推动CPS发展，加快制造业与互联网融合

+ 林宁 中国电子技术标准化研究院党委书记

推动CPS发展，加快制造业与互联网融合

+ 林宁 中国电子技术标准化研究院党委书记

CPS（Cyber-Physical Systems）基本介绍

Cyber作为连接与控制含义的单词，1948年由Wiener创造出来。2006年美国科学院和美国国家自然科学基金会（NSF）先后将CPS列为重点研究项目，2013年CPS成为德国工业4.0核心理念受到广泛关注，2016年美国国家标准与技术研究院（NIST）正式提出《CPS框架1.0》。

众说纷纭的定义

在漫长的发展过程中，各主要研究国家和机构都对CPS做出了相关定义和解释，但其侧重点却各不相同。

美国NIST认为CPS是集成了计算、通信、传感和带有物理系统的驱动器，可满足不同精度要求的实时交互功能，包括人机交互。其定义侧重点在于CPS独立单元所具备的功能及之间的交互。

德国国家科学与工程院（acatech）将CPS定义为：开放、组网的新型系统，通过传感器获取物理世界状态数据，将数据解释并应用于基于网络的服务，同时通过执行器直接影响物理世界的进程，并控制装置、物体和服务的行为。其定义侧重点是数据在CPS中获取、处理、反馈的行为。

中国电子标准院则认为CPS是“系统的系统”，通过先进的计算、通信和控制技术（3C技术），实现物理实体与虚拟世界中人、机、物等全要素的协同融合、实时交互以及数据自主流动。其定义侧重点在于两个方面：3C技术；“协同、融合、实时、交互和自主”。

维基百科则仅仅对单词本身做出了解释，认为CPS是一个结合电脑运算领域以及感测器和执行器装置的整合控制系统。

CPS功能架构

其实，根据美国NIST《CPS框架1.0》对CPS功能参考结构的概念描述我们可知，完整的CPS系统应该包括物理域、融合域、信息域三个层级，它是空间范围的互联和信息物理系统的合成，其涵盖范围远远超过单纯的信息物理系统。目前大家熟知的物联网、控制系统、嵌入式系统、工业互联网等系统都只能算作CPS的一部分，不能独立代表CPS。比如，物联网能解决物理融合，但不能做到实时虚拟映射，只能属于物理域；控制系统因其封闭性，嵌入式系统因其弱自主性，都只能纳入融合域范畴；工业互联网则因其侧重于连接工业各方应用层来实现信息与技术应用，只能被纳入信息域范畴。

面临的问题

目前，CPS由于本身的前瞻趋势性和复杂性，在发展中正面临如下关键问题亟待解决：

1、对CPS的认识不统一。CPS定义众说纷纭、关键特征描述各不相同、企业对CPS的架构及应用理解模糊。

2、缺少标准进行指导。整个行业尚未形成系统的标准体系，缺少数据链、实时交互等核心技术标准以及对系统可靠性、安全性的验证标准。

3、关键技术问题亟待解决。包括：实现跨越数字-物理壁垒、达到从实体到虚拟的精准映射的技术；能将异构数据统一并标准化的中间件技术；CPS可靠性实现（CPS试验验证技术研发与应用）等。

4、体现CPS核心特征的典型应用还未普及或显现。目前全球的CPS研究项目还未有成熟成果和应用，企业还未大量对CPS进行探索性研发与试用。

CPS在各国的发展推进情况

美国从2006年2月发布《美国竞争力计划》起，就一直将CPS列为重要研究项目。其中，NIST成立了CPS公共工作组，着重于CPS的理论和标准研究，研究方向涵盖参考框架、应用案例、时间同步、CPS安全和数据交换等，并发布了《CPS框架1.0》，他们的研究合作单位包括美国标准化组织和企业、高校代表。电气和电子工程师协会（IEEE）也成立了CPS技术委员会，由于他们一直在技术、标准领域处于国际前列，因此他们主要侧重于CPS的研究标准，包括标准制定和应用案例等，研究合作者主要是其会员单位。

欧盟设立了CPS研究小组，参与单位包括欧盟通信网络、内容和技术理事会及其成员，重点开展CPS的战略分析和理论研究，发布了《CPS路线图和战略》，并投入54亿欧元开发嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS，CPS为其核心）。他们在智能设备、嵌入式系统、感知控制、系统的系统（SoS）等研究方向采取自上而下的推进方式，其目的是要奠定欧盟在未来引领智能电子系统的世界领袖地位。

德国acatech联合德国联邦政府、德国国家科学与工程院和相关企业，主要进行CPS的国家战略和理论研究，提出了以CPS为核心的工业4.0概念，成立了世界首个已投产的CPS实验室（德国人工智能研究中心），发布了《生活在网络世界——CPS集成研究计划》，并重点进行了CPS特征、CPS应用和智能设备等领域的研究印证工作。目前德国的CPS推进工作处于世界前列。

国内的CPS研究工作以中国国家自然科学基金（NSFC）和中国电子标准院为牵头代表。其中， NSFC主要以资金和项目支持为主，参与单位多为高校和研究院所；电子标准院则侧重于标准、技术、应用研究，参与单位以科研机构、相关企业为主，他们成立了专门的CPS研究团队追踪国内外研究进展情况（工业4.0标准化、路线图、CPS框架等）、开展顶层设计、设立参考体系结构，进行标准与技术需求、技术状态、知识产权分布等方向的需求调研，并组织编制了相关标准，举办系列技术、标准及应用交流会，面向流程、离散行业征集应用案例集，筹备CPS发展论坛，以组织保障形式推动国内CPS发展。

国内CPS发展思路

2016年5月13日出台的《国务院关于深化制造业与互联网融合的发展指导意见》（国发〔2016〕28号）明确表示，制造业是未来CPS应用主战场，当前国内CPS发展的首要任务是建立参考模型和综合技术标准体系，同时还要建立测试验证平台推进技术、标准发展，支撑CPS产业化。

要实现上述任务，国内的CPS就必须以参考模型统一认识，以综合技术标准体系来解决顶层设计和标准缺失问题，以验证和测试来解决核心技术研发、应用产业化、实验验证等问题。

因此，未来国内CPS的发展将把“营造CPS发展环境，建立产业生态体系”作为核心目标，遵循采用“规划、研发、验证、应用”四个发展步骤：首先进行规划，包括政策研究、产业发展规划、政策导向研究等；第二步开展研发，以标准化工作为引领，推动技术和解决方案研发，在顶层设计上瞄准参考标准体系建设，组织国内科研院所、IT企业、系统集成企业和制造企业制定基础关键技术标准、开发关键技术和解决方案；第三步实施试验验证和测试验证，技术、概念、应用、标准符合性、产品/系统、安全等系列测试和评估评价等验证工作，建立产业化服务、实时保障与创新平台；第四步推动行业的整体应用，包括应用案例、试点示范、产业化等。

此外，刚成立的CPS发展论坛作为行业交流和推广平台，将聚集制造企业、软件企业、生产性服务业企业等产业链代表和科研院所、专家教授等社会资源，共同研究CPS发展战略、技术和标准，开展试点示范，推广优秀的技术、产品和系统解决方案，推动CPS核心技术领域的重大突破，为国内CPS发展提供坚实的组织保障。为此，论坛也将尽快建立相应工作组，征集成员单位，系统地推进政策、标准、技术、应用、验证等各项工作；全面推动标准化工作，重点开展CPS标准体系顶层设计；构建CPS参考体系结构，统一行业对CPS架构和功能的认识；建立CPS技术沙盘，规划和绘制关键技术路线图。