支撐兩化深度融合的集大成者

鄧曉蕾

信息物理系統(tǒng)是支撐信息化和工業(yè)化深度融合的一套綜合技術(shù)體系，以“一硬、一軟、一網(wǎng)、一平臺(tái)”新四基為核心技術(shù)要素，打造了狀態(tài)感知、實(shí)施分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）因控制技術(shù)而起，因信息技術(shù)而興。它是德國工業(yè)4.0的核心技術(shù)，是美國未來六大顛覆性基礎(chǔ)領(lǐng)域的技術(shù)之一，也是我國推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的重要支撐。信息物理系統(tǒng)已成為各國再工業(yè)化戰(zhàn)略的突破口和落腳點(diǎn)，是搶占制造業(yè)變革制高點(diǎn)的關(guān)鍵。

基于信息物理系統(tǒng)的新型技術(shù)體系，正成為新一代信息技術(shù)革命的最重要潮流。任何新技術(shù)的發(fā)展與演進(jìn)都離不開標(biāo)準(zhǔn)。在全球再工業(yè)化的大背景下，信息物理系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，離不開標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)。去年，我國出臺(tái)的《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展指導(dǎo)意見》中將信息物理系統(tǒng)作為融合發(fā)展的支撐，明確提出了構(gòu)建信息物理系統(tǒng)參考模型和綜合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的工作任務(wù)。

3月1日，在工業(yè)和信息化部信息和軟件服務(wù)業(yè)司、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二部的指導(dǎo)下，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合CPS發(fā)展論壇的成員單位，共同研究、編撰形成的《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》）正式發(fā)布?！栋灼返木帉懯锹鋵?shí)《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》對(duì)信息物理系統(tǒng)的工作要求，是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展信息物理系統(tǒng)的迫切需要，重點(diǎn)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(yè)、企業(yè)各級(jí)單位提供參考?！栋灼芬彩菢I(yè)界在信息物理系統(tǒng)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(duì)信息物理系統(tǒng)內(nèi)涵和外延的深入挖掘，《白皮書》確定了對(duì)于CPS的“一個(gè)總體定位”，即信息物理系統(tǒng)是支撐兩化深度融合的一套綜合技術(shù)體系，其目標(biāo)是通過打通兩大空間（信息空間和物理空間）在數(shù)據(jù)閉環(huán)自動(dòng)流動(dòng)的四個(gè)過程（狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行）中實(shí)現(xiàn)“資源的優(yōu)化配置”?！耙挥病保ǜ兄妥詣?dòng)控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺(tái)”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)）即“新四基”是信息物理系統(tǒng)的四大核心技術(shù)要素。在數(shù)據(jù)閉環(huán)自動(dòng)流動(dòng)的過程中，表現(xiàn)出六大典型特征（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、軟件定義、泛在連接、虛實(shí)映射、異構(gòu)集成 、系統(tǒng)自治），作用于三個(gè)層次的（單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、SoS級(jí)）信息物理系統(tǒng)。

《白皮書》依據(jù)上述“一二三四四六”的總體思路，圍繞信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵、實(shí)現(xiàn)、建設(shè)與應(yīng)用、演進(jìn)進(jìn)行論述。

CPS是工業(yè)和信息技術(shù)范疇內(nèi)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)的綜合技術(shù)體系所構(gòu)成的系統(tǒng)，覆蓋廣泛，集成度高，滲透性強(qiáng)，創(chuàng)新活躍，是兩化融合支撐技術(shù)體系的集大成者。

建設(shè)CPS應(yīng)圍繞資源優(yōu)化是目標(biāo)、數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)是關(guān)鍵、工業(yè)軟件是核心、新型能力培育是主線、系統(tǒng)解決方案是重點(diǎn)展開。針對(duì)下一步的重點(diǎn)工作，安筱鵬認(rèn)為，要在正確認(rèn)識(shí)信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)、開展測(cè)試驗(yàn)證、組織試點(diǎn)示范、深化國際合作。

國標(biāo)委工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二部主任戴紅表示：“當(dāng)前對(duì)信息物理系統(tǒng)的本質(zhì)的內(nèi)涵、核心技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景還需要開展深入的研究，需要不斷統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，加深理解，要借助標(biāo)準(zhǔn)化這一有利的工具，匯聚信息技術(shù)、自動(dòng)化等領(lǐng)域的專家、企業(yè)和科研院所，科學(xué)、規(guī)范、創(chuàng)新地開展標(biāo)準(zhǔn)化工作?！?/p>

推進(jìn)信息物理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，是落實(shí)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要組成部分，也是統(tǒng)一認(rèn)識(shí)、推動(dòng)創(chuàng)新的重要手段。戴紅提出，開展信息物理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化要注重頂層規(guī)劃、整合資源，要積極接軌國際、加強(qiáng)合作交流。

CPS是智能制造的核心技術(shù)

