+ 林寧 中國電子技術標準化研究院黨委書記

推動CPS發(fā)展，加快制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合

+ 林寧 中國電子技術標準化研究院黨委書記

CPS（Cyber-Physical Systems）基本介紹

Cyber作為連接與控制含義的單詞，1948年由Wiener創(chuàng)造出來。2006年美國科學院和美國國家自然科學基金會（NSF）先后將CPS列為重點研究項目，2013年CPS成為德國工業(yè)4.0核心理念受到廣泛關注，2016年美國國家標準與技術研究院（NIST）正式提出《CPS框架1.0》。

眾說紛紜的定義

在漫長的發(fā)展過程中，各主要研究國家和機構都對CPS做出了相關定義和解釋，但其側重點卻各不相同。

美國NIST認為CPS是集成了計算、通信、傳感和帶有物理系統(tǒng)的驅動器，可滿足不同精度要求的實時交互功能，包括人機交互。其定義側重點在于CPS獨立單元所具備的功能及之間的交互。

德國國家科學與工程院（acatech）將CPS定義為：開放、組網(wǎng)的新型系統(tǒng)，通過傳感器獲取物理世界狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)解釋并應用于基于網(wǎng)絡的服務，同時通過執(zhí)行器直接影響物理世界的進程，并控制裝置、物體和服務的行為。其定義側重點是數(shù)據(jù)在CPS中獲取、處理、反饋的行為。

中國電子標準院則認為CPS是“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，通過先進的計算、通信和控制技術（3C技術），實現(xiàn)物理實體與虛擬世界中人、機、物等全要素的協(xié)同融合、實時交互以及數(shù)據(jù)自主流動。其定義側重點在于兩個方面：3C技術；“協(xié)同、融合、實時、交互和自主”。

維基百科則僅僅對單詞本身做出了解釋，認為CPS是一個結合電腦運算領域以及感測器和執(zhí)行器裝置的整合控制系統(tǒng)。

CPS功能架構

其實，根據(jù)美國NIST《CPS框架1.0》對CPS功能參考結構的概念描述我們可知，完整的CPS系統(tǒng)應該包括物理域、融合域、信息域三個層級，它是空間范圍的互聯(lián)和信息物理系統(tǒng)的合成，其涵蓋范圍遠遠超過單純的信息物理系統(tǒng)。目前大家熟知的物聯(lián)網(wǎng)、控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)都只能算作CPS的一部分，不能獨立代表CPS。比如，物聯(lián)網(wǎng)能解決物理融合，但不能做到實時虛擬映射，只能屬于物理域；控制系統(tǒng)因其封閉性，嵌入式系統(tǒng)因其弱自主性，都只能納入融合域范疇；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則因其側重于連接工業(yè)各方應用層來實現(xiàn)信息與技術應用，只能被納入信息域范疇。

面臨的問題

目前，CPS由于本身的前瞻趨勢性和復雜性，在發(fā)展中正面臨如下關鍵問題亟待解決：

1、對CPS的認識不統(tǒng)一。CPS定義眾說紛紜、關鍵特征描述各不相同、企業(yè)對CPS的架構及應用理解模糊。

2、缺少標準進行指導。整個行業(yè)尚未形成系統(tǒng)的標準體系，缺少數(shù)據(jù)鏈、實時交互等核心技術標準以及對系統(tǒng)可靠性、安全性的驗證標準。

3、關鍵技術問題亟待解決。包括：實現(xiàn)跨越數(shù)字-物理壁壘、達到從實體到虛擬的精準映射的技術；能將異構數(shù)據(jù)統(tǒng)一并標準化的中間件技術；CPS可靠性實現(xiàn)（CPS試驗驗證技術研發(fā)與應用）等。

4、體現(xiàn)CPS核心特征的典型應用還未普及或顯現(xiàn)。目前全球的CPS研究項目還未有成熟成果和應用，企業(yè)還未大量對CPS進行探索性研發(fā)與試用。

CPS在各國的發(fā)展推進情況

美國從2006年2月發(fā)布《美國競爭力計劃》起，就一直將CPS列為重要研究項目。其中，NIST成立了CPS公共工作組，著重于CPS的理論和標準研究，研究方向涵蓋參考框架、應用案例、時間同步、CPS安全和數(shù)據(jù)交換等，并發(fā)布了《CPS框架1.0》，他們的研究合作單位包括美國標準化組織和企業(yè)、高校代表。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）也成立了CPS技術委員會，由于他們一直在技術、標準領域處于國際前列，因此他們主要側重于CPS的研究標準，包括標準制定和應用案例等，研究合作者主要是其會員單位。

