信息物理系統(tǒng)(cyber�瞤hysical *，CPS)因控制技術而起，因信息技術而興。信息物理系統(tǒng)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(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(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)作為一項顛覆性創(chuàng)新技術，正成為支撐和引領全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心技術體系，驅動著物理世界與信息世界的融合發(fā)展與創(chuàng)新應用，促使制造體系的重構與制造范式的遷移，為制造業(yè)高質量發(fā)展帶來了全新的發(fā)展機遇。2006年，美國國家科學*會(NSF)對CPS概念做了詳細描述，將其作為美國搶占全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭制高點的優(yōu)先議題。2013年，德國將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術，在標準制定、技術研發(fā)、驗證測試平臺建設等方面做出一系列戰(zhàn)略部署�！吨袊�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、工業(yè)云服務和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等，加強信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應用�！秶鴦赵宏P于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導意見》明確提出：構建信息物理系統(tǒng)參考模型和綜合技術標準體系，建設測試驗證平臺和綜合驗證試驗床，支持開展兼容適配、互聯(lián)互通和互操作測試驗證。當前，面對搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革競爭制高點的新形勢，面對以加快新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向的戰(zhàn)略方針，應實現(xiàn)信息技術從單項業(yè)務應用向多業(yè)務綜合集成轉變，從單一企業(yè)應用向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同應用轉變，從局部優(yōu)化向全業(yè)務流程再造轉變，從提供單一產(chǎn)品向提供一體化的產(chǎn)品 服務轉變，從傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向柔性智能的生產(chǎn)方式轉變，從實體制造向實體制造與虛擬制造相融合的制造范式轉變。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制造方式變革。面對信息化和工業(yè)化深度融合進程中不斷涌現(xiàn)的新技術、新理念、新模式，如何全面充分認識作為信息化與工業(yè)化深度融合的跨學科、跨領域、跨平臺的綜合技術體系的信息物理系統(tǒng)，對制造強國建設至關重要。信息物理系統(tǒng)的本質是構建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、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(xiàn)資源優(yōu)化。2017年3月，中國電子技術標準化研究院聯(lián)合中國信息物理系統(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)展等方面對制造業(yè)CPS展開論述，業(yè)界基本達成信息物理系統(tǒng)能夠將感知、計算、通信、控制等信息技術與設計、工藝、生產(chǎn)、裝備等工業(yè)技術融合，能夠將物理實體、生產(chǎn)環(huán)境和制造過程精準映射到虛擬空間并進行實時反饋，能夠作用于生產(chǎn)制造全過程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期，能夠從單元級、系統(tǒng)級到系統(tǒng)之系統(tǒng)(SoS)級不斷深化，實現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)范式的重構的認知，以及一個總體定位、連接兩大空間、作用三個層次、打通四個環(huán)節(jié)、四大技術要素、六大典型特征的理論共識。2017年10月，中國電子技術標準化研究院結合CPS測試驗證組織了信息物理系統(tǒng)(CPS)應用案例征集活動，共收到案例35份，通過專家評審，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)典型應用案例集》。典型行業(yè)共性建設方案是推動CPS落地與發(fā)展的重要抓手，既可以促進關鍵共性技術的突破，又可以推動制造企業(yè)的個性化應用�；�于價值體系、建設模式選擇、建設實施的思路，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)落地應用，形成不同模式的解決方案，為企業(yè)帶來不同的價值。