“CPS”专家宣讲团火爆开讲《信息物理系统白皮书（2017）》内容解读_CPS_

“CPS”专家宣讲团火爆开讲《信息物理系统白皮书（2017）》内容解读

2017/8/10 15:43:08

为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院组织团结各方力量，组建“CPS信息物理系统专家宣讲团”，在网络上发起集中宣传活动，每周邀请一名精通CPS的专家，从不同角度讲解CPS，为广大企业用户进行网络宣讲。

首期主讲专家：

郭楠：中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心副主任、中国信息物理系统白皮书撰稿人之一。

宣讲主题：《信息物理系统白皮书（2017）》内容解读。

以下为本次活动实录：

主持人：大家好，我是今晚五十个科技社群同步直播CPS专家宣讲团活动的开场主持人。首先介绍下自己。胡虎，科技媒体人，国内第一本讨论新工业革命与智能化创新的专著《三体智能革命》的主编。

CPS，也就是信息物理系统，是今晚宣讲的主题。应该说三体智能革命这本书与CPS关系极其密切，在酝酿、打磨三体智能理论过程中，我们编委会对未来工业形态乃至社会形态的灵感，恰恰是从CPS开始起步的。

在前年发布的未来工业战略——中国制造2025中，有一句非常耐人寻味的话，可以帮助人们理解CPS的重要性。“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”。打个比方，CPS就好比一块敲门砖，从这里可以敲开中国工业变革的未来。

正因为CPS如此重要，在《中国制造2025》与《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》等中央文件里，都要求加强信息物理系统的研发与应用。在工信部指导下，中国信息物理系统发展论坛作为权威产学研一体化组织正式组建，发动大批专家，组织编写《信息物理系统白皮书（2017）》，推动CPS的研究与产业化创新。同时，工信部还将CPS列为重点支持项目，备受各地政府和企业关注。

为做好信息物理系统CPS的宣传贯彻工作，在工信部信软司的大力支持下，中国电子技术标准化研究院、中国信息物理系统发展论坛、走向智能研究院组织团结各方力量，组建专家宣讲团，从不同角度，为政企各届朋友集中宣传讲解CPS。

今晚为大家宣讲的首位嘉宾，是《CPS白皮书》核心撰著者之一，中国信息物理系统发展论坛秘书长郭楠先生，郭楠先生同时还是中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心副主任。　　主持人：接下来有请郭楠先生进入宣讲时间，为大家介绍CPS白皮书主要内容，并解读信息物理系统创新发展的重要意义。

感谢主持人，大家好，我是电子标准院郭楠，是白皮书的起草者之一，非常高兴能够有机会与给位专家交流学习

《信息物理系统白皮书（2017）》是在工信部信软司和国家标准委工业二部的指导下，集合CPS发展论坛成员单位的集体智慧编制而成。自2017年3月1日白皮书发布以来，得到了社会各界专家学者及企业家的关注和认可。

借这个机会，对策划、组织本次宣讲活动的走向智能研究院以及各位专家表示感谢，也欢迎社会各界专家学者不吝赐教。本期是信息物理系统专家宣讲团第一期，报告题目为《信息物理系统白皮书(2017)》内容解读。

本次报告主要分为以下四个部分：

为何编制白皮书？

如何编制白皮书？

如何理解白皮书？

欢迎完善白皮书！

新一代的信息技术催生了一系列新的技术、新的产品、新的业态、新的模式，同时也催生出了一系列新的理念和新的概念，从物联网、大数据、区块链，到智能制造、工业互联网，到信息经济、数字经济、分享经济。在新的概念、新的理念不断的涌现的过程中，有些概念昙花一现，有些概念越来越深入人心。这些新的概念背后反应的都是人们对新的经济社会生活现象的认识和观察，信息物理系统作为一个新的概念，也是在这个时代应运而生。

近年来，美国和德国高度重视了CPS，围绕技术研发、验证测试平台建设作出了一系列部署。我国政府也对CPS作出了一系列重要的部署，《中国制造2025》明确提出了“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”，在去年《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，给CPS的下一步工作也作出了明确部署。

当前《中国制造2025》正处在全面部署，加快实施、深入推进的阶段，迫切需要研究信息物理系统的背景起源、概念内涵、构成要素、应用场景、发展趋势，以凝聚共识、统一认识更好的服务于制造强国建设。

