隊和企業等對象眾多，船舶的工作環境、任務場景復雜，SOMS解決方案既是裝備建設解決方案，又是系統工程解決方案，更是體系工程解決方案，因此，SOMS解決方案在實現過程中需要相互依托，需要相互促進，循序漸進，整個SOMS體系工程分為三個建設階段:（1

198、）第一階段：CPS體系框架建設，海洋智能技術中心（OITC）建設由工業軟件、感知控制硬件、船舶互聯網、認知決策中心和信息服務中心組成的CPS框架體系，并在CPS認知決策系統進行重點攻關，同步開展主力船型和重點企業實踐驗證工作，為CPS體系應用和推廣提供技術基礎和實踐案例。（2）第二階段：通過典型船舶和重點企業的示范帶動左右，將SOMS解決方案在船舶產業鏈上下游進一步推廣，由船舶使用端向船舶的設計、制造端輻射，最終實現SOMS技術體系在船舶產業的整體布局，為船舶產業的信息物理深度融和打下基礎；（3）第三階段：通過船舶、船隊和產業鏈的對象全面覆蓋，實現SOMS解決方案在船舶設計、制造、使用流程全面

199、融入，真正實現船舶全產業鏈的信息物理深度融合與廣泛融合，構建完整CPS工業體系化應用，從而提升整個產業的工業智能化水平。實施效果（1）SOMS與智能船舶海洋智能技術中心（OITC）的“SOMS個體解決方案”提出了基信息物理系統白皮書76于信息物理系統的船舶智能化解決方案，并在軍民領域同步開展了實船應用實踐，目前該解決方案已在三大主力船型實踐應用，其中作為全球首個搭載定制版SOMS系統的遠洋大型船舶“明勇輪”自2015年起已累計運行10080小時，18個不同航段，航行數據5.79GB，其中健康管理和能效管理兩大模塊，實現了顯著的油耗節省和“近零故障”(Near-Zero Breakdown)，受

200、到了市場用戶和領域專家的高度認可。（2）SOMS與智能管理作為中國最早開展CPS研究的船東之一，招商輪船在勞氏船級社的支持下，率先與中船集團簽署戰略合作協議，共同推進船舶智能化、航運管理智能化、岸海一體智能信息體系等方向的全面合作，并創造條件，推進“SOMS群體解決方案”的實船試裝與實踐應用，目前“SOMS群體解決方案”已在招商輪船VLOC、VLCC等主力船型開展了實船試裝與測試工作，并取得了階段性成果。（3）SOMS與智慧海洋結合國家“智慧海洋”工程，通過CPS在船舶產業的體系性應用，構建了“裝備端-CPS云端-用戶端”三位一體的船舶領域賽CPS知識體系，實現知識的挖掘、積累、組織、成長和應

201、用，完成了CPS的全產業鏈深度融和與廣泛融合，推動了船舶產業的智能化進程。信息物理系統白皮書77術語和縮略語表C-1 術語術語定義/解釋信息物理系統（Cyber-Physical Systems）CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。物理實體（Physical Entities）本文特指人、機、物等在物理世界中真實存在、可見的形體。物理空間（Physical Space）物理空間指物理實體和物理實體之間的關系形成的多

202、維空間。信息虛體（Cyber Entities）本文特指人通過工具對物理實體建模形成的數字化模型（映射）。信息空間（Cyberspace）信息空間是主要由信息虛體組成，由相互關聯的信息基礎設施、信息系統、控制系統和信息構成的空間，具有控制、通信、協同、虛擬和控制等特點。亦稱“賽博空間”數字孿生（Digital Twin）本文特指在制造業中，人機物等物理實體映射形成的信息虛體，它依賴數據理解其對應的物理實體的變化并對變化做出響應。CPS總線（CPS Hub）本文特指是利用標準化接口和軟件實現各異構CPS間的信息交換和傳遞。附件C信息物理系統白皮書78表C-2 縮略語縮略語原始用語CPS信息物理系

203、統（Cyber-Physical Systems）SoS系統之系統（Systems of Systems）CPPS信息物理生產系統（Cyber Physical Production Systems）IoT物聯網（Internet of Thing）ICT信息通信技術（Information Communications Technology）WMS倉庫管理系統（Warehouse Management System）CRM客戶關系管理（Customer Relationship Management）PCS過程控制系統（Process Control System）ERP企業資源計劃（Ent

