美国NIST对CPS功能模型说明（Systems of Systems 系统的系统）
6
2006年末开始，美国家科学基金会将CPS列为重点领域进行资助，2007年在题为 《挑战下的领先-全球竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键的信 息技术，CPS位列首。2014年6月美国国家标准与技术研究院（NIST）汇集相关领 域专家，组建成立了CPS公共工作组（CPS PWG）联合企业共同开展 CPS 关键 问题的研究。2016年5月NIST正式发表了《信息物理系统框架》，截至2016年， 美国国家基金会投入了超过3亿美元来支持CPS基础性研究。
10
控制器
Cyber
传统数字控制视角
被控对象
Physical
全局闭环及优化
CPS视角
11
今天 明天
计算资源
云平台 服务
计算资源
网络
过程控制
过程控制
本地资源
本地资源
控制器即服务CaaS(Control as a Service)
12
在制造业中物理信息系统的发展
嵌入式系统
CPS组件
CPS系统
数字传感器
信息物理系统与智能制造
中国制造 2025
CPS 美国 德国
工业4.0
工业互联 网
同济大学中德学院
lqfan@toபைடு நூலகம்
樊留群
1. 信息物理系统CPS的起源及发展 2. CPS的理解及关键技术 3. 工业4.0与智能制造 4. 智能制造与CPS
2
一、信息物理系统CPS的起源及发展
工业4.0
CPPS系统 工业4.0
13
CPS组件
• 如机床主轴
7
CPS启动了人类构建虚拟信息世界的脚步
CPPS3
CPPSn
CPSn CPPS1
CPPSi CPPS2
物理世界，原子构成
信息世界，比特构成
CPPS3
CPPSn
CPSn CPPS1
CPPSi CPPS2
虚拟 世界
真实 世界
8
二、CPS的理解及关键技术
安全 性
自主 性
融合 性
实时 性
异构 性
分布 性
中国科学院
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，它通过计算进
何积丰院士
程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的
功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体
4
美国NIST定义的CPS功能模型
数字虚体 物理实体
互联域 融合域
其他的 CPS
5
Anywhere 任何地点
Anytime 任何时间
Anynetwork 任何网络
Anyservice 任何服务
Anyobject 任何对象
传感无所不在 连接无所不在 数据无所不在 计算无所不在 服务无所不在
9
信息物理系统融合
CPS通过实时感知，动态控制，有机融合，深度协作使物理进程的发展变化都伴随着 数字信息过程，在物理与信息的交互反馈中相互融合，从而影响物理过程的发展变化
数字孪生（Digital Twin） 随着CPS的发展，数字虚体在系统中的概念和作用逐渐明晰。数字虚体突破了传统信 息系统依附于物理实体，只是物理实体的被动眏像。在CPS中数字虚体可以独立存在 ，并与其它数字虚体和物理实体进行交互。在制造领域形成了数字孪生的概念，体现 了CPS对应用技术的影响。
自主自治 自主也是CPS有别于其他系统的突出特点，表现为CPS系统本身对任务和环境的自适 应，CPS群体的自组织。
一个信息物理系统包含计算、通信、和控制，它们紧密地与不同物理过程， 如机械、电子、和化学，融合在一起。
从实体空间对象、环境、活动大数据的采集、存储、建模、分析、挖掘、评
美国辛辛那提大学 Jay Lee教授[
估、预测、优化、协同，并与对象的设计、测试和运行性能表征相结合，产生 与实体空间深度融合、实时交互、互相耦合、互相更新的网络空间（包括机理 空间、环境空间与群体空间的结合）；进而，通过自感知、自记忆、自认知、
CPS
1948年
技术发展
嵌入式系统 网络通讯技术
等
2006年
2013年
市场需求
多品种小批量 智能化等
3
机构及学者
对CPS的观点
美国国家基金委员会（NSF
CPS是一种计算资源和物理资源紧密结合和协作的系统。未来的CPS在适应性、 自主性、效率、功能、可靠性、安全性和可用性方面均将远远超过现在的系统。
2009年德国《国家嵌入式系统技术路线图》[明确提出CPS将是德国继续领先未来 制造业的技术基础。2013年4月，在汉诺威工业博览会上德国正式推出工业4.0。 欧盟在2007年启动了ARTEMIS (Advanced research and technology for embedded intelligence and systems)等项目, 计划投入超过70亿美元到CPS相关 方面研究，2015年7月欧盟发布《CyPhERS CPS欧洲路线图和战略》，强调了 CPS的战略意义和主要应用的关键领域。依托 德国人工智能研究中心（ DFKI）,德 国开展了 CPS试验工作，建成了世界第一个CPPS试验室。
2015年提出“互联网+”协同制造概念，2016年提出了深化制造业与互联网融合发展， 进一步明确构建CPS参考模型和综合技术标准体系。2016年9月，工业和信息化 部电子工业标准化研究院联合国内百余家企事业单位发起成立信息物理系统发展 论坛。相关高校和研究机构纷纷开展CPS方面的研究工作。2013年,中船集团与美 国NSF-IMS中心联合成立海洋智能技术中心（OITC）,开展CPS技术在工业领域 的应用研究。同济大学也建立了国内第一个工业4.0实验室。
自决策、自重构和智能支持促进工业资产的全面智能化。
加利福尼亚大学 伯克利分校
Edward A. Lee
信息物理系统是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络 对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算和物理过程的相互影响。
信息物理系统从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计
美国国家标准与技术研究院CPS公共工作 信息物理系统将计算、通信、感知和驱动与物理系统结合，以实现有时间要
组（NIST CPS PWG
求的功能。它不同程度地与环境交互，包括与人的互动。
德国国家科学与工程院（ACATECH） 信息物理系统是基于嵌入式系统的演进技术，并把CPS作为工业4.0的核心。
欧盟第七框架计划[