何为CPS？开展CPS相关研究之前，我们对这一概念，即感到熟悉，又似乎陌生。首先我们一起追溯一下这一高能科技名词来源。CPS这一术语，最早由美国国家航空航天局（NASA）1992年提出，其后这个概念因为一次危机事件而被美国政府高度重视。

2006年美国国家科学基金会（NSF）科学家海伦·吉尔（Helen Gill）在国际上第一个关于信息物理系统的研讨会（NSF Workshop on Cyber-Physical Systems）上将这一概念进行详细描述。

Cyber这一单词可以追溯到希腊语“Kybernetes”（原意指的是希腊轮船上掌舵人），随后维纳创造了“Cybernetics”这个单词。1958年钱学森老先生的著作《Engineering Cybernetics》中文版发布，“Cybernetics”翻译为“控制论”。此后“Cyber”常作为前缀，应用于与自动控制、计算机、信息技术及互联网等相关的事物。

CPS自提出以来，引起了各国研究机构专家学者的广泛关注，白皮书梳理了国内外研究机构包括NIST、NSF、acatech及Jay Lee、Edward Lee、何积丰院士等各国机构及专家学者对CPS的认识。

但在综合分析并理解各国、专家对CPS的认识后，编写组对CPS的认识还存在一些困惑：

1.关于CPS清晰的定义与描述到底是什么？（原来的3C概念是否适用？）

2.CPS是有序传承还是一个全新世界？（自动化的演进？物联网的应用?）

3.都说CPS可大可小，小到多小？大到多大？（盲人摸象，局部和整体）

4.美德对CPS的研究报告对我国CPS发展有怎样借鉴？（CPS与工业4.0，CPS与工业互联网，CPS与两化融合？？）

5.中国到底该如何走CPS发展道路？（研究什么？推广什么？用在哪里？）

带着这些疑惑，我们走上了寻求答案并解决疑惑的编写之路。结合当前我国推动两化深度融合、《中国制造2025》、深化制造业与互联网融合发展的实践背景下，编写组试图在编制白皮书的过程中，尽力回答CPS是什么？怎么干？怎么用？怎么建？怎么推？几大问题，形成当下这一时间点我国对CPS的综合的理解。

此外，这里还要特别说明的几点：

1.白皮书不去追究哪种翻译更为准确，我们统一采用国务院文件中对CPS的中文描述：“信息物理系统”。

2.我们认为制造业是CPS的主要应用领域之一。本白皮书重点针对制造业领域进行研究并阐述观点。

3.欢迎社会各界专家学者提出建议，后续也会不断丰富完善白皮书的内容。

编制白皮书初期，我们参考了国内外研究机构专家学者的大量学术资料，从中吸纳借鉴严谨、明确的理论和认识，同时也深入分析了当前我国的工业环境和发展趋势，并与之结合，确定了CPS在我国的总体定位。

由定位出发，我们给出了CPS的定义和本质。进而从定位、定义、本质三个层面构成了我们对CPS一套认识体系。从认识体系上外延出CPS的层次性，使得我们对CPS有了较为清晰的认识。随着对CPS的认识不断深入，我们总结出CPS的典型特征。

定位、定义、本质、层次、特征构成了CPS的内涵，也就是白皮书第二章，解决了CPS【是什么】问题。

从第二章层次性出发，我们给出不同层次下的CPS的技术架构及技术需求，并形成了一套综合技术体系。从这套综合技术体系中，我们抽离出四大核心技术要素（一硬一软一网一平台）并给出了标准化方向，形成了CPS的具体实现内容，也就是白皮书第三章解决了【怎么干】的问题。

从第三章出发，我们给出了智能设计、智能生产、智能服务、智能应用等CPS四种应用场景，并按照不同的层次给出了建设路径。构成白皮书第四章，回答【怎么用】和【怎么建】的问题。

最后，从技术攻关和人才培养、综合标准体系建设、解决方案研究、生态建设四个方面给出了CPS的演进路径，即为白皮书第五章回答了【怎么推】。附录给出了具体的应用案例，进一步实际验证了本来对CPS内涵的阐述。对正文进行了补充。

为什么？是什么？怎么干？怎么用？怎么建？怎么推？及附录补充构成了本白皮的全部内容。我们也希望白皮书能够为后来专家学者更深入的研究提供一定的基础性参考。

长话短说，我们进入本次报告的主要内容，第三部分：如何理解白皮书？

理解白皮书主要内容之前，我想跟各位专家探讨一个问题：工业革命为什么会发展到今天这个局面？

【1.一个目标】

回顾工业革命300年来的发展史，我们发现工业革命正在从不断解放体力到不断解放脑力的过程演变发展。技术在不断演变，而对制造效率、成本、质量等资源优化配置的追求依然是永恒的目标。