信息物理系統(tǒng)(CPS)導論前言2018年，中國電子技術標準化研究院牽頭承擔了信息物理系統(tǒng)共性關鍵技術測試驗證平臺建設與應用推廣項目，建成信息物理系統(tǒng)測試驗證平臺，通過標準化的測試方法、系統(tǒng)化和模型化的測試過程，對共性關鍵技術開展測試驗證，并能夠對外提供服務；通過系統(tǒng)數(shù)字化模型、測試工具和用例的研發(fā)，使共性關鍵技術測試驗證能力顯著提升；通過知識庫、模型庫和資源庫、標準庫的構建，使知識與經(jīng)驗沉淀，持續(xù)優(yōu)化完善測試驗證服務；通過服務門戶的建設，使共性技術與測試技術能夠得到有效推廣和應用。2020年，在工業(yè)和信息化部信息技術發(fā)展司的指導下，中國電子技術標準化研究院聯(lián)合制造業(yè)相關企業(yè)研究形成了《信息物理系統(tǒng)(CPS)建設指南》，立足于CPS有什么價值，探索CPS如何分步實施，著力推動CPS的發(fā)展由理論共識轉向工程實踐，打通CPS建設*后一公里問題，助力制造企業(yè)在亂花漸欲迷人眼的概念叢林中，堅定建設CPS的決心，在山重水復疑無路的實施困境中，提供CPS的建設模式。新基建對中國經(jīng)濟有著至關深遠的影響，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帶來重大變革。十九屆五中全會提出：加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推動經(jīng)濟體系優(yōu)化升級。堅持把發(fā)展經(jīng)濟著力點放在實體經(jīng)濟上，堅定不移建設制造強國、質量強國、網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國，推進產(chǎn)業(yè)基礎高級化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，提高經(jīng)濟質量效益和核心競爭力。要提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈現(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)代服務業(yè)，統(tǒng)籌推進基礎設施建設，加快建設交通強國，推進能源革命，加快數(shù)字化發(fā)展。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的過程，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程。未來制造，將是基于信息物理系統(tǒng)的制造，將是數(shù)據(jù)驅動、軟件定義、平臺支撐的制造，將是實體制造與虛擬制造實時交互的制造，產(chǎn)品、設備、工藝流程都將以數(shù)字雙胞胎的形態(tài)出現(xiàn)。本書詳細介紹了CPS概念、認識、架構、技術、標準、應用、測試、發(fā)展等方面的理論知識、技術方法、應用實踐。(1) 基礎篇：信息物理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)、軟件、網(wǎng)絡、平臺等信息技術與人員、機器、物料、環(huán)境、供應鏈等制造要素的深度融合，構建一個信息空間與物理空間數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)賦能體系，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的自主協(xié)調、智能優(yōu)化和持續(xù)創(chuàng)新，推動制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展。(2) 認識篇：信息物理系統(tǒng)不僅是一套技術體系，也是一套人類認識和改造世界的新方法，還是一個制造業(yè)價值觀、方法論、發(fā)展模式和運行規(guī)律的認識框架。信息物理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)價值提升與業(yè)務流程再造的規(guī)則體系。信息物理系統(tǒng)構建了物理空間和信息空間各要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，將物理空間設備、產(chǎn)線、工廠等物理環(huán)境以及研發(fā)設計生產(chǎn)制造運營管理產(chǎn)品服務等業(yè)務環(huán)節(jié)，在信息空間相對應地構建起數(shù)字孿生設計、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，并通過數(shù)字主線，實現(xiàn)各數(shù)字孿生體之間的數(shù)據(jù)貫通，通過數(shù)據(jù) 模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息知識策略的轉化，構建起數(shù)據(jù)價值提升與業(yè)務流程再造的規(guī)則體系，即實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)化、知識模型化、數(shù)據(jù)業(yè)務化、決策執(zhí)行化的邏輯閉環(huán)。