信息物理系統(tǒng)(cyber�瞤hysical *，CPS)因控制技術(shù)而起，因信息技術(shù)而興。信息物理系統(tǒng)通過(guò)集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。隨著制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合迅速發(fā)展壯大，信息物理系統(tǒng)作為一項(xiàng)顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，正成為支撐和引領(lǐng)全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)體系，驅(qū)動(dòng)著物理世界與信息世界的融合發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用，促使制造體系的重構(gòu)與制造范式的遷移，為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇。2006年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)*會(huì)(NSF)對(duì)CPS概念做了詳細(xì)描述，將其作為美國(guó)搶占全球新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的優(yōu)先議題。2013年，德國(guó)將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)建設(shè)等方面做出一系列戰(zhàn)略部署�！吨袊�(guó)制造2025》提出：基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革，要圍繞控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)云服務(wù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)等，加強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用�！秶�(guó)務(wù)院關(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》明確提出：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，建設(shè)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)和綜合驗(yàn)證試驗(yàn)床，支持開展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測(cè)試驗(yàn)證。當(dāng)前，面對(duì)搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的新形勢(shì)，面對(duì)以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向的戰(zhàn)略方針，應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)從單項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用向多業(yè)務(wù)綜合集成轉(zhuǎn)變，從單一企業(yè)應(yīng)用向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同應(yīng)用轉(zhuǎn)變，從局部?jī)?yōu)化向全業(yè)務(wù)流程再造轉(zhuǎn)變，從提供單一產(chǎn)品向提供一體化的產(chǎn)品 服務(wù)轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向柔性智能的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，從實(shí)體制造向?qū)嶓w制造與虛擬制造相融合的制造范式轉(zhuǎn)變。智能制造是制造系統(tǒng)的集成、制造體系的重建、制造模式的再造，基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革。面對(duì)信息化和工業(yè)化深度融合進(jìn)程中不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，如何全面充分認(rèn)識(shí)作為信息化與工業(yè)化深度融合的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)的綜合技術(shù)體系的信息物理系統(tǒng)，對(duì)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)至關(guān)重要。信息物理系統(tǒng)的本質(zhì)是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。2017年3月，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合中國(guó)信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇成員單位，共同研究編撰了《信息物理系統(tǒng)白皮書(2017)》，從為什么是什么怎么干怎么建怎么用怎么發(fā)展等方面對(duì)制造業(yè)CPS展開論述，業(yè)界基本達(dá)成信息物理系統(tǒng)能夠?qū)⒏兄�、�?jì)算、通信、控制等信息技術(shù)與設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、裝備等工業(yè)技術(shù)融合，能夠?qū)⑽锢韺?shí)體、生產(chǎn)環(huán)境和制造過(guò)程精準(zhǔn)映射到虛擬空間并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，能夠作用于生產(chǎn)制造全過(guò)程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期，能夠從單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)到系統(tǒng)之系統(tǒng)(SoS)級(jí)不斷深化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)范式的重構(gòu)的認(rèn)知，以及一個(gè)總體定位、連接兩大空間、作用三個(gè)層次、打通四個(gè)環(huán)節(jié)、四大技術(shù)要素、六大典型特征的理論共識(shí)。