更新时间：2024-09-20 20:08
信息物理系统，英文Cyber Physical Systems (CPS)，是自2006年以来中外科技界、学术界和产业界研究的重要领域。cps这一新兴概念一经提出便引起了国际社会的广泛重视。各国政府及组织纷纷开展CPS相关领域探索，无论是德国“工业4.0”战略、美国“工业互联网”战略，还是中国“中国制造2025”，都将CPS作为支撑和引领全球新一轮产业变革的综合技术体系。
CPS 通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建一套信息空间与物理空间之间的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，通过数据自动流动解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置和优化效率。
cps 的基本组成包括传感器、控制执行单元和计算处理单元。 传感器对物理系统信号进行采集, 计算处理单元对采集到的数据进行计算分析, 控制执行单元根据计算结果对物理系统施加控制作用。CPS建设就是在比特的世界中构建物质世界的运行框架和体系，其实现具有层次性,可分为单元级、系统级、系统之系统级三个层次, 由感知和自动控制、工业软件、工业网络以及工业云和智能服务平台四大核心技术要素构成。
CPS因数字技术而起、信息技术而兴，驱动着物理世界与信息世界的融合发展与创新应用。cps在很多领域中都有广泛的应用前景，涉及工业制造、能源电力、交通运输、医疗健康等，其中制造业是CPS的主要领域之一。
现阶段不同的国家或科研团体定义了不同的信息物理系统概念，具有代表性的如美国国家科学基金会、德国国家工程院、欧盟第七框架计划，中国电子技术标准化研究院等，列举如下：
美国国家科学基金会（NSF）：CPS是基于嵌入式的计算核心实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。在系统中，计算被“深度嵌入”到每一个互联物理组件(甚至物料)中，其功能由计算和物理过程交互实现。
德国国家科学与工程院（acatech）：cps是指使用传感器直接获取物理数据和执行器作用物理过程的嵌入式系统，使用来自各地的数据和服务，通过数字网络将物流、在线服务、协调与管理过程连接，并配备了多模态人机交互。CPS开放的社会技术系统，使整个系统的功能、服务远远超出了当前的嵌入式系统主机的新功能。
欧盟第七框架计划：CPS包含计算、通信和控制功能，它们与不同物理过程（如机械、电子和化学）紧密融合在一起。
中国电子技术标准化研究院：CPS通过集成先进的感知、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、适时交互、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。
信息物理系统，是由Cyber-Physical Systems（CPS）翻译而来。Cyber-Physical Systems这一概念是美国国家科学基金会（NSF）科学家海伦·吉尔（Helen Gill）于2006年提出的。Cyber-Physical Systems中“Cyber”一词可追溯到Norbert Wiener在《控制论》一书中使用的“Cybernetics”，Wiener 认为cybernetics是控制与通信的结合体。“Cyber”不仅有“信息世界”的含义也有“控制”的含义，现在常作为前缀，应用于与自动控制、计算机、信息技术及互联网等相关的事物。大多数中文文献将 Cyber-Physical Systems 翻译为“信息物理系统”，中国部分专家学者也将其翻译成信息物理融合系统、赛博物理系统、网络实体系统、赛博实体融合系统等。
在技术层面，信息物理系统是多领域、跨学科不同技术融合发展的结果。信息物理系统起源于一些早期的概念，包括机电一体化、嵌入式系统、泛在计算、控制论等。信息物理系统的技术体系融合了多种既有技术和新兴技术。随着嵌入式系统、自动控制技术和传感器技术的深入发展，以及物联网和新型信息技术的迅速兴起，信息物理系统应运而生。到2023年，云边协同、数字孪生、人工智能以及区块链等前沿新技术的发展极大程度促进了信息物理系统技术的演进和应用。
