【03.06 联想精英大侠】CPS是什么？如何看？怎么干？

二、四大技术要素：“一硬、一软、一网、一平台”是CPS的四大核心技术要素
美国国家科学基金会、美国国家标准与技术研究院、德国国家科学与工程院、欧盟第七框架计划等研究机构或科研项目对信息物理系统的概念、定义不尽相同，但总体来看，其本质就是构建一套赛博（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。状态感知就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态，实时分析就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化，科学决策就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享，精准执行就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应，这一切都依赖于一个实时、可靠、安全的网络。我们可以把这一闭环赋能体系概括为“一硬”（感知和自动控制）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和智能服务平台），即“新四基”。“新四基”与中国制造2025提出的“四基”（核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础）共同构筑了制造强国建设之基。
感知和自动控制是数据闭环流动的起点和终点。感知的本质是物理世界的数字化，通过各种芯片、传感器等智能硬件实现生产制造全流程中人、设备、物料、环境等隐性信息的显性化，是信息物理系统实现实时分析、科学决策的基础，是数据闭环流动的起点。与人体类比，可以把感知看作是人类接收外部信息的感觉器官，提供视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这“五觉”。自动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的精准执行，体现为一系列动作或行为，作用于人、设备、物料和环境上，如分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）及数据采集与监视控制系统（SCADA）等，是数据闭环流动的终点。与人体类比，根据指令信息完成特定动作和行为的骨骼和肌肉可以看作是控制的执行机构。
工业软件是对工业研发设计、生产制造、经营管理、服务等全生命周期环节规律的模型化、代码化、工具化，是工业知识、技术积累和经验体系的载体，是实现工业数字化、网络化、智能化的核心。简而言之，工业软件是算法的代码化，算法是对现实问题解决方案的抽象描述，仿真工具的核心是一套算法，排产计划的核心是一套算法，企业资源计划也是一套算法。工业软件定义了信息物理系统，其本质是要打造“状态感知-实时分析-科学决策-精准执行”的数据闭环，构筑数据自动流动的规则体系，应对制造系统的不确定性，实现制造资源的高效配置。与人体类比，工业软件代表了信息物理系统的思维认识，是感知控制、信息传输、分析决策背后的世界观、价值观和方法论，是通过长时间工作学习而形成的。
工业网络是连接工业生产系统和工业产品各要素的信息网络，通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术，能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系统的互联互通，以及物料、产品与人的无缝集成，并呈现扁平化、无线化、灵活组网的发展趋势。工业网络主要用于支撑工业数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行，是实现从单个机器、产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工具，是支撑数据流动的通道。物质（机械、如导线）连接、能量（物理场、如传感器）连接、信息（数字、如比特）连接、乃至意识（生物场，如思维）连接，为打造万物互联的世界提供了基础和前提。与人体类比，工业网络构成了经路脉络，可以像神经系统一样传递信息。
