信息物理系統成功實踐的阻力與建議

張松鵬++黃俐

摘 要：信息物理系統是基于嵌入式設備、網絡、軟件、數據平臺與物理對象（包括人）所構成的“智能聯網信息系統”，已經成為美國、德國等國家的重要戰略發展方向。作為智能制造發展的關鍵技術，信息物理系統是新一輪產業變革的核心驅動。但是，信息物理系統的發展尚處在初級階段，共性關鍵技術及標準化缺失，而且國內缺乏系統級的信息物理系統共性關鍵技術的測試驗證能力，同時，信息物理系統在制造行業的應用成果缺乏有效的推廣手段。

關鍵詞：信息物理系統；關鍵技術；測試驗證；應用推廣

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0205-02

信息物理系統（CPS）是基于嵌入式設備、網絡、軟件、數據平臺與物理對象（包括人）所構成的“智能聯網信息系統”。其中，軟件是載體、數據是靈魂、集成是動力。本質是通過傳感、通信、計算和控制等信息單元和物理對象在網絡環境下的高度集成與交互，提升信息系統的數據感知、實時通信、數據處理、分析決策、精準控制等方面的能力，實現物理世界的自主協調、效率提升、性能優化與安全保障。

1 信息物理系統是當前國際競爭的制高點，是發達國家戰略布局的主要方向

信息物理系統的概念最早由美國提出，隨著一系列研究和實踐的不斷深入，信息物理系統當前已經成為美國、德國等推進再工業化戰略的核心內容。2006年，在美國布什政府的“美國競爭力計劃”中，首次提出信息物理系統的重要性，隨后美國總統科技顧問委員會（PCAST）開展了一系列關于信息物理系統的研究，先后在2007年《競爭世界中的信息技術研發》、2011年《先進制造伙伴關系計劃》、2012年“美國先進制造戰略”、2014年《加速美國先進制造》等戰略文件中將推動工業變革的先進技術聚焦在信息物理系統。當前，在“美國先進制造戰略”優先發展的三大技術——先進傳感控制和平臺（ASCPM）、可視化信息化和數字制造（VIDM）、先進材料制造（AMM）中，前兩項技術的本質均是信息物理系統。

美國國家標準和技術研究院（NIST）專門設立“工程實驗室”，推進信息物理系統專項研究，目前重點推動涉及工業領域的項目主要包括兩個方面：一是成立信息物理系統公共工作組，推動互操作標準、網絡安全、網絡與物理系統聯合工程、無線連接、標準數據采集與分析五大方面標準研究；二是搭建一系列面向信息物理系統應用的專業性測試床，組織開展先進制造、網絡安全、智能電網等領域信息物理系統設備、系統和標準的測試、驗證和示范。

歐盟在2007年開始支持信息物理系統領域的研發，到2013年在“嵌入智能與系統的研究與技術（ARTMEIS）”項目上共投入約54億歐元。2011年，德國在工業4.0戰略中，明確提出要以信息物理系統為核心，推動智能生產和智能工廠，實現工業的智能化轉型。2015年，在德國工業4.0平臺發布的實施戰略中，首次提出了工業4.0的參考架構，其核心功能的本質是通過打造信息物理系統推動縱向、橫向和端到端三大集成。信息物理系統已經成為當前全球主要國家戰略布局的重要方向。

除政府層面以外，以GE、思科、IBM、AT&T和Intel五大企業發起的“工業互聯網聯盟”為牽頭，一批領先的企業在各個領域不斷推動信息物理系統相關技術和標準的測試，加快信息物理系統應用的推廣。例如，GE、SAP等企業加快推進面向信息物理系統的新型工業平臺和工業APP研發，力圖率先搶占未來競爭制高點。

2 信息物理系統是智能制造發展的關鍵技術，是新一輪產業變革的核心驅動

智能制造的發展主要依托兩大方面技術，一是材料、工藝、裝備等工業基礎技術的創新和進步，二是物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術與工業融合的智能化技術，而后者集中體現為信息物理系統。信息物理系統是實現智能制造的重要手段，通過制造系統與信息交互系統的實時感知和動態控制，使得人、機、物真正融合在一起。信息物理系統通過對工業數據的采集、傳輸、建模、分析，形成對機器運行的優化參數和企業運營的管理決策，是軟件定義機器、新型嵌入式系統、大數據分析決策、新興工業控制平臺等智能化生產要素的集中體現。從本質、核心架構、關鍵要素與核心技術來說，信息物理系統的內涵外延與工業互聯網是一致的，均是智能制造的關鍵基礎，是新一輪產業變革的核心驅動，醞釀出智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化制造等新模式新業態。

信息物理系統是我國智能制造重大工程落地實施的重要抓手，是“互聯網+”深入到工業企業生產關鍵環節的必然選擇。當前，“中國制造2025”國家戰略已正式發布，成為未來中國制造強國建設“三步走”的第一個十年行動綱領。“中國制造2025”國家戰略將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，推進智能制造工程落地實施是戰略的重要內容。智能制造工程強調關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化車間等內容，而一系列智能制造專項行動實施的關鍵要素和核心技術正是信息物理系統，發展信息物理系統將是智能制造工程的重要抓手。