随着泛在传感、可靠通信、高性能数据处理和智能控制技术的快速发展，cps成为支撑信息、通信、环境、社会和物理实体深度融合的综合技术体系，将对工业、能源、交通、医疗、航空航天等诸多领域的发展变革产生深远的影响。自2006年以来，各国学术界和产业界都给予了极高的关注度。
在科技研究领域，国际上三大学术流派引领CPS学术科研走势，各研究机构纷纷开展CPS不同领域的研究工作。三大学术流派中，美国国家自然科学基金(NSF)侧重于CPS科学技术与工程领域的基础研究；伯克利工业CPS研究中心(ICYPHY)侧重于CPS 体系结构、设计建模和分析技术的开源研究与推广，旨在通过CPS解决工程模型与算法模型间的融合；电气和电子工程师协会(IEEE)下的CPS技术委员会(TCCPS)侧重学术活动，组织CPSWeeK 会议（美国CPS学术最重要的活动），为全球科研人员提供学术交流平台，重点关注包括CPS的数据处理、基础架构、嵌入式系统、物联网、下一代操作系统、工业自动化等领域的研究。其他组织也对cps开展了关键技术研究，跨组织间的合作交流趋势明显。
截止到2023年，中外对CPS 的研究中, 由于领域和着眼点的不同,出现了多种CPS 的外延，如信息物理生产系统(Cyber-physical production system, CPPS)、人-信息-物理系统(Human-centered cyber-physical system，HCPS) 、工业信息物理系统(Industrial CPS, ICPS)、社会信息物理生产系统（Social cyber-physical production System，SCPPS)等。
标准化的抽象和架构对于cps中各种技术的融合以及对于CPS的创新至关重要。已有的CPS架构模型主要以分层的方式来描述。通过对CPS的体系结构的层次划分、层级结构以及共性的归纳总结，以下介绍了几类比较典型的CPS体系结构。
3C层级架构认为信息物理系统的实现可以从计算Computing、通信传播学和控制Control三个层面来完成。在控制层，与物理世界打交道的是传感器、执行器、传感加执行器、标签阅读器等。中间的通信层包括通信网络、数据库、以及提供各种计算功能的服务器等。各种软件在计算层实现信息物理系统的所有功能，其中也包含人机交互软件。
5C层级架构认为CPS是基于智能感知层Connection、信息挖掘层Conversion、网络层Cyber、认知层认知和配置执行层Configuration的高度复杂系统，能够实现物理资源与网络空间信息资源的高度融合。基于各类传感器对终端的量测，cps能够实现对物理系统的智能感知和模型映射，并将决策控制信息反馈到物理控制执行系统。数据从感知采集层经过清洗降噪、协议转换、分析与计算实现数据信息对物理系统的价值提升。
CPS 的实现可分为单元级、系统级、系统之系统级三个层次, 由感知和自动控制、工业软件、工业网络以及工业云和智能服务平台四大核心技术要素构成。
单元级CPS是不可分割的CPS最小单元。从单元级CPS的体系架构看，CPS分为物理装置和信息壳两个组成部分。其中物理装置主要包括人、机、物等物理实体和传感器、执行器、与外界进行交互的装置等，是物理过程的实际操作部分。信息壳主要包括感知、计算、控制和通信等功能，是物理世界中物理装置与信息世界之间交互的接口。物理装置通过信息壳实现物理实体的“数字化”，信息世界可以通过信息壳对物理实体“以虚控实”，物理空间和信息空间走向融合。
多个单元级CPS通过工业网络，互联、互通和互操作，构成了系统级CPS，实现更大范围、更宽领域的数据自动流动。多个系统级cps的有机组合构成SoS级CPS。SoS级CPS主要实现数据的汇聚，可以通过大数据平台，实现跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。
与独立的信息系统或物理系统相比，CPS构建了一个能够联通物理空间与信息空间，通过驱动数据的自由流动对物理空间赋能，实现对资源优化配置的智能系统。其具有下列几个重要且显著的技术特征：