工业云和智能服务平台是高度集成、开放和共享的数据服务平台，是跨系统、跨平台、跨领域的数据集散中心、数据存储中心、数据分析中心和数据共享中心，基于工业云服务平台推动专业软件库、应用模型库、产品知识库、测试评估库、案例专家库等基础数据和工具的开发集成和开放共享，实现生产全要素、全流程、全产业链、全生命周期管理的资源配置优化，以提升生产效率、创新模式业态，构建全新产业生态。这将带来产品、机器、人、业务从封闭走向开放，从独立走向系统，将重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系，重构生产体系中信息流、产品流、资金流的运行模式，重建新的产业价值链和竞争格局。国际巨头正加快构建工业云和智能服务平台，向下整合硬件资源、向上承载软件应用，加快全球战略资源的整合步伐，抢占规则制定权、标准话语权、生态主导权和竞争制高点。与人体类比，工业云和智能服务平台构成了决策器官，可以像大脑一样接收、存储、分析数据信息，并分析形成决策。

三、三个层次体系：单元级、系统级、系统之系统级是CPS的三个层次
理解和认识信息物理系统要树立系统观和层次观，要深刻把握信息物理系统演进和发展的规律。具体来说，信息物理系统具有明显的层级特征，小到一个智能部件、一个智能产品，大到整个智能工厂都能构成信息物理系统。信息物理系统建设的过程就是从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不断向大系统、巨系统演进的过程，是从部门级到企业级、再到产业链级、乃至产业生态级演进的过程，是数据流闭环体系不断延伸和扩展的过程，并逐步形成相互作用的复杂系统网络，突破地域、组织、机制的界限，实现对人才、技术、资金等资源和要素的高效整合，从而带动产品、模式和业态创新。
单元级是具有不可分割性的信息物理系统最小单元。可以是一个部件或一个产品，通过“一硬”（如具备传感、控制功能的机械臂和传动轴承等）和“一软”（如嵌入式软件）就可构成“感知-分析-决策-执行”的数据闭环，具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能，典型如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。每个最小单元都是一个可被识别、定位、访问、联网的信息载体，通过在信息空间中对物理实体的身份信息、几何形状、功能信息、运行状态等进行描述和建模，在虚拟空间也可以映射形成一个最小的数字化单元，并伴随着物理实体单元的加工、组装、集成不断叠加、扩展、升级，这一过程也是最小单元在虚拟和实体两个空间不断向系统级和系统之系统级同步演进的过程。
系统级是“一硬、一软、一网”的有机组合。信息物理系统的多个最小单元（单元级）通过工业网络（如工业现场总线、工业以太网等，简称“一网”），实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作，进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。系统级CPS基于多个单元级最小单元的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。由传感器、控制终端、组态软件、工业网络等构成的分布式控制系统（DCS）和数据采集与监控系统（SCADA）是系统级CPS，由数控机床、机器人、AGV小车、传送带等构成的智能生产线是系统级CPS，通过制造执行系统（MES）对人、机、物、料、环等生产要素进行生产调度、设备管理、物料配送、计划排产和质量监控而构成的智能车间也是系统级CPS。
系统之系统级（即SoS级）是多个系统级CPS的有机组合，涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SoS级CPS通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。基于大数据平台，通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资源、建设开发社区，加快各类工业APP和平台软件的快速发展，形成一个赢者通吃的多边市场，构建一个新的产业生态。西门子Mindsphere、GE Predix以及海尔COSMO、PTC的Thing Worx等软件和大数据平台，通过实现横向、纵向和端到端集成，形成了开放、协同、共赢的产业新生态，体现了SoS级CPS的发展方向。

四、五点统一认识：继承性与创新性统一、理论性与指导性统一、阶段性与演进性统一、层次性与系统性统一、实体制造与虚拟制造统一