204、erprise Resource Planning）MES制造執行系統（Manufacturing Execution System）AGV自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle）RFID射頻識別（Radio Frequency Identification）PHM故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management）PMS設備管理系統（Plant Management System）CISC 復雜指令計算機（Complex Instruction Set Computing）RISC精簡指令集計算機（Reduced Instructi

205、on Set Computing）FPGA現場可編程門陣列（FieldProgrammable Gate Array）PLM產品生命周期管理（product lifecycle management）PDM產品數據管理（Product Data Management）SCM供應鏈管理（Supply Chain Management）MBD基于模型的定義（Model Based Definition）CAD計算機輔助設計（Computer Aided Design）CAM計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing）CAE計算機輔助工程（Computer Aided

206、Engineering）CAPP計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning）CAT計算機輔助測試（Computer Aided Test）CAI計算機輔助教學（Computer Aided Instruction）TSN時間敏感網絡（Time Sensitive Networking）SDN軟件定義網絡（Software Defined Network）信息物理系統白皮書79參考文獻1 中國制造2025（國發201528號）,2015.05.2 國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見（國發 201628號）,2016.05.3“十三五”國家信

207、息化規劃（國發201673號）,2016.12.4 Leadership under challenge:Information technology R&D in a competitive,2007.https:/www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast-07-nitrd-review.pdf 5 CPS Steering Group,Cyber-Physical Systems Executive Summary,March,in Science and Technology,2008.6 Framework

208、 for Cyber-Physical Systems,Cyber Physical Systems PWG,Sep.2015.7 The German Nationale Roadmap Embedded Systems,Dec.2009.http:/netzwerk-zukunft-industrie.de/wp-content/uploads/2016/01/Anlage-3_Nationale-Roadmap-Embedded-Systems.pdf8 Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE

209、 4.0,2013.http:/www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Material_fuer_Sonderseiten/Industrie_4.0/Final_report_Industrie_4.0_accessible.pdf9 Living in a networked world,2015.http:/www.cyphers.eu/sites/default/files/acatech_STUDIE_agendaCPS_eng_ANSICHT.pdf信息物理系統白

210、皮書8010 The European Unions Seventh Framework Programme,CyPhERS Cyber-Physical European Roadmap&Strategy,2013.http:/www.cyphers.eu/sites/default/files/D2.1.pdf11 胡虎、趙敏、寧振波等.三體智能革命M.機械工業出版社,2016.12 李必信,周穎.信息物理融合系統導論M.科學出版社,2014.13 EdwardAshfordLee,SanjitArunkumarSeshia,Lee,等.嵌入式系統導論:CPS方法M.機械工業出版社,201

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213、oundationsC.Design Automation Conference.ACM,2010:737-742.21 何積豐.Cyber-physical System J中國計算機學會通訊,2010,6(1):25-2922 VDI/VDE-GMA,Cyber-Physical Systems:Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation,Thesen und Hand-lungsfelder,April 2013.信息物理系統白皮書8123 American Competitiveness Initiative,2006.http:/georg

214、ewbush-whitehouse.archives.gov/stateoftheunion/2006/aci/24 CPSWeeks.https:/cpsweek2017.ece.cmu.edu/index.php/events/25 The German Nationale Roadmap Embedded Systems,Dec.2009.http:/netzwerk-zukunft-industrie.de/wp-content/uploads/2016/01/Anlage-3_Nationale-Roadmap-Embedded-Systems.pdf26 Advanced rese

215、arch and technology for embedded intelligence and systems,2007.https:/artemis-ia.eu/信息物理系統白皮書82致 謝本白皮書的編寫受到社會各界專家、企業及科研單位的關注和大力支持，在此特別感謝李杰、林詩萬、郭朝暉等專家對白皮書編寫提供的寶貴修改意見。同時，感謝中國科學院自動化研究所、北京科技大學、重慶郵電大學、中國電子學會、北京和利時系統工程有限公司、新華三技術有限公司、上海明匠智能系統有限公司、易往信息技術有限公司、南瑞集團、上汽通用汽車有限公司、東風汽車公司、三一重工股份有限公司等企業及科研單位為白皮書編寫做出的寶貴貢獻。2017年3月1日發布中國電子技術標準化研究院通信地址：北京市東城區安定門東大街1號 中國電子技術標準化研究院（100007）白皮書聯絡人：蘇偉 聯系方式：010-64102805郵 箱：指導單位：工業和信息化部信息化和軟件服務業司 國家標準化管理委員會工業標準二部編寫單位：中國電子技術標準化研究院 中國信息物理系統發展論壇信息物理系統白皮書（2017）