【工业1.0时代】机械化装置的大量使用，优化了个体的体能资源，解决了个体【体能问题】。（搬不起来的东西，能移动了）

【工业2.0时代】劳动开始出现分工，同时电力驱动产品的大规模使用使得群体之间的协作成为了可能，多个个体分工协作流水线式的工作模式，优化了群体的体能资源，解决了工作【效率问题】。

【工业3.0时代】自动化生产控制系统引入，不仅极大的解放了群体体力，同时也解决了产品【质量问题】。

【工业4.0时代】在充分解决了体能、效率、质量的前提下，将人类个体的经验、知识模型化、代码化、软件化，并固化在装备中，使得装备能够自感知、自分析、自决策、形成较人类主观认识更为精准有价值的判断，并能自控制执行，成为这一时段的核心议题。因此我们认为这是解决【脑力问题】。

【2.二大空间】

从不断解放体力到不断解放脑力演变的这一过程中，也是人类关注重点在物理空间和信息空间之间的迁移过程。物理空间中，物理实体的【硬件提升是有限】，而人类对于制造资源的优化提高的【需求是无限的】。此时人们将更多的希望与期望寄托于一个新的空间：【信息空间】【希望无限】。CPS的产生的发展又很好地解决了这一问题。

CPS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，能够不断深化，实现制造业生产范式的重构。

从新一轮产业变革的全局出发，结合多年来推动两化融合的实践，我们对CPS的定位是：信息物理系统是支撑信息化和工业化深度融合的综合技术体系。我们把信息物理系统定位为支撑两化深度融合的一套综合技术体系，这套综合技术体系包含硬件、软件、网络、工业云等一系列信息通信和自动控制技术，这些技术的有机组合与应用，构建起一个能够将物实体和环境精准映射到信息空间并进行实时反馈的智能系统。

因此，在明确对CPS的定位之后，我们对CPS的定义是：信息物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，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。

【3.四个过程】

CPS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，这套系统能够将物理空间的各种【隐性数据】（尺寸、温度、气味等）不断采集传输到信息空间变成【显性数据】，在信息空间对数据进行分析理解转换成有价值的【信息】，并计算出一定目标约束下及一定范围内的最优解，形成对外部环境理解的【知识】储备，同时将这个最优解以物理空间物理实体能够接收的形式【优化数据】作用到物理空间。

这一变化数据需要历经四个过程【状态感知、实时分析、科学决策、精准执行】，通过这四个过程，数据不断往复循环，其形态不断发生改变，进而持续不断地【将数据背后蕴藏的价值对外释放】，为物理空间物理实体【赋予】实现资源优化配置这一根本目标的【能力】。这套系统就是CPS信息物理系统。

因此，我们认为CPS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。

【状态感知】就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态

【实时分析】就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化

【科学决策】就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享

【精准执行】就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应

【螺旋上升】数据在自动流动的过程中逐步由隐性数据转化为显性数据，显性数据分析处理成为信息，信息最终通过综合决策判断转化为有效的知识并固化在系统中，同时产生的决策通过控制系统转化为优化的数据作用到物理空间，使得物理空间的物理实体朝向资源配置更为优化的方向发展。从这一层面来看，数据自动流动应是以资源优化为最终目标“螺旋式”上升的过程。因此对于CPS的本质，可从另一个角度辅助来看。

【4.三个层次】

资源优化配置的范围可大可小，优化AGV小车路径、优化多台工业机器人协作、优化整个工厂生产规划，根据数据在不同的量级维度闭环自动流动，我们认为信息物理系统可以分为三个不同层次。因此，我们给出了单元级、系统级、SoS级对CPS层次的认识，来理解CPS在不同层次上的资源优化。

【单元级】具有不可分割性的信息物理系统最小单元。能够通过物理硬件（如传动轴承、机械臂、电机等）、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环。

【系统级】在单元级CPS的基础上，通过工业网络的引入，可以实现系统级CPS的协同调配。在这一层级上，多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS，典型如一条含机械臂和AGV小车的智能装配线。

