张松鹏++黄俐
摘 要：信息物理系统是基于嵌入式设备、网络、软件、数据平台与物理对象（包括人）所构成的“智能联网信息系统”，已经成为美国、德国等国家的重要战略发展方向。作为智能制造发展的关键技术，信息物理系统是新一轮产业变革的核心驱动。但是，信息物理系统的发展尚处在初级阶段，共性关键技术及标准化缺失，而且国内缺乏系统级的信息物理系统共性关键技术的测试验证能力，同时，信息物理系统在制造行业的应用成果缺乏有效的推广手段。
关键词：信息物理系统；关键技术；测试验证；应用推广
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0205-02
信息物理系统（CPS）是基于嵌入式设备、网络、软件、数据平台与物理对象（包括人）所构成的“智能联网信息系统”。其中，软件是载体、数据是灵魂、集成是动力。本质是通过传感、通信、计算和控制等信息单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互，提升信息系统的数据感知、实时通信、数据处理、分析决策、精准控制等方面的能力，实现物理世界的自主协调、效率提升、性能优化与安全保障。
1 信息物理系统是当前国际竞争的制高点，是发达国家战略布局的主要方向
信息物理系统的概念最早由美国提出，随着一系列研究和实践的不断深入，信息物理系统当前已经成为美国、德国等推进再工业化战略的核心内容。2006年，在美国布什政府的“美国竞争力计划”中，首次提出信息物理系统的重要性，随后美国总统科技顾问委员会（PCAST）开展了一系列关于信息物理系统的研究，先后在2007年《竞争世界中的信息技术研发》、2011年《先进制造伙伴关系计划》、2012年“美国先进制造战略”、2014年《加速美国先进制造》等战略文件中将推动工业变革的先进技术聚焦在信息物理系统。当前，在“美国先进制造战略”优先发展的三大技术——先进传感控制和平台（ASCPM）、可视化信息化和数字制造（VIDM）、先进材料制造（AMM）中，前两项技术的本质均是信息物理系统。
美国国家标准和技术研究院（NIST）专门设立“工程实验室”，推进信息物理系统专项研究，目前重点推动涉及工业领域的项目主要包括两个方面：一是成立信息物理系统公共工作组，推动互操作标准、网络安全、网络与物理系统联合工程、无线连接、标准数据采集与分析五大方面标准研究；二是搭建一系列面向信息物理系统应用的专业性测试床，组织开展先进制造、网络安全、智能电网等领域信息物理系统设备、系统和标准的测试、验证和示范。
欧盟在2007年开始支持信息物理系统领域的研发，到2013年在“嵌入智能与系统的研究与技术（ARTMEIS）”项目上共投入约54亿欧元。2011年，德国在工业4.0战略中，明确提出要以信息物理系统为核心，推动智能生产和智能工厂，实现工业的智能化转型。2015年，在德国工业4.0平台发布的实施战略中，首次提出了工业4.0的参考架构，其核心功能的本质是通过打造信息物理系统推动纵向、横向和端到端三大集成。信息物理系统已经成为当前全球主要国家战略布局的重要方向。
除政府层面以外，以GE、思科、IBM、AT&T和Intel五大企业发起的“工业互联网联盟”为牵头，一批领先的企业在各个领域不断推动信息物理系统相关技术和标准的测试，加快信息物理系统应用的推广。例如，GE、SAP等企业加快推进面向信息物理系统的新型工业平台和工业APP研发，力图率先抢占未来竞争制高点。
2 信息物理系统是智能制造发展的关键技术，是新一轮产业变革的核心驱动
智能制造的发展主要依托两大方面技术，一是材料、工艺、装备等工业基础技术的创新和进步，二是物联网、云计算、大数据等新一代信息技术与工业融合的智能化技术，而后者集中体现为信息物理系统。信息物理系统是实现智能制造的重要手段，通过制造系统与信息交互系统的实时感知和动态控制，使得人、机、物真正融合在一起。信息物理系统通过对工业数据的采集、传输、建模、分析，形成对机器运行的优化参数和企业运营的管理决策，是软件定义机器、新型嵌入式系统、大数据分析决策、新兴工业控制平台等智能化生产要素的集中体现。从本质、核心架构、关键要素与核心技术来说，信息物理系统的内涵外延与工业互联网是一致的，均是智能制造的关键基础，是新一轮產业变革的核心驱动，酝酿出智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化制造等新模式新业态。
信息物理系统是我国智能制造重大工程落地实施的重要抓手，是“互联网+”深入到工业企业生产关键环节的必然选择。当前，“中国制造2025”国家战略已正式发布，成为未来中国制造强国建设“三步走”的第一个十年行动纲领。“中国制造2025”国家战略将智能制造作为两化深度融合的主攻方向，推进智能制造工程落地实施是战略的重要内容。智能制造工程强调关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间等内容，而一系列智能制造专项行动实施的关键要素和核心技术正是信息物理系统，发展信息物理系统将是智能制造工程的重要抓手。