数据是CPS系统的灵魂。cps通过构建 “状态感知—实时分析—科学决策—精准执行”数据的自动流动的闭环赋能体系，使得数据从物理隐性形态转化为信息显性形态，并不断迭代优化形成知识库。同时，跨设备、跨区域、跨系统的互联互通使得CPS系统表现出基于数据的泛在强交互特性。
软件和芯片、传感与控制设备一起，对传统的网络、存储、设备等进行定义，正在从IT领域向工业领域延伸。对于面向制造业的CPS，工业软件是一种以数据与指令集合对知识、经验、控制逻辑等进行固化封装的数字化（代码化）技术，构建了工业领域中数据自动流动的的规则体系，是业务、流程、组织的赋能工具和载体，解决了复杂制造系统的不确定性、多样性等问题，是实现CPS功能的核心载体之一。从生产流程的角度看，cps通过工业技术软件化，被广泛应用到研发设计、生产制造、管理服务等方方面面，如产品设计和全生命周期管理软件（如CAX，PLM等）、生产制造执行系统（MES），企业管理系统（如ERP、WMS、CRM）。
网络通信是CPS的基础保障。随着无线宽带、射频识别、信息传感以网络业务等信息通信技术的发展，网络通信将会更加全面深入地融入信息空间与物理空间，表现出明显的泛在连接特征。泛在连接通过对物理世界状态的实时采集、传输，以及信息世界控制指令的实时反馈下达，提供无处不在的优化决策和智能服务。
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。通过CPS技术，将物理实体、运动行为、复杂环境等要素精准映射到信息空间。在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生，并实时处理反馈，通过以虚控实的方式作用到物理实体。
CPS是由信息系统和物理系统异构集成而产生的，且每个子系统包含了多种结构和功能各异的单元模块或设备装置。软件、硬件、网络、工业云等一系列技术的有机组合构建了一个信息空间与物理空间之间数据自动流动的闭环“赋能体系”。异构的硬件（如CISC CPU、RISC CPU、FPGA等）、软件（如PLM、MES、PDM、SCM等）、数据（如模拟量、数字量、开关量、音频、视频、特定格式稳定等）及网络（如现场总线、工业以太网等）等集成连通使得CPS能够实现物理实体与信息虚体之间的交互联动、虚实映射、协同控制等功能。
cps能够根据感知到的环境变化信息，在信息空间进行分析处理，自适应的对外部变化作出有效响应。多模块、多单元异构集成的CPS系统必然需要有效的分层、分区自感知和自主调控，而系统自治能够使得CPS自配置形成不同层级的知识库、模型库和资源库，使其能够不断自我优化和演进提升。
基于CPS的体系架构，CPS系统中涉及的关键技术可分为智能感知、可靠通信、信息处理、控制与决策以及安全技术等。
感知技术是物理系统实现智能化、信息化的首要基础。CPS智能感知技术由智能传感和状态感知两层级组成，并通过物联网技术集成实现。智能传感器将数据采集、预处理、存储和逻辑判断等功能高度集成，功能更强，功耗更低 。传感器正朝着集成化、系统化、低功耗化及网络化等方向发展。状态感知基于各类传感器完成不同时间尺度下对系统运行状态、行程位移等观测并进行分析辨识，为优化、决策、控制提供正确的输入、输出、甚至当前扰动等状态数据。CPS状态感知的分析方法主要是基于感知模型驱动的方法和基于数据学习训练驱动的方法。
CPS系统的异构终端分散分布以及协同控制的特性，决定了其需要多类型通信技术实现在不同应用场景中的可靠信息交互。新一代通信技术的出现，如B5G/6G、量子通信等，将为CPS网络管理、通信服务质量和安全保密通信提供新的解决方案。除了通信方式的选择，cps信息传输的服务质量也由通信组网、通信协议及通信资源调度等多种技术的优劣共同决定。其中如无线自组网技术，OpenFlow软件定义网络标准协议，以及5G网络切片技术等都是CPS通信关键技术。
