工业互联网、信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）及智能制造，是当前工业界最为热门的三个名词，代表着新一轮工业革命中技术、模式与产业发展的重要方向。本章将对信息物理系统 CPS 的概念、技术特征及关键技术进行较为深入的分析，并从系统与技术角度，分别阐述工业互联网与CPS、智能制造的关系。
工业互联网、CPS及智能制造作为制造业与信息技术深度融合的关键领域，三者各具特征又密不可分。本书认为，CPS是工业互联网的重要使能技术，其核心技术支撑了工业互联网实现物理实体世界与虚拟信息世界的互联互通；智能制造是工业互联网的关键应用，通过工业互联网实现工业设备、资源与能力的接入、调度与协同，驱动制造活动的智能化实施。
工业互联网是具有前瞻性、全局性的系统工程，涉及工业和信息技术等领域的技术创新和产业融合发展。在各国工业互联网产业联盟的大力推动下，工业互联网的建设与应用得到快速发展，依托工业互联网的新产业业态正逐步形成。
信息物理系统作为国内外学术和科技领域研究开发的重要方向，最早由美国自然科学基金委员会（NSF）提出。随着德国“工业4.0”战略的提出与全球推广，CPS将成为各个企业优先选择发展的重点工业领域。
智能制造作为对新型自动化、数字化、信息化制造技术与模式应用的升级，或将引领新一轮工业革命，并将逐步成为构成未来新型工业体系的先进制造模式。
- 信息物理系统CPS
2006 年 10 月，美国自然科学基金委员会首次发起 CPS 专题讨论会，CPS正式进入业界视野；2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）提出了以CPS为首位的8种关键信息技术，再次掀起CPS的研究热潮。随着德国“工业 4.0”战略的提出与全球推广，CPS 在作为国内外学术和科技领域研究开发的重要方向的同时，也成为很多企业优先选择发展的重点产业领域和应用方向。
新的信息世界观认为，世界已由传统意义上的二元世界过渡到现代的三元世界。CPS的核心应用需求正是解决信息/物理二元融合的问题。按照学术界的看法，CPS实际上是对嵌入式计算机系统的进一步推广和发展，它最核心的构成应包括一些计算装置的集成（可能是多个在线计算机系统），这些计算装置可以互联通信，通过外部系统（物理世界）的传感器和执行机构与控制管理对象进行交互并实现反馈闭环。在工业互联网应用场景下，CPS可以是网络平台到现场层面的数字化、智能化系统，真正意义上系统地实现了工业生产过程信息/物理二元世界的双向交互与反馈闭环。由于CPS具有上述特性，它必将是智能制造的关键基础技术，受到了工业界的广泛关注。
各国科研学者从理论方法、涉及领域、构成、运行环境、系统设计和功能实现等各个方面对CPS进行了深度研究。但是，由于CPS继承融合了工业、信息及其他多个领域的不同技术，本身复杂度较高，加之不同领域的研究者的认知角度、研究方向各不相同，导致对CPS的理解也各有不同。业界、学术界也尚未对CPS完全达成共识，未能对CPS进行精准而全面的定义。因此我找到一个认为比较贴确的定义：CPS是通过先进的传感、通信、计算与控制技术，基于数据与模型，驱动信息世界与物理世界的双向交互与反馈闭环，使得信息/物理二元世界中涉及的人、机、物、环境、信息等要素自主智能的感知—连接—分析—决策—控制—执行，进而实现在给定的目标及时空约束下集成优化运行的一类系统。
信息物理系统具有以下四个技术特点：（1）以数据与模型为驱动。（2）感知与控制的交互闭环。（3）内嵌的计算能力。（4）严格的目标与时空约束。
- 信息物理系统的相关技术
CPS的相关技术从门类上说总体包括传感、通信、计算与控制四大类技术。本节将介绍包括传感器网络、物联网、边缘计算与工业控制等主要相关技术，并重点阐述其在 CPS 中扮演的作用及进一步发展的需求。
（1）CPS与无线传感器网络。
CPS 的作用对象的数据来自传感器，我们可以根据 CPS 的任务需要选择传感器种类，在一定区域内部署的大量微型传感器节点通过无线通信方式组成网络。这些传感器节点投放后，都具有经变换器与发送器不断向通信网络发送数据的能力，具体连接方式将根据网络协议来约定，是一种开环的感知模式。无线传感器网络的发展有效支撑了CPS 自主感知能力的实现，但CPS对此提出了更高的要求，要求其克服目前大多数传感器面临的节点数量受限、电池寿命有限、价格偏高等一系列问题。
（2）CPS与物联网。
