支撐兩化深度融合的集大成者

鄧曉蕾

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，以“一硬、一軟、一網、一平臺”新四基為核心技術要素，打造了狀態感知、實施分析、科學決策、精準執行的數據閉環。

信息物理系統（Cyber Physical System，CPS）因控制技術而起，因信息技術而興。它是德國工業4.0的核心技術，是美國未來六大顛覆性基礎領域的技術之一，也是我國推進信息化與工業化深度融合的重要支撐。信息物理系統已成為各國再工業化戰略的突破口和落腳點，是搶占制造業變革制高點的關鍵。

基于信息物理系統的新型技術體系，正成為新一代信息技術革命的最重要潮流。任何新技術的發展與演進都離不開標準。在全球再工業化的大背景下，信息物理系統的技術創新、產業發展，離不開標準的引領。去年，我國出臺的《關于深化制造業與互聯網融合發展指導意見》中將信息物理系統作為融合發展的支撐，明確提出了構建信息物理系統參考模型和綜合技術標準體系的工作任務。

3月1日，在工業和信息化部信息和軟件服務業司、國家標準化管理委員會工業標準二部的指導下，中國電子技術標準化研究院聯合CPS發展論壇的成員單位，共同研究、編撰形成的《信息物理系統白皮書（2017）》（以下簡稱《白皮書》）正式發布。《白皮書》的編寫是落實《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》對信息物理系統的工作要求，是當前產業發展信息物理系統的迫切需要，重點圍繞“為什么”“是什么”“怎么做”“怎么用”“怎么推”等方面展開論述，為政府、行業、企業各級單位提供參考。《白皮書》也是業界在信息物理系統研究方面的第一份正式文本。

CPS“一二三四四六”的總體思路

通過對信息物理系統內涵和外延的深入挖掘，《白皮書》確定了對于CPS的“一個總體定位”，即信息物理系統是支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，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”。“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”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），作用于三個層次的（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。

CPS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者。

建設CPS應圍繞資源優化是目標、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展開。針對下一步的重點工作，安筱鵬認為，要在正確認識信息物理系統的基礎上，加強頂層設計、夯實技術基礎、開展測試驗證、組織試點示范、深化國際合作。

國標委工業標準二部主任戴紅表示：“當前對信息物理系統的本質的內涵、核心技術、應用場景還需要開展深入的研究，需要不斷統一認識，加深理解，要借助標準化這一有利的工具，匯聚信息技術、自動化等領域的專家、企業和科研院所，科學、規范、創新地開展標準化工作。”

推進信息物理系統標準化工作，是落實制造強國戰略的重要組成部分，也是統一認識、推動創新的重要手段。戴紅提出，開展信息物理系統標準化要注重頂層規劃、整合資源，要積極接軌國際、加強合作交流。

CPS是智能制造的核心技術

《白皮書》關注的需求主要來自于制造行業。信息物理系統通過信息技術與制造要素的深度融合，構建了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。在未來的制造業中，CPS涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸，以及遠程醫療等眾多工業部門和應用領域，具有非常重要的意義。在生產系統方面，智能工廠的產品、資源和處理過程因CPS的存在，具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節約方面也頗具優勢。

中國工程院院士李伯虎表示：“CPS的新內涵可以理解為通過深度融合，利用先進的計算、通信和控制技術，基于模型和數據驅動，將物理空間與信息空間連接為一體，使其中的人、機、物、環境信息等要素自主智能地感知協同、學習、分析、決策、執行，協同化運行，是在給定的目標和時空約束下集成、優化、運行的一類系統。”

在CPS的新內涵中將原內涵中的計算技術拓展為信息技術，并提出融合智能技術的重要性。

李伯虎以航天科工打造的工業互聯網平臺——“航天云網”為例介紹說，平臺就是SoS級的賽博物理生產系統，整個體系結構分為物理層、網絡層、平臺服務層，以及應用層。目前，已經構建了三朵云：一朵是專有云，專為航天服務；第二朵是公有云，目前已有44萬家企業在上面；還有一朵是國際“一帶一路”云，今年將有100萬個企業在上面。平臺具有硬件、軟件能力，可以信息互通，資源共享，能力協同，互利共贏和開放。比如，若打造一個飛行器駕駛系統，首先要建立資源虛擬化仿真系統，這樣在終端上才能完成異構、協同的仿真模型。

《白皮書》的內容解讀

中國電子信息標準化研究院軟評中心副主任郭楠對《白皮書》的內容進行了解讀：

第一章簡要介紹了信息物理系統的發展背景和面臨的問題，從宏觀層面回答了“為什么”發展信息物理系統的問題。同時對《白皮書》的編寫方法，以及相關問題進行了說明。

第二章給出了《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，這是《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和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《白皮書》的解答；其次考慮信息物理系統的層次性和系統性，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。

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：“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介紹。

第四章描繪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，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，《白皮書》附錄部分，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。