CPS中信息处理技术主要指数据采集过程中的前端预处理技术、传输过程中的数据压缩技术、以及在控制决策过程中的数据融合及数据挖掘技术等。通过数据预处理，实现原始采样数据降噪、异常数据辨识和修复，提升数据质量；通过数据压缩实现在保证辨识精度的情况下对数据量的有效削减，缓解系统信息载荷；数据融合则是将多源数据经过数学方法进行整合处理，提取特征信息，并在推理决策作用下将特征数据与知识库匹配，进而做出决策判断。
CPS系统的异构性和自治性决定了其控制器设计和控制方法必然从传统集中式向分布式协同优化控制演进。其中，本地控制器快速低延时获取现场信息，进行实时控制。CPS的信息通信系统实现分布式控制器间的互联互通和信息交互，完成高层级次的区域间协同控制。最上层云端中央控制平台根据所获取的全面信息做出系统级时空全局优化决策。在cps系统中，通信网络状态和信息不确定性直接影响系统的可控性和稳定性能，CPS系统控制已演化成为新型网络控制系统（Network Control System, NCS）
由于CPS系统中物理与信息两子系统的紧耦合性，系统服务的开放性和自治性，使得其更易受到入侵或网络攻击。
因此，信息物理系统的安全防御技术更加重要，且难度更大。主要的CPS安全技术包括可信接入认证、网络攻击检测和安全防御体系与方法等。可信网络接入技术（Trust Network Connection,TNC）通过网络访问控制、安全消息传输、数据加解密、密钥分发管理和身份认证等技术隔离大部分网络入侵和攻击。CPS攻击检测技术可分为基于知识的攻击检测（如残差生成法）和基于数据驱动的攻击检测（如使用启发式算法、深度学习等机器学习方法从数据中挖掘出隐藏攻击行为）。另外，还可按照检测时间点分为实时攻击检测和事后攻击检测。CPS安全防御体系作为系统全面架构，可分为安全阻断技术、主动免疫技术和信息-物理融合安全防御这三个层面。
随着cps技术和应用的快速发展，CPS已经在工业制造、能源电力、交通运输、医疗健康等诸多领域得到广泛应用。
工业CPS的应用场景现在已经涵盖了设计、生产、服务、应用等全周期。物理实体、生产环境和制造过程通过CPS技术可有效映射到虚拟空间中仿真、迭代、优化和形式化验证，从而实现实时控制和优化决策，形成可自律操作的智能生产系统，实现从“制造”到“智造”的升级，全面提升工业制造全过程、全链智能、全生命周期的智能化和高效性。
在汽车制造行业，cps的实施，通过建设基于物联网通讯协议MQTT的数据总线，采用高级排产排程算法APS，可实现自下而上的执行状态采集、数字化管控系统的智能决策、自上而下的作业指令下发的闭环控制、支持从物料到产品的全过程管控、以动态调度、精益自动物流配送的协同，将汽车计划、生产执行和调度信息整合在一起，提高生产效率和企业应变能力。
在航空航天类复杂离散制造行业，通过实施CPS理念的解决方案，在信息虚拟空间中对产品研发、生产制造、运营管理、产品服务等活动进行仿真、优化，并实现各种信息的共享与协同，做到精准研发、精益生产和精细管理，可明显提升研发生产效率和质量，明显缩短研制与生产周期，大大降低产品成本。
在石化类高危性行业，通过构建基于数字孪生的DCS系统设计方式，对生产现场的装备、电器、控制、热力学等因素进行建模仿真，从而确保新的生产工艺与控制程序能够在虚拟环境中进行测试和验证，并最终降低实际生产运营风险。通过低功耗传感技术及无线通信网络技术，建立起人、机、物互联互通的工业物联网平台，提升生产过程各关键要素的实时感知和高效协同能力。
能源系统和cps技术的深度融合使得传统分散的不同能源系统向互联互通、共源共网、多能互补的方向转变，通过对电力、热力、天然气等融合互济，能够最大程度地提升能源的综合利用效率。CPS系统将电、水、气、热多种能源形式在物理侧和信息侧连接，发展成为现代综合能源系统。如何基于CPS技术体系，充分发挥信息通信技术对综合能源系统的规划、运行及协同控制是研究热点。
该系统在能源生产单元、传输单元、转换单元和消费单元都存在着关联耦合关系，如冷-热-电三联供等。在能源电力生产环节，cps能够协助打通煤炭、原油开采和发电系统，实现集约化生产以及热电联产联供。在能源电力输配环节，CPS帮助电力系统实现全景感知、数据高效传输和信息交互以及边云协同优化控制，保障系统的安全、可靠、稳定运行。在能源电力消费环节，CPS技术以物联网形式将海量用户终端接入能源系统，对用户用能行为进行分析预测，促进能源电力消费市场化水平。