“互联网+”行动计划的出台实施，将推动互联网和融合发展进入新的阶段。“互联网+工业”需要将互联网的技术和理念逐渐渗透至工业生产环节，在关键工序智能化方面形成新的模式，而这一过程的实现离不开智能机器嵌入式系统、新型工业平台、高端工业软件、工业大数据等信息物理系统技术的支撑。结合信息物理系统技术的“互联网+工业”将酝酿影响更为深刻的智能化模式与创新业态。
3 信息物理系统的发展尚处在初级阶段，共性关键技术及标准化缺失
从技术上来说，由于其复杂性和跨学科的特点，信息物理系统对工程和运营的可控性上提出了新要求。只有系统化的方法（系统论、系统工程）可以解决信息物理系统的核心问题，这会将问题聚焦在物理单元建模、数据互操作、标准协议兼容、异构系统集成、工业信息安全等共性关键技术上。物理单元建模包括物理组件、电子产品、生产流程、机械装备的建模等；数据互操作包括不同设备、软件之间的互操作；标准协议兼容包括网络技术结构、各种层次的通信和协议等；异构系统集成包括不同操作系统、数据库系统、应用软件、网络之间的集成；工业信息安全包括工业控制系统信息安全、人工智能安全、网络安全等。同时，在易用性和可靠性，前瞻性（能力演化），使用（人机交互，可接受性，人机工程学）等方面所面临的挑战也至关重要。endprint
目前，云制造、智能工厂、智能制造等新概念新模式层出不穷，业内对智能工业的概念认识不统一、核心關键要素不明确，这给制定战略、政策和规划带来了困难。只有标准先行，才能避免先乱后治的局面，才能凝聚行业共识，更好地引领信息物理系统在制造业的推广应用。国际上与信息物理系统相关的标准化工作业已开始。不同的机构，如国际电工委员会、欧盟、工业互联网联盟、互联网标准组织、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）等，都已开始关注信息物理系统有关的标准化工作。其中，NIST已发布《21世纪信息物理系统的战略使命和业务驱动力》、《21世纪信息物理系统的战略研究和开发机会》、《信息物理系统：当前的趋势、技术和挑战形式分析（草案）》等5份研究报告。
共性关键技术的标准化是资源合理利用、节约能源和节约原材料的有效途径，是信息物理系统发展的有效推动力，是在各领域应用推广信息物理系统的桥梁。制造业、信息安全、建筑物、防灾、智能电网等都急需标准化它们业内的信息物理系统。成功的信息物理系统标准化工作，将会促进中国智能制造，以及国外倡导的工业4.0、工业互联网的发展。信息物理系统的标准化工作，自然也必须和这些领域的标准化工作协调进行。
4 国内缺乏系统级的信息物理系统共性关键技术的测试验证能力
信息物理系统是对多种高新技术的有机融合，具备复杂系统的各类特点，对共性关键技术测试验证成为突破的重点领域。目前国外的爱达荷国家实验室、橡树岭国家实验室、西北太平洋国家实验室等均已开展研究，而我国在信息物理系统领域起步较晚，尚未开展体系化研究，缺少系统级的测试验证技术规范、工具及环境。测试验证平台的缺失阻碍了创新步伐，制约了发展后劲。
在此背景下，信息物理系统测试验证平台的建设刻不容缓。在信息物理系统设计、研发过程中通过测试验证技术识别系统风险并采取相应措施，系统的效费比将得到很大提升；在其运行、维护过程中通过测试验证技术，监测其运行状态，基于实时监测数据的基础上得到当前风险量化指标甚至预测下一时刻风险值，从而帮助用户对可能出现的风险及时响应，选取和实施高效、全面的安全措施，避免危险和损失的发生。信息物理系统的测试验证将为信息物理系统的安全运行提供了保障，为科学合理的安全决策奠定了理论基础，更为安全策略与防御措施的制定提供了指导，从而真正实现变“被动响应”为“主动防御”。可以说信息物理系统测试验证技术将极大的体现复杂系统科学与风险管理的根本思想，实现风险的控制、预测/预防，是未来信息物理系统科学的基础理论与技术发展中不可或缺的部分。
5 信息物理系统在制造行业的应用成果缺乏有效的推广手段
行业应用推广是牵引信息物理系统相关技术应用测试和标准体系建立的有效手段，而目前国内仍缺乏相应的渠道和方法。以信息物理系统核心组件为对象，建立通用性和专业性相结合的测试验证平台，有利于加速信息物理系统关键软硬件技术应用和产业化。测试验证平台可以集中优势资源、加快在制造业的技术应用推广，从而实现对政府、企业和行业应用的全面支撑，构建产学研用的产业链环境面向整个产业链。打造信息物理系统领域服务团队，产学研用相结合，可以支撑政府工作，协助政府进行政策的落实，协助企业进行产品和技术的提升，协助用户保证系统可靠设计、安全运行。特别是以智能车间的生产过程智能控制、智能工厂的研发运营虚拟仿真、智慧园区的企业间协同制造为重点，开展信息物理系统在相关场景的应用推广。endprint