“互聯網+”行動計劃的出臺實施，將推動互聯網和融合發展進入新的階段。“互聯網+工業”需要將互聯網的技術和理念逐漸滲透至工業生產環節，在關鍵工序智能化方面形成新的模式，而這一過程的實現離不開智能機器嵌入式系統、新型工業平臺、高端工業軟件、工業大數據等信息物理系統技術的支撐。結合信息物理系統技術的“互聯網+工業”將醞釀影響更為深刻的智能化模式與創新業態。

3 信息物理系統的發展尚處在初級階段，共性關鍵技術及標準化缺失

從技術上來說，由于其復雜性和跨學科的特點，信息物理系統對工程和運營的可控性上提出了新要求。只有系統化的方法（系統論、系統工程）可以解決信息物理系統的核心問題，這會將問題聚焦在物理單元建模、數據互操作、標準協議兼容、異構系統集成、工業信息安全等共性關鍵技術上。物理單元建模包括物理組件、電子產品、生產流程、機械裝備的建模等；數據互操作包括不同設備、軟件之間的互操作；標準協議兼容包括網絡技術結構、各種層次的通信和協議等；異構系統集成包括不同操作系統、數據庫系統、應用軟件、網絡之間的集成；工業信息安全包括工業控制系統信息安全、人工智能安全、網絡安全等。同時，在易用性和可靠性，前瞻性（能力演化），使用（人機交互，可接受性，人機工程學）等方面所面臨的挑戰也至關重要。endprint

目前，云制造、智能工廠、智能制造等新概念新模式層出不窮，業內對智能工業的概念認識不統一、核心關鍵要素不明確，這給制定戰略、政策和規劃帶來了困難。只有標準先行，才能避免先亂后治的局面，才能凝聚行業共識，更好地引領信息物理系統在制造業的推廣應用。國際上與信息物理系統相關的標準化工作業已開始。不同的機構，如國際電工委員會、歐盟、工業互聯網聯盟、互聯網標準組織、美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）等，都已開始關注信息物理系統有關的標準化工作。其中，NIST已發布《21世紀信息物理系統的戰略使命和業務驅動力》、《21世紀信息物理系統的戰略研究和開發機會》、《信息物理系統：當前的趨勢、技術和挑戰形式分析（草案）》等5份研究報告。

共性關鍵技術的標準化是資源合理利用、節約能源和節約原材料的有效途徑，是信息物理系統發展的有效推動力，是在各領域應用推廣信息物理系統的橋梁。制造業、信息安全、建筑物、防災、智能電網等都急需標準化它們業內的信息物理系統。成功的信息物理系統標準化工作，將會促進中國智能制造，以及國外倡導的工業4.0、工業互聯網的發展。信息物理系統的標準化工作，自然也必須和這些領域的標準化工作協調進行。

4 國內缺乏系統級的信息物理系統共性關鍵技術的測試驗證能力

信息物理系統是對多種高新技術的有機融合，具備復雜系統的各類特點，對共性關鍵技術測試驗證成為突破的重點領域。目前國外的愛達荷國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、西北太平洋國家實驗室等均已開展研究，而我國在信息物理系統領域起步較晚，尚未開展體系化研究，缺少系統級的測試驗證技術規范、工具及環境。測試驗證平臺的缺失阻礙了創新步伐，制約了發展后勁。

在此背景下，信息物理系統測試驗證平臺的建設刻不容緩。在信息物理系統設計、研發過程中通過測試驗證技術識別系統風險并采取相應措施，系統的效費比將得到很大提升；在其運行、維護過程中通過測試驗證技術，監測其運行狀態，基于實時監測數據的基礎上得到當前風險量化指標甚至預測下一時刻風險值，從而幫助用戶對可能出現的風險及時響應，選取和實施高效、全面的安全措施，避免危險和損失的發生。信息物理系統的測試驗證將為信息物理系統的安全運行提供了保障，為科學合理的安全決策奠定了理論基礎，更為安全策略與防御措施的制定提供了指導，從而真正實現變“被動響應”為“主動防御”。可以說信息物理系統測試驗證技術將極大的體現復雜系統科學與風險管理的根本思想，實現風險的控制、預測/預防，是未來信息物理系統科學的基礎理論與技術發展中不可或缺的部分。

5 信息物理系統在制造行業的應用成果缺乏有效的推廣手段

行業應用推廣是牽引信息物理系統相關技術應用測試和標準體系建立的有效手段，而目前國內仍缺乏相應的渠道和方法。以信息物理系統核心組件為對象，建立通用性和專業性相結合的測試驗證平臺，有利于加速信息物理系統關鍵軟硬件技術應用和產業化。測試驗證平臺可以集中優勢資源、加快在制造業的技術應用推廣，從而實現對政府、企業和行業應用的全面支撐，構建產學研用的產業鏈環境面向整個產業鏈。打造信息物理系統領域服務團隊，產學研用相結合，可以支撐政府工作，協助政府進行政策的落實，協助企業進行產品和技術的提升，協助用戶保證系統可靠設計、安全運行。特別是以智能車間的生產過程智能控制、智能工廠的研發運營虛擬仿真、智慧園區的企業間協同制造為重點，開展信息物理系統在相關場景的應用推廣。endprint