物联网近年来在我国得到了高度重视和快速发展，其具体内容已在第三章中有所介绍，在此不再赘述。然而在产业界一直存在一类观点，即认为CPS与物联网在本质上是一类系统。但我认为，物联网是CPS的重要支撑。CPS具有更好的容错性、计算管理能力、协同能力和适应能力，能够处理不确定环境下的海量异构数据。而物联网依赖传统的小型嵌入式芯片，并不强调对海量信息的提取和计算。由此可见，物联网的发展为CPS的实现提供了一个物物相连的网络通信环境。随着 CPS 技术在工业互联网等大规模实时服务系统中的应用和普及，未来 RFID 等物联技术将实现对工业物理资源的实时精确调度和控制，而不仅仅是完成物品跟踪和监督。
（3）CPS与边缘计算。
边缘计算强化了 CPS 的嵌入式计算能力。CPS 由于其严格的目标与时空约束，要求终端设备能够对部分任务通过嵌入式计算快速进行初步解算与预决策，而不是上传云平台后等待控制与执行指令。因此，在某种程度上，CPS设备也必须具备计算设备所需的存储器和外部设备，甚至操作系统、语言处理系统、数据处理系统等，来支撑计算过程和物理过程的实时交互。此外，CPS更加关注边缘计算的实时性、安全性、可靠性、防御性、保密性及自适应等能力。
（4）CPS与工业控制系统。
工业控制系统是支撑 CPS 实现物理进程控制与执行的主要使能技术，但 CPS 又有别于现有的工业控制系统。现有的工业控制系统基本是封闭式系统，网络内部各个独立的子系统或者设备难以通过开放总线或互联网进行互联，通信的能力比较弱。而CPS是涉及信息和物理系统的智能控制系统，物理设备之间的协调离不开通信。因此，CPS把通信放在与计算和控制同等重要的地位上。CPS不仅在网络规模上超过现有的工控网络，也具有对网络中设备远程感知与控制的能力。
3、CSP是工业互联网的重要使能
CPS的核心能力是解决物理世界与信息世界二元融合的问题，将现实的物理世界映射为虚拟的数字模型，通过大数据分析，将最优的决策数据反馈给物理世界，优化物理世界运行效率，降低成本，提升安全水平。工业互联网强调的是对工业生产系统的感知、互联和计算，实现对生产过程和产品服务的优化。CPS能够有效运用工业互联网，实现物理实体世界与虚拟信息世界的感控闭环与双向交互，从而实现基于工业互联网的制造要素组织、集成与优化。因此，对于工业互联网与 CPS 的关系，因此我认为，CPS 是工业互联网的重要使能。以下将从技术维度、系统维度和业务维度，对此观点进行论述。
技术维度：CPS是工业互联网实现感控反馈回路的关键技术
从技术视角来看，CPS通过在物理系统中嵌入计算与通信内核，实现计算进程与物理进程的一体化，实现嵌入式计算机与网络对物理进程可靠、实时和高效的监测、协调与控制。CPS已经成为工业互联网实现感控反馈回路的关键技术。相应的感知设备通过感知、处理设备状态和环境信息数据，并将信息数据发送到信息层，信息层结合用户需求的改变，调整模型，将指令传送给物理层相关组件，通过实体间的自主协调，执行系统要求的操作。
系统维度：CPS是工业互联网联接物理执行系统的核心部件
CPS，从广义上来理解，就是一个在对环境和状态感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统。CPS不仅由传感器节点构成，还包含执行器、作动器，以保证CPS在监控时实时完成闭环交互控制，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。
实际上，在工业应用场景下，多数时候 CPS 是工业互联网联接物理执行系统的核心部件。工业互联网建立的工业网络能够有效实现工业要素（包括物理系统与工业资源能力）的互联互通。工业互联网的工业网络与工业云平台能够从系统角度实现对非执行物理系统（如传感器网络、数据采集设备等）及工业资源能力（如模型、信息系统、知识产权）的服务接入、资源调度、数据处理、分析决策等活动，但必须依托CPS实现面向机器/现场设备/生产线等物理执行系统的计算、控制与指令执行。工业互联网在云平台与物理执行单元之间都会构建适宜的 CPS，将物理执行单元改造成具有状态数据上报与控制指令接受功能的智能单元，进而实现更复杂的制造应用。
业务维度：CPS是工业互联网面向机器设备运行的优化闭环
从业务角度看，CPS的终极目标是构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的 CPS 网络，实现信息世界和物理世界的完全融合，改变人类构建工程物理系统的方式。然而在现阶段的技术条件与应用深度下，CPS的主要业务功能还只是实现机器设备等具备执行能力的物理系统的智能运行与动态优化，并可以逐步扩展至生产线、车间乃至工厂级。
我们在第二章中介绍工业互联网时提到了三大闭环，即面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环及面向企业协同、用户交互与产品服务优化的闭环。其中第一层面向机器设备运行优化的闭环是工业互联网与物理层要素关联的主要业务环节，其核心是基于对机器操作数据、生产环境数据的实时感知和边缘计算，实现机器设备的动态优化调整。工业互联网在这一层次的闭环，主要依托CPS来实现。因此，我们认为，CPS是工业互联网面向机器设备运行的优化闭环。