【SoS级】在系统级CPS的基础上，可以通过构建CPS智能服务平台，实现系统级CPS之间的协同优化。在这一层级上，多个系统级CPS构成了SoS级CPS，如多条产线或多个工厂之间的协作，以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。

需要注意的是，任何一种层次的CPS都要具备基本的感知、分析、决策、执行的数据闭环，都要实现一定程度的资源优化。其信息空间的映射体不一定是视觉上与物理实体相似的模型，其重点是对该实体的关键数据（内、外部）进行数字化建模。

【5. 六大特征】

在不同层次上，我们总结发现CPS表现出六大典型特征：数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治。

【数据驱动】：状态感知的结果是数据；实时分析的对象是数据；科学决策的基础是数据；精准执行的输出还是数据。

【软件定义】：软件构建了工业领域中数据自动流动的规则体系，是业务、流程、组织的赋能工具和载体，解决了复杂制造系统的不确定性、多样性等问题。

【泛在连接】：CPS能够实现任何时间、任何地点、任何人、任何物之间顺畅通信。必需有强大的泛在网络连接。

【虚实映射】：CPS构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。

【异构集成】：CPS能够将大量的异构硬件、软件、数据、网络集成起来。

【系统自治】：CPS能够实现自组织、自配置、自优化。这六大特征是综合3个层次的CPS特点所体现出来的集合，是区别于其他系统或技术的典型特征。

【6. 技术架构】

第二章我们分析得到了CPS的三个层次。那么到底这个闭环赋能体系该如何去构建？第三章，我们从CPS的三个层次出发，讨论不同层次上的系统需要的技术架构。

【单元级CPS】是具备可感知、可计算、可交互、可延展、自决策功能的CPS最小单元，一个智能部件、一个工业机器人或一个智能机床都可能是一个CPS最小单元。其中，物理装置主要包括人、机、物等物理实体和传感器、执行器、与外界进行交互的装置等，是物理过程的实际操作部分。信息壳主要包括感知、计算、控制和通信等功能，是物理世界中物理装置与信息世界之间交互的接口。物理装置通过信息壳实现物理实体的“数字化”，信息世界可以通过信息壳对物理实体“以虚控实”。

【系统级CPS】基于多个单元级CPS的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。在单元级CPS功能的基础上，系统级CPS还主要包含互联互通、即插即用、边缘网关、数据互操作、协同控制、监视与诊断等功能。其中互连互通、边缘网关和数据互操作主要实现单元级CPS的异构集成；即插即用主要在系统级CPS实现组件管理，包括组件（单元级CPS）的识别，配置，更新和删除等功能；协同控制是指对多个单元级CPS的联动和协同控制等；监视与诊断主要是对单元级CPS的状态实时监控和诊断其是否具备应有的能力。

【SoS级CPS】是多个系统级CPS、单元级CPS的有机组合。例如多个工序（系统的CPS）形成一个车间级的CPS，或者形成整个工厂的CPS。从而对内进行资产的优化和对外形成运营优化服务。其主要功能包括：数据存储，数据融合，分布式计算、大数据分析，数据服务，并在数据服务的基础上形成了资产性能管理和运营优化服务。

【7. 技术需求】

根据不同层级CPS的技术架构所需技术的侧重，我们梳理出CPS不同层次上的技术需求。

单元级CPS技术需求是构建一个最基本的CPS单元时需要满足的技术需求，其技术需求主要包括：一是状态感知能力；二是对物理实体的控制执行能力；三是对数据的计算处理能力；四是对外交互和通信能力。

在单元级CPS的技术需求基础上，系统级CPS主要强调其组件之间的互联互通，并在此基础上着眼于对不同组件的实时、动态信息控制，实现信息空间与物理空间的协同和统一，同时需要对集成的计算系统、感知系统、控制系统与网络系统进行统一管理，所以归纳可得出系统级CPS除包含单元级CPS技术需求外还需关注：一是CPS之间的互联互通能力；二是系统内各组成CPS的管理和检测能力；三是系统内各组成CPS的协同控制能力。在系统级CPS技术需求基础上，参考SoS级CPS的体系架构，SoS级CPS所感知的数据更为真实、丰富多样、种类繁多，因此需要新的处理模式对数据进行融合分析提取其中潜在价值，从而提供更强的决策力、洞察力和流程优化能力。综合归纳其相对系统级CPS增加的技术需求主要是：一是数据存储和分布式处理能力；二是对外可提供数据和智能服务能力。