2017年10月，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院結(jié)合CPS測(cè)試驗(yàn)證組織了信息物理系統(tǒng)(CPS)應(yīng)用案例征集活動(dòng)，共收到案例35份，通過(guò)專家評(píng)審，共有28份案例入選案例集，在為期一年的校稿及出版流程后，*終于2019年4月正式印刷出版了《信息物理系統(tǒng)(CPS)典型應(yīng)用案例集》。典型行業(yè)共性建設(shè)方案是推動(dòng)CPS落地與發(fā)展的重要抓手，既可以促進(jìn)關(guān)鍵共性技術(shù)的突破，又可以推動(dòng)制造企業(yè)的個(gè)性化應(yīng)用。基于價(jià)值體系、建設(shè)模式選擇、建設(shè)實(shí)施的思路，信息物理系統(tǒng)可在汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)、石化行業(yè)、船舶行業(yè)和煙草行業(yè)落地應(yīng)用，形成不同模式的解決方案，為企業(yè)帶來(lái)不同的價(jià)值。信息物理系統(tǒng)(CPS)導(dǎo)論前言2018年，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭承擔(dān)了信息物理系統(tǒng)共性關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用推廣項(xiàng)目，建成信息物理系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法、系統(tǒng)化和模型化的測(cè)試過(guò)程，對(duì)共性關(guān)鍵技術(shù)開展測(cè)試驗(yàn)證，并能夠?qū)ν馓峁┓��?wù)；通過(guò)系統(tǒng)數(shù)字化模型、測(cè)試工具和用例的研發(fā)，使共性關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證能力顯著提升；通過(guò)知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)和資源庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的構(gòu)建，使知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)沉淀，持續(xù)優(yōu)化完善測(cè)試驗(yàn)證服務(wù)；通過(guò)服務(wù)門戶的建設(shè)，使共性技術(shù)與測(cè)試技術(shù)能夠得到有效推廣和應(yīng)用。2020年，在工業(yè)和信息化部信息技術(shù)發(fā)展司的指導(dǎo)下，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合制造業(yè)相關(guān)企業(yè)研究形成了《信息物理系統(tǒng)(CPS)建設(shè)指南》，立足于CPS有什么價(jià)值，探索CPS如何分步實(shí)施，著力推動(dòng)CPS的發(fā)展由理論共識(shí)轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐，打通CPS建設(shè)*后一公里問(wèn)題，助力制造企業(yè)在亂花漸欲迷人眼的概念叢林中，堅(jiān)定建設(shè)CPS的決心，在山重水復(fù)疑無(wú)路的實(shí)施困境中，提供CPS的建設(shè)模式。新基建對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)有著至關(guān)深遠(yuǎn)的影響，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等將為人類社會(huì)帶來(lái)重大變革。十九屆五中全會(huì)提出：加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)體系優(yōu)化升級(jí)。堅(jiān)持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)著力點(diǎn)放在實(shí)體經(jīng)濟(jì)上，堅(jiān)定不移建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，提高經(jīng)濟(jì)質(zhì)量效益和核心競(jìng)爭(zhēng)力。要提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈現(xiàn)代化水平，發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，統(tǒng)籌推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，推進(jìn)能源革命，加快數(shù)字化發(fā)展。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的過(guò)程，是在信息空間重建制造流程，并基于此不斷提升制造效率的過(guò)程。未來(lái)制造，將是基于信息物理系統(tǒng)的制造，將是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、軟件定義、平臺(tái)支撐的制造，將是實(shí)體制造與虛擬制造實(shí)時(shí)交互的制造，產(chǎn)品、設(shè)備、工藝流程都將以數(shù)字雙胞胎的形態(tài)出現(xiàn)。