4、智能制造是工业互联网的关键应用
作为当前新一轮产业变革的核心驱动和战略焦点，智能制造是贯穿于设计、生产、管理、营销、售后等各环节，融合了物联网、互联网、大数据、云计算等新一代信息技术，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能制造具有以智能工厂为载体、以生产关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以全面深度互联为支撑四大特征。
智能制造与工业互联网有着紧密的联系，智能制造的实现主要依托两方面的基础能力，一是工业制造技术，包括先进装备、先进材料和先进工艺等，其是决定制造边界与制造能力的根本；二是工业互联网，包括智能传感控制软硬件、新型工业网络、工业大数据平台等综合信息技术要素，其是充分发挥工业装备、工艺和材料潜能，提高生产效率，优化资源配置效率，创造差异化产品和实现服务增值的关键。因此我们认为，智能制造是工业互联网的关键应用，是工业制造转型升级的重要模式。我们能通过工业互联网实现工业设备、资源与能力的接入、调度与协同，驱动制造活动的智能化实施。
技术维度：智能制造依赖工业互联网实现工业要素的自组织
作为支撑智能制造的关键综合信息基础设施，工业互联网将机器、人、控制系统与信息系统进行有效连接，全面深度感知、实时动态传输工业数据，通过高级建模分析，进行智能决策与控制，驱动制造业的智能化。在工业互联网几大要素中，网络是基础，数据是核心，安全是保障。基于网络的实时传输、高效的数据分析，在安全可信的前提下，工业互联网支持实现单个机器到生产线、车间、工厂乃至整个工业体系的智能决策和动态优化。
工业互联网结合了新一代信息技术与先进制造相关的软硬件技术，将信息连接对象由人扩展到有自我感知和执行能力的智能物体，属于信息通信技术创新成果的集中体现和互联网演进、发展的新阶段。
通过工业互联网将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施等集成互联，使人与人、人与机器、机器与机器及服务与服务之间能够智能互联。智能制造实现了关键制造环节与工厂的设备、系统和数据的集成优化，以及制造流程与业务数字化管控的智能化制造模式。因此，工业互联网成为支撑智能制造实现工业要素互联互通和自组织的核心技术。
系统维度：智能制造依托工业互联网建立平台应用生态
智能制造是信息化和工业化深度融合的主攻方向，是适应新一轮科技革命和产业变革的必然要求。实施智能制造离不开工业互联网这一关键基础设施的支撑。
为了构建能够实现工厂内设备、关键制造流程、制造系统和过程数据的集成优化及业务数字化管控的智能制造系统，必须解决两个方面的问题：一是实现工厂内各类设备、产线等制造单元的网络化互联；二是在智能制造系统中动态调用集成于工业互联网平台上的制造资源与能力服务。
业务维度：智能制造依靠工业互联网实现工厂内部智能化运行
我们前面提到，智能制造、协同制造及智慧云制造均是工业互联网的关键应用模式，是“两化融合”的延伸，是“互联网 制造业”的具体表现形式，都需要基于信息技术构建网络或平台，落脚点都是通过运用互联网技术推动并实现制造业的转型升级。
从业务维度来看，智能制造是智能化的制造过程、生产系统与运行模式的总称，通常局限于企业内部，可以在一台设备、一条生产线、一个车间或一个企业内部实现。
协同制造则聚焦于跨企业、异地和多专业的协作。协同制造并不是新鲜概念，传统的制造业就存在协同制造的形态，比如若干企业相互协作，制造出单一企业无法独立制造的产品。只不过互联网经济时代所称的“协同制造”具有特定的意义：通过工业互联网OTO（线上线下结合）的方式协同制造某一企业无法独立制造的产品，不仅更高效，而且协作配套过程更便捷，协作配套的选择余地更大。
云制造的概念则更加社会化。协同制造所对应的制造过程一般具有特定的、相对固定的协作配套关系，而云制造是在智能制造和协同制造的基础上再前进一步：制造过程的协作配套关系是随机的、不固定的，一旦任务完成即可解除配套关系。云制造真正反映了“工业互联网”的互联网特性。
由此看来，智能制造、协同制造及智慧云制造都需要通过工业互联网实现分布、异构的人、机、物各类工业要素的互联互通与优化运行，但其业务实施与资源整合的范围有所不同。
智能制造的核心业务目标，正是依靠工业互联网，实现工厂内部的智能化运行。
本文参照中国工信出版集团、电子工业出版社联合出版的《工业互联网技术与实践 第2版》一书，由魏毅寅、柴旭东著，若有侵权，联系删文。
