2.2.1 信息物理系統

1 信息物理系統的基本概念

信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS），又可稱為“賽博物理系統”“信息物理融合系統”等，本書參考《中國制造2025》中的名詞定義，稱為“信息物理系統”。這個概念體現了信息空間和物理空間的互相融合，和數字孿生這一概念十分類似，這點也可以從國內相關學者對CPS的特征總結“數據驅動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構集成、系統自治”[38，39]中看到。CPS作為德國“工業4.0”中的核心系統，在2013年后引起了大家的關注。

CPS最早在1992年由NASA提出。2006年舉辦了國際上第一個關于CPS的會議，會議上，美國國家科學基金會（NSF）科學家Helen Gill對CPS的概念進行了詳細描述。CPS引起廣泛關注的同時，由于各國發展現狀不同，對于CPS的理解也有所不同。NSF認為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CPS中，計算被“深深嵌入”到物理系統中。CPS的功能由計算和物理過程交互實現。歐盟第七框架計劃指出CPS包含計算、通信和控制，它們緊密地與不同物理、機械、電子和化學過程融合在一起。工業和信息化部指導、中國信息物理系統發展論壇發布的《信息物理系統白皮書2017》對CPS的定義是，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[39]。

CPS的本質是構建一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動閉環賦能體系，通過狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行，解決實際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，如圖2-4所示。CPS內部的信息空間和物理空間、CPS之間、CPS和人之間都有連接。

CPS的四大核心技術要素分為“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）。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，對外提供資源控制和能力服務。

CPS具有層次性，一個智能部件、一臺智能設備、一條智能生產線、一個智能工廠都可以成為CPS。同時CPS還具有系統性，一個工廠可能涵蓋多條生產線，一條生產線也會由多臺設備組成，因此可將CPS層次劃分為單元級、系統級、體系（System of Systems，SoS）級三個層次。CPS構建了一個能夠聯通物理空間和信息空間，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。這套系統在有機運行過程中，表現出的典型特征有：數據驅動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構集成、系統自治。

CPS概念是隨“工業4.0”而為廣大用戶重視，但是CPS的概念不只是在制造領域，建筑、城市都可以看作是一個CPS系統或者CPS體系。

2 人-信息-物理系統

2018年，中國工程院周濟、李培根等院士發表了《走向新一代智能制造》，里面除了提出了“數字化-網絡化-智能化”這一智能制造范式外，還提出了“人-信息-物理系統”（Human CPS，HCPS）的概念[40]。

傳統制造系統包含人和物理系統兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務的系統，是一種“人-物理系統（HPS）”。信息系統（Cyber System）的引入使得制造系統同時增加了“人-信息系統”（Human-Cyber System，HCS）和“信息-物理系統”（Cyber-Physical System，CPS），并形成了HCPS。新一代人工智能技術的發展形成了新一代“人-信息-物理系統”（見圖2-5）。主要變化在于：第一，人將部分認知與學習型的腦力勞動轉移給信息系統，因而信息系統具有了“認知和學習”的能力，人和信息系統的關系發生了根本性的變化，即從“授之以魚”發展到“授之以漁”；第二，通過“人在回路”的混合增強智能，人機深度融合將從本質上提高制造系統處理復雜性、不確定性問題的能力，極大地優化了制造系統的性能。

從系統構成看，HCPS是以人為中心、由HPS進化而來，是由人、信息系統和物理系統有機集成的綜合智能系統，包括HPS、HCS、CPS等子系統，是當代和未來世界有效解決各種問題的一種普適形態和觀念，覆蓋人類生產和生活的方方面面。其中，物理系統是主體，是制造活動能量流與物質流的執行者；信息系統是主導，是制造活動信息流的核心，輔助或者代替人類對物理系統進行感知、認知、分析決策與控制，使物理系統以最優的方式運行；人是整個系統的主宰和關鍵，一方面，人是物理系統、信息系統的創造者，信息系統的“智能”是由人賦予的，另一方面，人也是系統的使用者、運營者和管理者。因此，無論物理系統還是信息系統都是為人類服務的。相比于傳統HPS中人對機械系統的直接作用，在HCPS中，部分勞動者從枯燥、繁瑣的體力勞動中解脫出來，物理系統（機械）可更好更快地完成大量機械工作（即機械自動化），同時信息系統也有效提高了腦力勞動的自動化水平（即知識自動化），解放了人類的部分腦力勞動。

HCPS的發展過程實際上也是信息技術不斷發展的過程，即從數字化（HCPS 1.0）、網絡化（HCPS 1.5）走向智能化（HCPS 2.0）。

3 CPS與數字孿生的關系

CPS和數字孿生都體現了泛在連接、虛實映射，因此，兩個概念有一定的聯系。CPS更多地可以看作是一個理念，而數字孿生是一種技術實現。從廣義上說，數字孿生系統可以看成是一個CPS系統或CPS體系，體現了物理對象和信息空間虛擬模型之間的互動。

CPS是一個系統的整體理念，它著重于控制。CPS的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行是一個單元或一個系統的完整功能，缺一不可。如果物理對象離開了信息空間對象的控制，可能就不能運行，不能實現全部功能。

數字孿生側重于信息空間的數字孿生體，通過數字孿生體的運作來更好地幫助物理系統的運行。從某種意義上說，如果沒有數字孿生體的支持，物理系統也可以運行，實現部分甚至全部的功能。以航天器的物理孿生來類比，地面上的孿生體如果發生故障不能運行，不會影響到太空中航天器的功能。從這個意義上說，數字孿生系統的“整體性”沒有CPS這個概念那么嚴格。

CPS概念及其實現能促進數字孿生系統的建設。從目前很多智能系統來說，其本身就是一個CPS單元或CPS系統，例如，數控機床、智能機器人等CPS單元，智能車間、智能交通系統等CPS系統，這些單元和系統都體現了信息空間和物理系統之間的互動，其數據、控制和管理模型等都存在于信息空間，為進一步構建數字孿生體實現數字孿生系統打下了堅實基礎。數字孿生系統也可以看作是CPS理念的一個具體應用實現。