【8. 技术体系】

对不同层次CPS的技术架构和技术需求进行整理我们汇总出构成信息物理系统的技术体系。这套综合的技术体系包含：感知、计算、通信、控制、集成、安全等一系列能够构建数据闭环自动流动系统相关技术，分为：CPS总体技术（是一类系统性、总领性、跨层的技术）；CPS支撑技术（是一类通用的信息、通信、自动化技术）。CPS核心技术（是一类实现CPS关键特征、与工艺、流程、装备结合的技术）。

【9.四大要素】

对这套综合的技术体系进一步梳理，我们抽离出其中核心技术要素总结归纳为：

【一硬】（感知和自动控制）：智能感知技术（传感器技术等）、虚实融合控制技术。犹如：人体的皮肤、骨骼和肌肉，完成感控。

【一软】（工业软件）：嵌入式软件技术、MBD技术、CAX\MES\ERP软件技术等。犹如：人体的思维认识，世界观、价值观、方法论。是长时间学习形成。

【一网】（工业网络）：现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN。犹如：人体的经路脉络，可以像神经系统一样传递信息。

【一平台】（工业云和智能服务平台）：边缘计算、雾计算、云计算。犹如：人体的决策器官大脑，接收、存储、分析数据，并形成决策。

当然这里要说明一点，其他相关技术（如安全、总体设计等）依然对系统的构建和运行至关重要，在此我们更多的关注构建系统闭环的核心技术要素。

“新四基”（一硬一软一网一平台）与《中国制造2025》提出的“四基”（核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础）共同构筑了制造强国建设之基。

【10.标准化方向】

【顶层设计类】包括标准体系框架、实施综合标准化体系建设指南等。

【基础共性类】包括术语和概念、体系结构以及相关的评估规范等。

【关键技术类】MBD建模、异构集成、数据互操作、数据分析等技术要求及其测试规范、技术实现的过程与方法等

【应用类】用例、系统解决方案以及行业实施指南等。

【安全类】工业控制系统信息安全管理、风险评估、防护能力评估等。

【11.四大场景】

围绕“一二三四四六“白皮书第四章给出了CPS在【智能设计、智能生产、智能服务、智能应用方面的应用场景。下面分别介绍：

【智能设计】在产品及工艺设计、生产线或工厂设计过程中，借助于仿真分析手段使设计的精度得到大幅度提高，但由于缺少足够的实际数据为设计人员提供支撑，使得在设计、分析、仿真过程中不能有效模拟真实环境，从而影响了设计精度。所以需要建立实际应用与设计之间的信息交互平台，使得在设计过程中可以直接提取真实数据，通过对数据进行分析处理来直接指导设计与仿真，最后形成更优化的设计方案，提高设计精度，降低研制成本。

【智能生产】生产制造是制造业的核心环节，传统生产制造模式中的生产设备分散，且特殊设备处于高危区域中，所以造成生产设备的操作、监测、管理等极为不便。此外，因设备与设备之间的不能通信而造成生产制造过程缺乏协同性，从而出现设备闲置或设备不足的现象，造成生产资源及生产能力分配不合理和浪费。另一方面，由于缺乏数据传导渠道和工具，对生产制造过程中的状态、数据、信息很难进行传输和分析。CPS能够打破生产过程的信息孤岛现象，实现设备的互联互通，实现生产过程监控，合理管理和调度各种生产资源，优化生产计划，达到资源和制造协同，实现“制造”到“智造”的升级。

【智能服务】伴随着新工业革命的到来，先进制造模式和技术不断深化，用户在高精度和制造高效率方面的需求越来越突出，带来的是装备越来越智能化、产品模块越来越集成化，从而生产过程的精密性、自动化、数字化、智能化程度越来越高。企业大幅度提高生产效率的同时也面临着装备运行复杂、使用难度日益增大的困扰，这些无疑会对企业的管理和服务带来巨大挑战。企业需要能够保证装备在协同优化、健康管理、远程诊断、智能维护、共享服务等方面进行高效应用。利用CPS数据驱动、虚实映射、系统自治等应用特征，为解决上述需求提供了有效的手段。

【智能应用】通过“新四基”的体系性建设，实现CPS在制造业全产业链的创新应用，给制造业带来了新的思路：不只是生产产品，而是创造真正的用户价值，解决用户再生产过程中的焦虑（worry-free），令设计者和制造者通过提供服务的方式参与到使用者企业的再生产过程中，共创产业融合的分享型价值链。