信息物理系統(tǒng)成功實(shí)踐的阻力與建議

張松鵬++黃俐

摘 要：信息物理系統(tǒng)是基于嵌入式設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、軟件、數(shù)據(jù)平臺(tái)與物理對(duì)象（包括人）所構(gòu)成的“智能聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)”，已經(jīng)成為美國、德國等國家的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向。作為智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，信息物理系統(tǒng)是新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)。但是，信息物理系統(tǒng)的發(fā)展尚處在初級(jí)階段，共性關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化缺失，而且國內(nèi)缺乏系統(tǒng)級(jí)的信息物理系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)的測試驗(yàn)證能力，同時(shí)，信息物理系統(tǒng)在制造行業(yè)的應(yīng)用成果缺乏有效的推廣手段。

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；測試驗(yàn)證；應(yīng)用推廣

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）20-0205-02

信息物理系統(tǒng)（CPS）是基于嵌入式設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、軟件、數(shù)據(jù)平臺(tái)與物理對(duì)象（包括人）所構(gòu)成的“智能聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)”。其中，軟件是載體、數(shù)據(jù)是靈魂、集成是動(dòng)力。本質(zhì)是通過傳感、通信、計(jì)算和控制等信息單元和物理對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高度集成與交互，提升信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知、實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)處理、分析決策、精準(zhǔn)控制等方面的能力，實(shí)現(xiàn)物理世界的自主協(xié)調(diào)、效率提升、性能優(yōu)化與安全保障。

1 信息物理系統(tǒng)是當(dāng)前國際競爭的制高點(diǎn)，是發(fā)達(dá)國家戰(zhàn)略布局的主要方向

信息物理系統(tǒng)的概念最早由美國提出，隨著一系列研究和實(shí)踐的不斷深入，信息物理系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)成為美國、德國等推進(jìn)再工業(yè)化戰(zhàn)略的核心內(nèi)容。2006年，在美國布什政府的“美國競爭力計(jì)劃”中，首次提出信息物理系統(tǒng)的重要性，隨后美國總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)（PCAST）開展了一系列關(guān)于信息物理系統(tǒng)的研究，先后在2007年《競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》、2011年《先進(jìn)制造伙伴關(guān)系計(jì)劃》、2012年“美國先進(jìn)制造戰(zhàn)略”、2014年《加速美國先進(jìn)制造》等戰(zhàn)略文件中將推動(dòng)工業(yè)變革的先進(jìn)技術(shù)聚焦在信息物理系統(tǒng)。當(dāng)前，在“美國先進(jìn)制造戰(zhàn)略”優(yōu)先發(fā)展的三大技術(shù)——先進(jìn)傳感控制和平臺(tái)（ASCPM）、可視化信息化和數(shù)字制造（VIDM）、先進(jìn)材料制造（AMM）中，前兩項(xiàng)技術(shù)的本質(zhì)均是信息物理系統(tǒng)。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）專門設(shè)立“工程實(shí)驗(yàn)室”，推進(jìn)信息物理系統(tǒng)專項(xiàng)研究，目前重點(diǎn)推動(dòng)涉及工業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目主要包括兩個(gè)方面：一是成立信息物理系統(tǒng)公共工作組，推動(dòng)互操作標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)聯(lián)合工程、無線連接、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集與分析五大方面標(biāo)準(zhǔn)研究；二是搭建一系列面向信息物理系統(tǒng)應(yīng)用的專業(yè)性測試床，組織開展先進(jìn)制造、網(wǎng)絡(luò)安全、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域信息物理系統(tǒng)設(shè)備、系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的測試、驗(yàn)證和示范。

歐盟在2007年開始支持信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域的研發(fā)，到2013年在“嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)（ARTMEIS）”項(xiàng)目上共投入約54億歐元。2011年，德國在工業(yè)4.0戰(zhàn)略中，明確提出要以信息物理系統(tǒng)為核心，推動(dòng)智能生產(chǎn)和智能工廠，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。2015年，在德國工業(yè)4.0平臺(tái)發(fā)布的實(shí)施戰(zhàn)略中，首次提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)，其核心功能的本質(zhì)是通過打造信息物理系統(tǒng)推動(dòng)縱向、橫向和端到端三大集成。信息物理系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前全球主要國家戰(zhàn)略布局的重要方向。

除政府層面以外，以GE、思科、IBM、AT&T和Intel五大企業(yè)發(fā)起的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”為牽頭，一批領(lǐng)先的企業(yè)在各個(gè)領(lǐng)域不斷推動(dòng)信息物理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的測試，加快信息物理系統(tǒng)應(yīng)用的推廣。例如，GE、SAP等企業(yè)加快推進(jìn)面向信息物理系統(tǒng)的新型工業(yè)平臺(tái)和工業(yè)APP研發(fā)，力圖率先搶占未來競爭制高點(diǎn)。