CPS与交通运输系统的深度融合，将人、车、路等物理实体与信息、应用联为一体，使得传统的交通系统具有了感知、判断、控制和决策，促进了车辆行驶、交通运行安全和效率等性能的综合提升。在公路交通、铁路运输的规划层面，CPS技术与交通系统各构件融合，可提升交通基础设施的规划和建设效益。在运输优化引导方面，面向交通的CPS系统能够更精细化实时监管并引导车辆、轨道交通、甚至是飞行器，并与管控平台形成高效数据交互，通过分布式协同调控，实现最优化调度，提升智能交通动态运输性能及效率。
CPS技术与医疗健康的深度融合使得传统的健康监测、医疗救治、疫病防控等应用极大拓展，医疗健康步入了“医疗保健4.0”时代。基于CPS体系架构建立的健康监测系统能够有效汇聚患者和医疗机构的各类数据(如电子健康记录、药品购买记录等)，通过对时空分散无序的健康数据挖掘分析，实现精准个性化、定制化的医疗或保健服务。远程医疗及远程紧急救助则是cps与医疗健康结合最显著的产物之一。CPS技术的应用可以有效提升疾病筛检、病毒溯源、疫情预测以及病人跟踪效率。
CPS因其多元开放性，更容易受到恶意攻击。结合CPS系统特点，CPS安全可划分为四个方面：物理安全、基础安全、业务安全和安全管理。CPS在物理空间和信息-物理融合的层次将面临物理攻击、感知组件攻击等威胁。在基础安全方面，针对CPS基础网络、主机和数据的安全攻击将威胁系统的多种重要属性。CPS业务安全面临的威胁主要针对其互操作性和协同安全。而cps在安全管理上面临的威胁主要来自于安全策略篡改、风险评估偏差、安全更新失效、安全计划缺失等。
如何构建CPS安全状态评估及综合安全防御技术，通过系统自诊断、自发现、自修复和自免疫实现综合立体安全防御成为决定CPS技术能否在核心领域应用的关键。
CPS作为支撑和引领全球新一轮产业技术变革的核心技术之一，正朝着体系化、层次化、复杂化方向发展。但CPS自身理论和技术难点，以及面向不同产业的垂直纵深应用需求发展，都面临着诸多挑战。
经过多年的发展，cps开始了从理论向实践工程的探索。在产业发展方面，CPS 产业应用将日益完善，大型企业向软件化、平台化方向开发CPS 解决方案，中小企业基于外部平台获得定制化服务，降低转型成本。解决方案服务商间优势互补，共同为企业提供优秀方案。CPS 应用场景覆盖研发设计、生产制造、运营管理等全过程，应用场景建设是企业持续发展的关键。
CPS 是概念技术的集大成者。当前新一代信息通信技术蓬勃发展，与制造业的融合也逐步深入，同时也产生了各种概念和新技术，从技术视角看其本质是cps 在不同阶段、不同场景、不同领域的具体应用。 如何有效结合领域前沿技术，并综合先进感知技术、下一代通信网络、云边高性能计算、人工智能、区块链等新技术，实现对CPS技术的迭代升级，进而实现应用场景与“CPS+”深入融合，拓展其应用将具有更加显性和重要的现实意义。
在技术方面，由于CPS是物理子系统与信息子系统耦合作用而形成的复杂系统，亟需解析信息-物理耦合机理，形成全新的CPS智能控制理论与技术体系。在应用方面，CPS结合不同行业、不同业务环节的特点从资产、业务、服务3 个维度，为企业带来不同的价值，CPS 如何落地已成为当前企业面临的新挑战。在安全方面，需要解决安全模型、多源数据的关联关系、工程安全和网络信息安全异构管理的数据、基于CPS 综合安全机理与数据的监控和防卫等问题。在标准化方面，为了解决不同场景中的互操作性和复杂性问题，亟需建立一个系统、完善、开放的标准体系作为支撑，有效解决相关技术领域标准散乱、覆盖面不全、交叉重叠等问题。
信息物理系统白皮书（2017）.中国电子技术标准化研究院.2023-01-28
DELIVERABLE D2.1 Characteristics, capabilities, potential applications of Cyber-Physical Systems: a preliminary analysis.Cyber-Physical European Roadmap & Strategy.2023-01-28
信息物理系统建设指南（2020）.中国电子技术标准化研究院.2023-01-31