本書詳細(xì)介紹了CPS概念、認(rèn)識(shí)、架構(gòu)、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用、測(cè)試、發(fā)展等方面的理論知識(shí)、技術(shù)方法、應(yīng)用實(shí)踐。(1) 基礎(chǔ)篇：信息物理系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)、軟件、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)等信息技術(shù)與人員、機(jī)器、物料、環(huán)境、供應(yīng)鏈等制造要素的深度融合，構(gòu)建一個(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。(2) 認(rèn)識(shí)篇：信息物理系統(tǒng)不僅是一套技術(shù)體系，也是一套人類認(rèn)識(shí)和改造世界的新方法，還是一個(gè)制造業(yè)價(jià)值觀、方法論、發(fā)展模式和運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識(shí)框架。信息物理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)價(jià)值提升與業(yè)務(wù)流程再造的規(guī)則體系。信息物理系統(tǒng)構(gòu)建了物理空間和信息空間各要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，將物理空間設(shè)備、產(chǎn)線、工廠等物理環(huán)境以及研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造運(yùn)營(yíng)管理產(chǎn)品服務(wù)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，在信息空間相對(duì)應(yīng)地構(gòu)建起數(shù)字孿生設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生工藝、數(shù)字孿生流程、數(shù)字孿生產(chǎn)線、數(shù)字孿生產(chǎn)品等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全生命周期流程在信息空間的數(shù)字孿生重構(gòu)，并通過(guò)數(shù)字主線，實(shí)現(xiàn)各數(shù)字孿生體之間的數(shù)據(jù)貫通，通過(guò)數(shù)據(jù) 模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息知識(shí)策略的轉(zhuǎn)化，構(gòu)建起數(shù)據(jù)價(jià)值提升與業(yè)務(wù)流程再造的規(guī)則體系，即實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、知識(shí)模型化、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化、決策執(zhí)行化的邏輯閉環(huán)。(3) 架構(gòu)篇: 面對(duì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的重大窗口期，面對(duì)構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先、安全可控體系的歷史任務(wù)，我們需要借鑒國(guó)外優(yōu)秀的研究成果，需要系統(tǒng)總結(jié)中國(guó)兩化融合的多年實(shí)踐，更需要有領(lǐng)跑者思維和持續(xù)創(chuàng)新的勇氣，提出具有中國(guó)特色的信息物理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，增強(qiáng)產(chǎn)品和服務(wù)的定義能力、產(chǎn)業(yè)生態(tài)的駕馭能力。(4) 技術(shù)篇：開展信息物理系統(tǒng)的研究就是要構(gòu)建一套符合我國(guó)國(guó)情的信息化和工業(yè)化深度融合的技術(shù)體系，通過(guò)這套技術(shù)體系形成指導(dǎo)我國(guó)工業(yè)實(shí)踐的方法論、技術(shù)譜系、標(biāo)準(zhǔn)體系。當(dāng)前的技術(shù)體系可能會(huì)被未來(lái)的技術(shù)體系所顛覆，因此對(duì)信息物理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)的、演進(jìn)的、優(yōu)化的過(guò)程。同時(shí)，信息物理系統(tǒng)的建設(shè)，只有起點(diǎn)，沒(méi)有終點(diǎn)，是一個(gè)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用不斷深化的過(guò)程。(5) 標(biāo)準(zhǔn)篇：推進(jìn)兩化深度融合是一項(xiàng)富有創(chuàng)新性的偉大實(shí)踐，信息物理系統(tǒng)作為支撐兩化深度融合的綜合技術(shù)體系，是推動(dòng)制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的重要抓手。虛擬制造的應(yīng)用，將會(huì)經(jīng)歷從碎片化到一體化、從局部到全局、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的過(guò)程，逐漸涵蓋研發(fā)設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、服務(wù)運(yùn)營(yíng)的全流程，因此必須有標(biāo)準(zhǔn)支撐。(6) 應(yīng)用篇： 行業(yè)應(yīng)用試點(diǎn)示范是牽引技術(shù)應(yīng)用測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)體系建立的有效手段，應(yīng)從特定行業(yè)、特定應(yīng)用場(chǎng)景兩個(gè)角度來(lái)考慮試點(diǎn)示范工作的推進(jìn)思路。 