2 信息物理系統(tǒng)是智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)

智能制造的發(fā)展主要依托兩大方面技術(shù)，一是材料、工藝、裝備等工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，二是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)與工業(yè)融合的智能化技術(shù)，而后者集中體現(xiàn)為信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要手段，通過制造系統(tǒng)與信息交互系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)控制，使得人、機(jī)、物真正融合在一起。信息物理系統(tǒng)通過對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、建模、分析，形成對(duì)機(jī)器運(yùn)行的優(yōu)化參數(shù)和企業(yè)運(yùn)營的管理決策，是軟件定義機(jī)器、新型嵌入式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析決策、新興工業(yè)控制平臺(tái)等智能化生產(chǎn)要素的集中體現(xiàn)。從本質(zhì)、核心架構(gòu)、關(guān)鍵要素與核心技術(shù)來說，信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵外延與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一致的，均是智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)，是新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)，醞釀出智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化制造等新模式新業(yè)態(tài)。

信息物理系統(tǒng)是我國智能制造重大工程落地實(shí)施的重要抓手，是“互聯(lián)網(wǎng)+”深入到工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的必然選擇。當(dāng)前，“中國制造2025”國家戰(zhàn)略已正式發(fā)布，成為未來中國制造強(qiáng)國建設(shè)“三步走”的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)?！爸袊圃?025”國家戰(zhàn)略將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，推進(jìn)智能制造工程落地實(shí)施是戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。智能制造工程強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車間等內(nèi)容，而一系列智能制造專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施的關(guān)鍵要素和核心技術(shù)正是信息物理系統(tǒng)，發(fā)展信息物理系統(tǒng)將是智能制造工程的重要抓手。

“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的出臺(tái)實(shí)施，將推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和融合發(fā)展進(jìn)入新的階段。“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”需要將互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和理念逐漸滲透至工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在關(guān)鍵工序智能化方面形成新的模式，而這一過程的實(shí)現(xiàn)離不開智能機(jī)器嵌入式系統(tǒng)、新型工業(yè)平臺(tái)、高端工業(yè)軟件、工業(yè)大數(shù)據(jù)等信息物理系統(tǒng)技術(shù)的支撐。結(jié)合信息物理系統(tǒng)技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”將醞釀?dòng)绊懜鼮樯羁痰闹悄芑Ｊ脚c創(chuàng)新業(yè)態(tài)。

3 信息物理系統(tǒng)的發(fā)展尚處在初級(jí)階段，共性關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化缺失

從技術(shù)上來說，由于其復(fù)雜性和跨學(xué)科的特點(diǎn)，信息物理系統(tǒng)對(duì)工程和運(yùn)營的可控性上提出了新要求。只有系統(tǒng)化的方法（系統(tǒng)論、系統(tǒng)工程）可以解決信息物理系統(tǒng)的核心問題，這會(huì)將問題聚焦在物理單元建模、數(shù)據(jù)互操作、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容、異構(gòu)系統(tǒng)集成、工業(yè)信息安全等共性關(guān)鍵技術(shù)上。物理單元建模包括物理組件、電子產(chǎn)品、生產(chǎn)流程、機(jī)械裝備的建模等；數(shù)據(jù)互操作包括不同設(shè)備、軟件之間的互操作；標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)構(gòu)、各種層次的通信和協(xié)議等；異構(gòu)系統(tǒng)集成包括不同操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)之間的集成；工業(yè)信息安全包括工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全、人工智能安全、網(wǎng)絡(luò)安全等。同時(shí)，在易用性和可靠性，前瞻性（能力演化），使用（人機(jī)交互，可接受性，人機(jī)工程學(xué)）等方面所面臨的挑戰(zhàn)也至關(guān)重要。endprint

目前，云制造、智能工廠、智能制造等新概念新模式層出不窮，業(yè)內(nèi)對(duì)智能工業(yè)的概念認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一、核心關(guān)鍵要素不明確，這給制定戰(zhàn)略、政策和規(guī)劃帶來了困難。只有標(biāo)準(zhǔn)先行，才能避免先亂后治的局面，才能凝聚行業(yè)共識(shí)，更好地引領(lǐng)信息物理系統(tǒng)在制造業(yè)的推廣應(yīng)用。國際上與信息物理系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作業(yè)已開始。不同的機(jī)構(gòu)，如國際電工委員會(huì)、歐盟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟、互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組織、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）等，都已開始關(guān)注信息物理系統(tǒng)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中，NIST已發(fā)布《21世紀(jì)信息物理系統(tǒng)的戰(zhàn)略使命和業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)力》、《21世紀(jì)信息物理系統(tǒng)的戰(zhàn)略研究和開發(fā)機(jī)會(huì)》、《信息物理系統(tǒng)：當(dāng)前的趨勢、技術(shù)和挑戰(zhàn)形式分析（草案）》等5份研究報(bào)告。