一部工业革命的断代史，就是一部具有划时代意义的颠覆性产品的创新史，从蒸汽机到电动机，从手摇机床到数控机床，从阿帕网到互联网，从功能手机到智能手机，都预示一个新时代的开始。信息物理系统作为一项颠覆性创新技术，正在带来制造体系的重构与制造范式的迁移，昭示着人类正进入新工业革命时代。认识信息物理系统，需要坚持五个统一。
继承性与创新性的统一。信息技术产业的发展史，就是一部传承与颠覆、追赶与超越、竞合与重生相互交织的发展史。信息物理系统是新一轮产业革命的奥林匹克，它永恒的主题是更高更快更强，是如何超越和不被超越。信息物理系统由美德等发达国家提出，我们看到的是基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革，其背后是一个国家对产业生态的驾驭能力，是一个国家实力的消涨。面对产业生态系统构建的重大窗口期，面对构建技术先进、产业领先、安全可控的历史任务，我们需要继承国外优秀的研究成果，需要系统总结中国两化融合的多年实践，更需要有领跑者思维和持续创新的勇气，提出具有中国特色的信息物理系统的技术架构，增强产品和服务的定义能力、产业生态的驾驭能力。
理论性与指导性的统一。信息物理系统不仅仅是一套技术体系，也是一套人类认识和改造世界的新方法，是一套制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。信息物理系统在中国的应用和发展必须与中国的实践相结合，从中国的工业实践出发，体现对实践规律的理论认识。从本质上来说，开展信息物理系统的研究就是要构建一套符合我国国情的信息化和工业化深度融合的技术体系，通过这套技术体系形成指导我国工业实践的方法论、技术谱系、标准体系。因此，我们提出信息物理系统包含"一硬、一软、一网、一平台"四大技术要素，让信息物理系统这一概念在我国真正落地。
阶段性与演进性的统一。当前，我们正处在一个技术变革的时代，信息技术发展日新月异，颠覆、跨界、融合、生态、创新将是信息技术产业的主题。对信息物理系统而言，技术在发展，产品在创新，体系在重建，能够实现感知、分析、决策、执行等环节的新技术将会不断涌现，当前的技术体系可能被未来的技术体系所颠覆，因此对信息物理系统的认识不是静态的，而是动态的、演进的、优化的过程。同时，信息物理系统的建设，只有起点，没有终点，是一个认识和应用不断深化的过程。白皮书体现了当前阶段对信息物理系统的认识，随着对信息物理系统认识的加深，理解的深入，需要对白皮书不断更新，对技术体系建设不断完善。
层次性与系统性的统一。信息技术扩散、融合、应用的内在逻辑是在比特的汪洋中重构原子的运行轨道，信息物理系统建设就是在比特的世界中构建物质世界的运行框架和体系，是以数据自动流动实现资源优化，这将是一个从局部到全局、从初级到高级、从单机到系统逐步演进的过程。信息物理系统层次性体现为最小单元叠加成为小系统，小系统叠加成为大系统，大系统叠加构建成巨系统，这带来资源优化配置从单点到多点、从静态到动态、从低级到高级的跃升。感知、通信、计算、控制相互作用构成了信息物理系统的基本形态，其不断叠加形成的复杂巨系统是信息物理系统演进的最终形态，"一硬、一软、一网、一平台"既是信息物理系统相对独立的四大技术要素，也是相互融合、互相促进的集成系统，这是CPS系统性的集中体现。从工业领域的实施路径和落地方案来看，智能制造不只是"黑灯工厂"，不只是"机器换人"，不单纯是设备改造，也不是简单地软件堆叠，而是制造系统的集成、制造体系的重建、制造模式的再造。对于信息物理系统而言，其不是传统制造思维的线性延伸，不是传统制造要素的全面展开，也不完全是制造阶段的整体跨越，而应该是适用性和先进性、局部实现和整体实现的相对统一。
实体制造和虚拟制造的统一。ICT对人类社会带来的重大变革是创造一个新世界：信息空间。制造业数字化、网络化、智能化的过程，是在信息空间重建制造流程，并基于此不断提升制造效率的过程。未来制造，将是基于信息物理系统的制造，将是数据驱动、软件定义、平台支撑的制造，将是实体制造与虚拟制造实时交互的制造，无论是产品、设备、工艺流程都将以数字双胞胎的形态出现。虚拟制造的应用，将会经历从碎片化到一体化、从局部到全局、从静态到动态的过程，逐渐涵盖研发设计、制造过程、服务运营的全流程。

六、六项重点任务：加强顶层设计、夯实技术基础、推动测试验证、组织试点示范、强化信息安全、深化国际合作
