1.信息物理系统的概念

1.1信息物理系统的来源

        信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）这一术语，最早由美国国家航天局于1992年提出，到2006年，美国国家科学基金会科学家海伦 •吉尔在国际上第一个关于信息物理系统的研讨会上将这一概念进行了详细描述。

        信息物理系统是控制系统、嵌入式系统的扩展与延伸，其涉及的相关底层理论技术源于对嵌入式技术的应用与提升。在云计算、新型传感、通信、智能控制等新一代信息技术的迅速发展与推动下，信息物理系统顺势出现。

1.2CPS的本质和定义       

        CPS是多领域、跨学科不同技术融合发展的结果。CPS已经引起了国内外的广泛关注。通过对现有各国科研机构及学者的观点进行系统全面研究综合得出CPS的定义，即：CPS通过集成先进感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、实时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。 

2.CPS的实现         

2.1CPS的体系架构

        1）单元级CPS体系架构

        单元级CPS是具有不可分割性的CPS最小单元，其本质是通过软件对物理实体及环境进行状态感知、计算分析，并最终控制到物理实体，构建最基本的数据自动流动的闭环，形成物理世界和信息世界的融合交互。同时，为了与外界进行交互，单元级CPS应具有通信功能。单元级CPS是具备可感知、可计算、可交互、可延展、自决策功能的CPS最小单元，一个智能部件、一个工业机器人或一个智能机床可能是一个CPS最小单元。 

        2）系统级CPS体系架构

        在实际运行中，任何活动都是多个人、机、物共同参与完成的。例如，在制造业中，实际生产过程中的冲压可能是有传送带进行传送，工业机器人进行调整，然后由冲压机床进行冲压，这是多个智能产品共同活动的结果，这些智能产品组合在一起就形成了一个系统。

        系统级CPS基于多个单元级CPS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。在单元级CPS功能的基础上，系统级CPS还主要包含互联互通、即插即用、边缘网关、数据互操作、协同控制、监视与诊断等功能。

        3）SoS级CPS体系架构

        多个系统级CPS的有机组合构成SoS级CPS。例如，多个工序（系统的CPS）形成一个车间级的CPS或者形成整个工厂的CPS。

        SoS级CPS主要实现数据的汇聚，从而对内进行资产的优化和对外形成运营优化服务。其主要功能包括：数据存储、数据融合、分布式计算、大数据分析、数据服务，并在数据服务的基础上形成了资产性能管理和运营优化服务。 

2.2CPS的技术体系

         CPS技术体系主要分为CPS总体技术、CPS支撑技术、CPS核心技术。CPS总体技术主要包括系统架构、异构系统集成、安全技术、试验验证技术等，是CPS的顶层设计技术；CPS支撑技术主要包括智能感知、嵌入式软件、数据库、人机交互、中间件、SDN（软件定义网络）、物联网、大数据等，是基于CPS应用的支撑；CPS核心技术主要包括虚实融合控制、智能装备、MBD、数字孪生技术、现场总线、工业以太网、CAX\MES\ERP\PLM\CRM\SCM等，是CPS的基础技术。

        上述技术体系可以分为四大核心技术要素即“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）。其中感知和自动控制是互联互通和数据传输的硬件支撑；工业软件固化了CPS计算和数据流程的规则，是CPS的核心；工业网络是互联互通和数据传输的网络载体；工业云和智能服务平台是CPS数据汇聚和支撑上层解决方案的基础，对外提供资源管控和能力服务。