共性關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化是資源合理利用、節(jié)約能源和節(jié)約原材料的有效途徑，是信息物理系統(tǒng)發(fā)展的有效推動(dòng)力，是在各領(lǐng)域應(yīng)用推廣信息物理系統(tǒng)的橋梁。制造業(yè)、信息安全、建筑物、防災(zāi)、智能電網(wǎng)等都急需標(biāo)準(zhǔn)化它們業(yè)內(nèi)的信息物理系統(tǒng)。成功的信息物理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，將會(huì)促進(jìn)中國智能制造，以及國外倡導(dǎo)的工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。信息物理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，自然也必須和這些領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作協(xié)調(diào)進(jìn)行。

4 國內(nèi)缺乏系統(tǒng)級(jí)的信息物理系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)的測試驗(yàn)證能力

信息物理系統(tǒng)是對(duì)多種高新技術(shù)的有機(jī)融合，具備復(fù)雜系統(tǒng)的各類特點(diǎn)，對(duì)共性關(guān)鍵技術(shù)測試驗(yàn)證成為突破的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前國外的愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室等均已開展研究，而我國在信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域起步較晚，尚未開展體系化研究，缺少系統(tǒng)級(jí)的測試驗(yàn)證技術(shù)規(guī)范、工具及環(huán)境。測試驗(yàn)證平臺(tái)的缺失阻礙了創(chuàng)新步伐，制約了發(fā)展后勁。

在此背景下，信息物理系統(tǒng)測試驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)刻不容緩。在信息物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)過程中通過測試驗(yàn)證技術(shù)識(shí)別系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)并采取相應(yīng)措施，系統(tǒng)的效費(fèi)比將得到很大提升；在其運(yùn)行、維護(hù)過程中通過測試驗(yàn)證技術(shù)，監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)量化指標(biāo)甚至預(yù)測下一時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)值，從而幫助用戶對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)響應(yīng)，選取和實(shí)施高效、全面的安全措施，避免危險(xiǎn)和損失的發(fā)生。信息物理系統(tǒng)的測試驗(yàn)證將為信息物理系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了保障，為科學(xué)合理的安全決策奠定了理論基礎(chǔ)，更為安全策略與防御措施的制定提供了指導(dǎo)，從而真正實(shí)現(xiàn)變“被動(dòng)響應(yīng)”為“主動(dòng)防御”?？梢哉f信息物理系統(tǒng)測試驗(yàn)證技術(shù)將極大的體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)與風(fēng)險(xiǎn)管理的根本思想，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的控制、預(yù)測/預(yù)防，是未來信息物理系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)發(fā)展中不可或缺的部分。

5 信息物理系統(tǒng)在制造行業(yè)的應(yīng)用成果缺乏有效的推廣手段

行業(yè)應(yīng)用推廣是牽引信息物理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用測試和標(biāo)準(zhǔn)體系建立的有效手段，而目前國內(nèi)仍缺乏相應(yīng)的渠道和方法。以信息物理系統(tǒng)核心組件為對(duì)象，建立通用性和專業(yè)性相結(jié)合的測試驗(yàn)證平臺(tái)，有利于加速信息物理系統(tǒng)關(guān)鍵軟硬件技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。測試驗(yàn)證平臺(tái)可以集中優(yōu)勢資源、加快在制造業(yè)的技術(shù)應(yīng)用推廣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)政府、企業(yè)和行業(yè)應(yīng)用的全面支撐，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境面向整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。打造信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域服務(wù)團(tuán)隊(duì)，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，可以支撐政府工作，協(xié)助政府進(jìn)行政策的落實(shí)，協(xié)助企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品和技術(shù)的提升，協(xié)助用戶保證系統(tǒng)可靠設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行。特別是以智能車間的生產(chǎn)過程智能控制、智能工廠的研發(fā)運(yùn)營虛擬仿真、智慧園區(qū)的企業(yè)間協(xié)同制造為重點(diǎn)，開展信息物理系統(tǒng)在相關(guān)場景的應(yīng)用推廣。endprint