《白皮書》關(guān)注的需求主要來自于制造行業(yè)。信息物理系統(tǒng)通過信息技術(shù)與制造要素的深度融合，構(gòu)建了一個(gè)信息空間與物理空間數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的閉環(huán)賦能體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的自主協(xié)調(diào)、智能優(yōu)化和持續(xù)創(chuàng)新，推動(dòng)制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展。在未來的制造業(yè)中，CPS涵蓋自動(dòng)化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運(yùn)輸，以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門和應(yīng)用領(lǐng)域，具有非常重要的意義。在生產(chǎn)系統(tǒng)方面，智能工廠的產(chǎn)品、資源和處理過程因CPS的存在，具有非常高水平的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、成本節(jié)約方面也頗具優(yōu)勢(shì)。

中國工程院院士李伯虎表示：“CPS的新內(nèi)涵可以理解為通過深度融合，利用先進(jìn)的計(jì)算、通信和控制技術(shù)，基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，將物理空間與信息空間連接為一體，使其中的人、機(jī)、物、環(huán)境信息等要素自主智能地感知協(xié)同、學(xué)習(xí)、分析、決策、執(zhí)行，協(xié)同化運(yùn)行，是在給定的目標(biāo)和時(shí)空約束下集成、優(yōu)化、運(yùn)行的一類系統(tǒng)?！?/p>

在CPS的新內(nèi)涵中將原內(nèi)涵中的計(jì)算技術(shù)拓展為信息技術(shù)，并提出融合智能技術(shù)的重要性。

李伯虎以航天科工打造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)——“航天云網(wǎng)”為例介紹說，平臺(tái)就是SoS級(jí)的賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)服務(wù)層，以及應(yīng)用層。目前，已經(jīng)構(gòu)建了三朵云：一朵是專有云，專為航天服務(wù)；第二朵是公有云，目前已有44萬家企業(yè)在上面；還有一朵是國際“一帶一路”云，今年將有100萬個(gè)企業(yè)在上面。平臺(tái)具有硬件、軟件能力，可以信息互通，資源共享，能力協(xié)同，互利共贏和開放。比如，若打造一個(gè)飛行器駕駛系統(tǒng)，首先要建立資源虛擬化仿真系統(tǒng)，這樣在終端上才能完成異構(gòu)、協(xié)同的仿真模型。

《白皮書》的內(nèi)容解讀

中國電子信息標(biāo)準(zhǔn)化研究院軟評(píng)中心副主任郭楠對(duì)《白皮書》的內(nèi)容進(jìn)行了解讀：

第一章簡(jiǎn)要介紹了信息物理系統(tǒng)的發(fā)展背景和面臨的問題，從宏觀層面回答了“為什么”發(fā)展信息物理系統(tǒng)的問題。同時(shí)對(duì)《白皮書》的編寫方法，以及相關(guān)問題進(jìn)行了說明。

第二章給出了《白皮書》對(duì)信息物理系統(tǒng)的定性描述，回答了信息物理系統(tǒng)“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(tǒng)的發(fā)展起源，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)信息物理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和我國當(dāng)前工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，從信息物理系統(tǒng)的定位、定義和本質(zhì)三個(gè)層面給出了《白皮書》的解答；其次考慮信息物理系統(tǒng)的層次性和系統(tǒng)性，對(duì)信息物理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)進(jìn)行了外延，給出了信息物理系統(tǒng)的最小單元，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展成三種不同的層次；最后總結(jié)歸納不同層次信息物理系統(tǒng)所呈現(xiàn)出來的特性，形成六大典型特征并詳細(xì)描述。

第三章提出了信息物理系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，回答了信息物理系統(tǒng)“怎么干”的問題。通過對(duì)第二章提出的三個(gè)層次信息物理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)需求進(jìn)行分析總結(jié)，給出了信息物理系統(tǒng)的技術(shù)體系，并對(duì)技術(shù)體系中相關(guān)技術(shù)歸納匯總出信息物理系統(tǒng)四大核心技術(shù)要素：“一硬”（感知和自動(dòng)控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）和“一平臺(tái)”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)），即“新四基”。圍繞嵌入式軟件、MBD、智能感知、虛實(shí)融合控制、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等方面對(duì)“新四基”中關(guān)鍵技術(shù)具體展開介紹。

第四章描繪了信息物理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用藍(lán)圖，回答了信息物理系統(tǒng)“怎么建”、“怎么用”的問題。從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)和應(yīng)用四個(gè)方面，分析現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)過程的現(xiàn)狀和問題，給出了依據(jù)信息物理系統(tǒng)的解決思路，并在具體的場(chǎng)景下，對(duì)信息物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的改造提升進(jìn)行了描述。最后，根據(jù)企業(yè)的不同階段，提出了信息物理系統(tǒng)建設(shè)路徑。

第五章給出了發(fā)展信息物理系統(tǒng)的演進(jìn)路徑，回答了信息物理系統(tǒng)“怎么發(fā)展”的問題。以問題導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，從技術(shù)攻關(guān)和人才培養(yǎng)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、解決方案研究和新生態(tài)建立四個(gè)方面提出了建議。

最后，《白皮書》附錄部分，從國內(nèi)外研究情況、企業(yè)的典型應(yīng)用、術(shù)語和縮略語三個(gè)方面對(duì)正文進(jìn)行了補(bǔ)充。