当前，信息物理系统相关技术和产业仍处在起步期，应抢抓机遇、提早布局、整合资源、重点突破，抢占发展主动权。当前，要将基于CPS的产业生态系统培育和构建作为新一轮产业变革的制高点，将技术产业发展、测试平台建设、解决方案推广作为生态建设的三大环节。具体地，要以加强顶层设计为基础，以突破技术和产业瓶颈为关键，以强化工业信息安全为保障，加强国际合作，通过搭建测试验证公共服务平台推进相关技术应用的测试验证，以面向特定行业的应用示范带动相关技术和系统解决方案的产业化。
加强顶层设计。信息物理系统是工业和信息技术跨界交织、深度融合的新型技术体系，涉及多技术、多标准、多领域，需要加大统筹协调力度，加强顶层设计。一是持续跟踪信息物理系统技术、产业、应用发展趋势，凝聚行业发展共识，发布并不断更新《信息物理系统白皮书》，在《中国制造2025》、《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》的战略部署中，强化相关任务的落实。二是加快制定信息物理系统参考架构，形成信息物理系统发展的路线图，牵引和指导技术标准、技术研发、实验验证、应用推广等工作全面展开。三是完善标准体系，编制信息物理系统综合标准化建设指南，开展基础共性标准、关键技术标准和行业应用标准的研制，加快构建信息物理系统术语、数据和信息模型等基础标准，工业大数据、工业云、工业软件等平台和软件标准，以及传感控制、生产设施、工业网络等领域的标准体系。
夯实技术基础。信息物理系统技术演进正处于新旧融合、快速迭代、多方博弈的新阶段，当前要以“一硬、一软、一网、一平台”为重点，加大支持力度，推进关键技术研发和产业化。一是提升感知与自动控制产业支撑能力，突破核心芯片、驱动器、现场总线、工业以太网等关键器件和技术的发展瓶颈，加快推动智能传感器、可编程逻辑控制器、分布式控制系统、数据采集与监控系统等研发和产业化。二是实施工业技术软件化工程，促进软件技术与工业技术深度融合，重点突破工业嵌入式软件、制造执行系统等传统工业软件，虚拟仿真、工业数据分析等新型工业软件，提升工业软件的集成应用能力。三是建设工业云和智能服务平台，围绕智能装备接入工业云的数据采集、网络连接和调度管理等重点环节，突破通信协议、数据接口、数据分析等关键技术，提升工业云平台系统解决方案供给能力，推动工业设计模型、数字化模具、产品和装备维护知识库等制造资源向全社会的开放共享，鼓励培育基于平台的新型生产组织模式。四是推动工业网络发展，制定工业互联网总体体系架构方案，明确关键技术路径，加快IPv6、泛在无线等技术在工厂内部网络的部署，推动软件定义网络、5G等技术在网络基础设施中的应用。
开展测试验证。测试验证平台是实现信息物理系统高效适配、安全可靠的关键载体，是整合产业链创新资源的重要手段，是当前阶段推广普及信息物理系统的重要抓手。美工业互联网、德工业4.0平台组织几百家企业参与近百个各类测试床建设。当前要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应用测试验证平台，加速信息物理系统关键软硬件技术应用和产业化，依托平台汇聚产业和打造生态系统。一是建设信息物理系统通用性技术测试验证平台，以“一硬、一软、一网、一平台”为重点，开展通用性技术的可靠性、开放性、互通性测试验证，促进相关通用性标准的建立和行业应用的推广。二是建设面向特定行业应用的专业性测试验证平台，围绕钢铁、石化、航空等不同重点行业，建设通用性网络和生产试验床，开展设备和系统互通性、系统解决方案及技术测试验证，验证实现通用性技术在特定生产环境、生产工艺下的适用性和可用性稳定性和鲁棒性。三是支持研究院所、运营商、设备商及制造企业建设面向信息物理系统的工业网络测试验证平台建设，推动SDN、5G等新型工业网络技术在工业中的应用。四是建设信息物理系统体验中心，聚焦具体行业领域，模拟客户现场真实环境，开展解决方案、最佳实践等示范、演示和推广示范。
组织试点示范。行业应用试点示范是牵引技术应用测试和标准体系建立的有效手段，应从特定行业选择、特定应用场景两个角度来考虑试点示范工作的推进思路。一是开展信息物理系统技术平台试点示范，在基础数据采集、设备互联互通、异构数据集成、生产资源优化等领域，形成一批行业应用示范项目。二是开展CPS行业系统解决方案试点示范，面向生产设备及生产线改造、数据共享、工艺流程改造、能耗智能管控等重点，通过匹配客户需求和信息物理系统最佳实践，可复制、可推广的行业系统解决方案，建设应用案例库，形成边研究、边试点、边推广的联动模式。三是开展部省共建，以信息物理系统在区域落地为重点，通过强化省部资源统筹，建设国家创新中心、测试验证平台、试点示范项目、紧缺人才培养等，建设一批信息物理系