一是開展信息物理系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)試點(diǎn)示范，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備互聯(lián)互通、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)資源優(yōu)化等領(lǐng)域，形成一批行業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目。 二是開展CPS行業(yè)系統(tǒng)解決方案試點(diǎn)示范，面向生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)線改造、數(shù)據(jù)共享、工藝流程改造、能耗智能管控等重點(diǎn)，通過(guò)匹配客戶需求和信息物理系統(tǒng)*佳實(shí)踐，以及可復(fù)制、可推廣的行業(yè)系統(tǒng)解決方案，建設(shè)應(yīng)用案例庫(kù)，形成邊研究、邊試點(diǎn)、邊推廣的聯(lián)動(dòng)模式。(7) 測(cè)試篇：測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)高效適配、安全可靠的關(guān)鍵載體，是整合產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新資源的重要手段，是當(dāng)前階段推廣普及信息物理系統(tǒng)的重要抓手。信息物理系統(tǒng)是構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)，為此，中國(guó)電子標(biāo)準(zhǔn)化研究院圍繞信息物理系統(tǒng)開展了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容、數(shù)據(jù)互操作、物理單元建模、異構(gòu)系統(tǒng)集成、工業(yè)信息安全等的測(cè)試工具開發(fā)及企業(yè)測(cè)試工作，圍繞信息物理系統(tǒng)測(cè)試及技術(shù)研發(fā)共編制了6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，分別是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容測(cè)試規(guī)范、數(shù)據(jù)互操作測(cè)試規(guī)范、物理單元建模測(cè)試規(guī)范、異構(gòu)系統(tǒng)集成測(cè)試規(guī)范、工業(yè)信息安全測(cè)試規(guī)范、工業(yè)網(wǎng)關(guān)技術(shù)要求，并于2018年9月正式獲得CNAS認(rèn)證資質(zhì)，成為全國(guó)首家具備信息物理系統(tǒng)正式測(cè)試能力的第三方機(jī)構(gòu)，共可測(cè)試3大類17小項(xiàng)。(8) 發(fā)展篇：信息物理系統(tǒng)在中國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展必須與中國(guó)的實(shí)踐相結(jié)合，從中國(guó)的工業(yè)實(shí)踐出發(fā)，體現(xiàn)對(duì)實(shí)踐規(guī)律的理論認(rèn)識(shí)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，從工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)施路徑和落地方案來(lái)看，信息物理系統(tǒng)不是傳統(tǒng)制造思維的線性延伸，不是傳統(tǒng)制造要素的全面展開，也不完全是制造階段的整體跨越，而應(yīng)該是適用性和先進(jìn)性、局部實(shí)現(xiàn)和整體實(shí)現(xiàn)的相對(duì)統(tǒng)一。本書全面性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性強(qiáng)，適合從事智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、兩化融合的專業(yè)人士閱讀，滿足從事CPS、數(shù)字孿生、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)人工智能等研究人員的需要，可以作為高校相關(guān)專業(yè)課程教材和產(chǎn)業(yè)專業(yè)用書，可以促進(jìn)我國(guó)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、高水平CPS產(chǎn)品及方案研發(fā)，為企業(yè)建設(shè)CPS落地及全面推廣奉獻(xiàn)力量，為培養(yǎng)不同層次的人才服務(wù)！本書由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院于秀明主任、西安電子科技大學(xué)孔憲光教授及中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院王程安撰寫。在本書編制過(guò)程中作者集思廣益，得到了國(guó)內(nèi)CPS領(lǐng)域的專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)的大力支持，賈超、蘇偉、馬洪波、黃琳、陳改革、鄭珂、杜玉琳、楊夢(mèng)培、張羽、夏曉峰、朱鐸先、陳虎、張明明、張星智、靳春蓉、丁研、楊春節(jié)、周訓(xùn)淼、吳庚、張瑞、張星星、張瀚文、楊卓峰、黃明吉、鄭舒陽(yáng)、李晗、呂立勇、王莉、逄新利、高誼、傅金泉、雷慧桃、安高峰、李永杰、董孝虎參與了本書的編制，西安電子科技大學(xué)智能制造與工業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心的程涵、楊勝康參與了本書的編制與校對(duì)，在此表示衷心的感謝。由于筆者水平有限，加之CPS領(lǐng)域發(fā)展日新月異，書中難免有不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。 作者2022年2月