深入探究CPS的内涵

1.定义

信息-物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境和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、快速迭代和动态优化的功能。

2.本质

CPS 的本质是通过构建一套信息空间与物理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、信息和知识的转化；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，就是通过控制器和执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应。

3.层次(www.xing528.com)

资源优化配置的范围可大可小，如优化AGV 小车路径、优化多台工业机器人协作和优化整个工厂生产规划等。由于数据在不同的量级维度闭环自动流动，《信息物理系统白皮书（2017）》认为CPS 可以分为三个不同层次，因此，白皮书给出了单元级CPS 的定义、系统级CPS 的定义、SoS 级GPS 的定义，来理解CPS 在不同层次上的资源优化。

单元级CPS 是具有不可分割性的信息物理系统最小单元，能够通过物理硬件（如传动轴承、机械臂、电动机等）、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知—分析—决策—执行”数据的自动流动基本闭环。系统级CPS 在单元级CPS 的基础上，通过工业网络的引入，可以实现系统级CPS 的协同调配。在这一层级上，多个单元级CPS 及非CPS 单元设备构成系统级CPS，如一条含机械臂和AGV 小车的智能装配线等。SoS 级CPS 在系统级CPS 的基础上，可以通过构建CPS 智能服务平台，实现系统级CPS 之间的协同优化。在这一层级上，多个系统级CPS 构成了SoS 级CPS，如多条生产线或多个工厂之间的协作，以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。任何一种层次的CPS 都要具备基本的感知、分析、决策、执行的数据闭环，以实现一定程度的资源优化。其信息空间的映射体不一定是视觉上与物理实体相似的模型，其重点是对该实体的关键数据进行数字化建模。

4.CPS 的特征

CPS 的六大典型特征为数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治。数据驱动是指CPS 能够将数据源源不断地从物理空间中的隐性形态转化为信息空间的显性形态，并不断迭代优化形成知识库。在这一过程中，状态感知的结果是数据，实时分析的对象是数据，科学决策的基础是数据，精准执行的输出还是数据。因此，数据是CPS 的灵魂所在。软件定义是指软件正和芯片、传感与控制设备等一起对传统的网络、存储、设备等进行定义，并从IT 领域向工业领域延伸。工业软件是对工业各类生产环节规律的代码化，支撑了绝大多数的生产制造过程。作为面向制造业的CPS，软件就成了实现CPS 功能的核心载体之一。泛在连接是指CPS 能够实现任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的顺畅通信，这必须有强大的泛在连接。泛在连接通过对物理世界状态的实时采集、传输，以及对信息世界控制指令的实时反馈，提供无处不在的优化决策和智能服务。虚实映射是指CPS构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。在这一过程中，物理实体与信息虚体之间交互联动，共同作用提升资源优化配置效率。异构集成是指CPS 能够将大量的异构硬件、软件、数据、网络集成起来实现数据在信息空间与物理空间不同环节的自动流动，实现信息技术与工业技术的深度融合，因此，CPS 必定是一个多方异构环节集成的综合体。系统自治是指更高层次的CPS 能够实现在多个层面上的自组织、自配置和自优化。在这一过程中，大量现场运行数据及控制参数被固化在系统中，形成知识库、模型库和资源库，使得系统能够不断进行自我演进与学习提升，提高应对复杂环境变化的能力。