歐盟設立了CPS研究小組，參與單位包括歐盟通信網(wǎng)絡、內容和技術理事會及其成員，重點開展CPS的戰(zhàn)略分析和理論研究，發(fā)布了《CPS路線圖和戰(zhàn)略》，并投入54億歐元開發(fā)嵌入智能與系統(tǒng)的先進研究與技術（ARTMEIS，CPS為其核心）。他們在智能設備、嵌入式系統(tǒng)、感知控制、系統(tǒng)的系統(tǒng)（SoS）等研究方向采取自上而下的推進方式，其目的是要奠定歐盟在未來引領智能電子系統(tǒng)的世界領袖地位。

德國acatech聯(lián)合德國聯(lián)邦政府、德國國家科學與工程院和相關企業(yè)，主要進行CPS的國家戰(zhàn)略和理論研究，提出了以CPS為核心的工業(yè)4.0概念，成立了世界首個已投產(chǎn)的CPS實驗室（德國人工智能研究中心），發(fā)布了《生活在網(wǎng)絡世界——CPS集成研究計劃》，并重點進行了CPS特征、CPS應用和智能設備等領域的研究印證工作。目前德國的CPS推進工作處于世界前列。

國內的CPS研究工作以中國國家自然科學基金（NSFC）和中國電子標準院為牽頭代表。其中， NSFC主要以資金和項目支持為主，參與單位多為高校和研究院所；電子標準院則側重于標準、技術、應用研究，參與單位以科研機構、相關企業(yè)為主，他們成立了專門的CPS研究團隊追蹤國內外研究進展情況（工業(yè)4.0標準化、路線圖、CPS框架等）、開展頂層設計、設立參考體系結構，進行標準與技術需求、技術狀態(tài)、知識產(chǎn)權分布等方向的需求調研，并組織編制了相關標準，舉辦系列技術、標準及應用交流會，面向流程、離散行業(yè)征集應用案例集，籌備CPS發(fā)展論壇，以組織保障形式推動國內CPS發(fā)展。

國內CPS發(fā)展思路

2016年5月13日出臺的《國務院關于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合的發(fā)展指導意見》（國發(fā)〔2016〕28號）明確表示，制造業(yè)是未來CPS應用主戰(zhàn)場，當前國內CPS發(fā)展的首要任務是建立參考模型和綜合技術標準體系，同時還要建立測試驗證平臺推進技術、標準發(fā)展，支撐CPS產(chǎn)業(yè)化。

要實現(xiàn)上述任務，國內的CPS就必須以參考模型統(tǒng)一認識，以綜合技術標準體系來解決頂層設計和標準缺失問題，以驗證和測試來解決核心技術研發(fā)、應用產(chǎn)業(yè)化、實驗驗證等問題。

因此，未來國內CPS的發(fā)展將把“營造CPS發(fā)展環(huán)境，建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系”作為核心目標，遵循采用“規(guī)劃、研發(fā)、驗證、應用”四個發(fā)展步驟：首先進行規(guī)劃，包括政策研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、政策導向研究等；第二步開展研發(fā)，以標準化工作為引領，推動技術和解決方案研發(fā)，在頂層設計上瞄準參考標準體系建設，組織國內科研院所、IT企業(yè)、系統(tǒng)集成企業(yè)和制造企業(yè)制定基礎關鍵技術標準、開發(fā)關鍵技術和解決方案；第三步實施試驗驗證和測試驗證，技術、概念、應用、標準符合性、產(chǎn)品/系統(tǒng)、安全等系列測試和評估評價等驗證工作，建立產(chǎn)業(yè)化服務、實時保障與創(chuàng)新平臺；第四步推動行業(yè)的整體應用，包括應用案例、試點示范、產(chǎn)業(yè)化等。

此外，剛成立的CPS發(fā)展論壇作為行業(yè)交流和推廣平臺，將聚集制造企業(yè)、軟件企業(yè)、生產(chǎn)性服務業(yè)企業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈代表和科研院所、專家教授等社會資源，共同研究CPS發(fā)展戰(zhàn)略、技術和標準，開展試點示范，推廣優(yōu)秀的技術、產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案，推動CPS核心技術領域的重大突破，為國內CPS發(fā)展提供堅實的組織保障。為此，論壇也將盡快建立相應工作組，征集成員單位，系統(tǒng)地推進政策、標準、技術、應用、驗證等各項工作；全面推動標準化工作，重點開展CPS標準體系頂層設計；構建CPS參考體系結構，統(tǒng)一行業(yè)對CPS架構和功能的認識；建立CPS技術沙盤，規(guī)劃和繪制關鍵技術路線圖。