(3) 架構篇: 面對產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構建的重大窗口期，面對構建技術先進、產(chǎn)業(yè)領先、安全可控體系的歷史任務，我們需要借鑒國外優(yōu)秀的研究成果，需要系統(tǒng)總結中國兩化融合的多年實踐，更需要有領跑者思維和持續(xù)創(chuàng)新的勇氣，提出具有中國特色的信息物理系統(tǒng)的技術架構，增強產(chǎn)品和服務的定義能力、產(chǎn)業(yè)生態(tài)的駕馭能力。(4) 技術篇：開展信息物理系統(tǒng)的研究就是要構建一套符合我國國情的信息化和工業(yè)化深度融合的技術體系，通過這套技術體系形成指導我國工業(yè)實踐的方法論、技術譜系、標準體系。當前的技術體系可能會被未來的技術體系所顛覆，因此對信息物理系統(tǒng)的認識不是靜態(tài)的，而是動態(tài)的、演進的、優(yōu)化的過程。同時，信息物理系統(tǒng)的建設，只有起點，沒有終點，是一個認識和應用不斷深化的過程。(5) 標準篇：推進兩化深度融合是一項富有創(chuàng)新性的偉大實踐，信息物理系統(tǒng)作為支撐兩化深度融合的綜合技術體系，是推動制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的重要抓手。虛擬制造的應用，將會經(jīng)歷從碎片化到一體化、從局部到全局、從靜態(tài)到動態(tài)的過程，逐漸涵蓋研發(fā)設計、制造過程、服務運營的全流程，因此必須有標準支撐。(6) 應用篇： 行業(yè)應用試點示范是牽引技術應用測試和標準體系建立的有效手段，應從特定行業(yè)、特定應用場景兩個角度來考慮試點示范工作的推進思路。 一是開展信息物理系統(tǒng)技術平臺試點示范，在基礎數(shù)據(jù)采集、設備互聯(lián)互通、異構數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)資源優(yōu)化等領域，形成一批行業(yè)應用示范項目。 二是開展CPS行業(yè)系統(tǒng)解決方案試點示范，面向生產(chǎn)設備及生產(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，通過匹配客戶需求和信息物理系統(tǒng)*佳實踐，以及可復制、可推廣的行業(yè)系統(tǒng)解決方案，建設應用案例庫，形成邊研究、邊試點、邊推廣的聯(lián)動模式。(7) 測試篇：測試驗證平臺是實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)高效適配、安全可靠的關鍵載體，是整合產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新資源的重要手段，是當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)是構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎，為此，中國電子標準化研究院圍繞信息物理系統(tǒng)開展了標準協(xié)議兼容、數(shù)據(jù)互操作、物理單元建模、異構系統(tǒng)集成、工業(yè)信息安全等的測試工具開發(fā)及企業(yè)測試工作，圍繞信息物理系統(tǒng)測試及技術研發(fā)共編制了6項標準，分別是標準協(xié)議兼容測試規(guī)范、數(shù)據(jù)互操作測試規(guī)范、物理單元建模測試規(guī)范、異構系統(tǒng)集成測試規(guī)范、工業(yè)信息安全測試規(guī)范、工業(yè)網(wǎng)關技術要求，并于2018年9月正式獲得CNAS認證資質，成為全國首家具備信息物理系統(tǒng)正式測試能力的第三方機構，共可測試3大類17小項。(8) 發(fā)展篇：信息物理系統(tǒng)在中國的應用和發(fā)展必須與中國的實踐相結合，從中國的工業(yè)實踐出發(fā)，體現(xiàn)對實踐規(guī)律的理論認識。從本質上來說，從工業(yè)領域的實施路徑和落地方案來看，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，而應該是適用性和先進性、局部實現(xiàn)和整體實現(xiàn)的相對統(tǒng)一。本書全面性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和實踐性強，適合從事智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉型、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，可以作為高校相關專業(yè)課程教材和產(chǎn)業(yè)專業(yè)用書，可以促進我國數(shù)字化轉型升級、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CPS落地及全面推廣奉獻力量，為培養(yǎng)不同層次的人才服務！本書由中國電子技術標準化研究院于秀明主任、西安電子科技大學孔憲光教授及中國電子技術標準化研究院王程安撰寫。在本書編制過程中作者集思廣益，得到了國內(nèi)CPS領域的專業(yè)研究團隊的大力支持，賈超、蘇偉、馬洪波、黃琳、陳改革、鄭珂、杜玉琳、楊夢培、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)、周訓淼、吳庚、張瑞、張星星、張瀚文、楊卓峰、黃明吉、鄭舒陽、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，在此表示衷心的感謝。由于筆者水平有限，加之CPS領域發(fā)展日新月異，書中難免有不足之處，懇請廣大讀者批評指正。 作者2022年2月