1.1 CPS来源与发展

1.1.1 来源

术语来源。信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）这一术语，最早由美国国家航空航天局（NASA）于1992年提出，其后这个概念因为一次危机事件而被美国政府高度重视。2006年，美国国家科学基金会（NSF）科学家海伦·吉尔（Helen Gill）在国际上第一个关于信息物理系统的研讨会（NSF Workshop on Cyber-Physical Systems）上将这一概念进行详细描述。“Cyber”一词容易使人们联想到“Cyberspace”、“赛博空间”的概念。“Cyberspace”是1982年美国作家威廉·吉布森（William Gibson）在发表的短篇小说《燃烧的铬合金（Burning Chrome）》中首次创造出来，并在后来的小说《神经漫游者（Neuromancer）》中被普及，为公众所熟知。

Cyber-Physical Systems的术语来源可以追溯到更早时期，1948年，诺伯特·维纳受到安培的启发，创造了“Cybernetics”这个单词。1954年，钱学森所著《Engineering Cybernetics》一书问世，第一次在工程设计和实验应用中使用这一名词。1958年，其中文版《工程控制论》发布，“Cybernetics”翻译为“控制论”。此后，“Cyber”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描述（CPS术语来源历程参见图1-1）。针对Cyber-Physical Systems，国内部分专家学者将其翻译成“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，本书将其翻译为“信息物理系统”。

技术来源。信息物理系统是控制系统、嵌入式系统的扩展与延伸，其涉及到的相关底层理论技术源于对嵌入式技术的应用与提升。然而，随着信息化和工业化的深度融合发展，传统嵌入式系统中解决物理系统相关问题所采用的单点解决方案已不能适应新一代生产装备信息化和网络化的需求，需要对计算、感知、通信、控制等技术进行更为深度的融合。因此，在云计算、新型传感、通信、智能控制等新一代信息技术的迅速发展与推动下，信息物理系统顺势出现。

需求来源。当前，中国工业生产正面临产能过剩、供需矛盾、成本上升等诸多问题，传统的研发设计、生产制造、应用服务、经营管理等方式已经不能满足广大用户新的消费需求、使用需求，迫使制造业转型升级，提高对资源配置利用的效率。制造业企业需要新的技术应用使得自身生产系统向柔性化、个性化、定制化方向发展。而CPS正是实现个性化定制、极少量生产、服务型制造和云制造等新的生产模式的关键技术，在大量实际应用需求的拉动下，信息物理系统顺势出现，为实现制造业转型升级提供了一种有效的实现途径。

1.1.2 发展

■ 美国

2006年2月，美国科学院发布《美国竞争力计划》，明确将CPS列为重要的研究项目；2006 年末开始，美国国家科学基金会召开了世界上第一个关于 CPS 的研讨会，并将 CPS列入重点科研领域，开始进行资金资助。2007 年 7 月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先—全球竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中，CPS 位列首位，其余分别是软件，数据、数据存储与数据流，网络，高端计算，网络与信息安全，人机界面与社会科学。2008年3月，美国CPS研究指导小组（CPS Steering Group）发布了《信息物理系统概要》，把CPS应用于交通、农业、医疗、能源、国防等方面。2009年5月，来自加州伯克利分校、卡内基·梅隆大学等高校和波音、博世、丰田等企业联合发布《产业与学术界在CPS研究中协作》白皮书。

2014 年 6 月，美国国家标准与技术研究院（NIST）汇集相关领域专家，组建成立了CPS公共工作组（CPS PWG），联合企业共同开展CPS关键问题的研究，推动CPS在跨多个“智能”应用领域的应用。2015年，NIST工程实验室智能电网项目组发布CPS测试平台（Testbed）设计概念，并建立CPS测试平台组成和交互性的公共工作组。2016年5月，NIST正式发表了《信息物理系统框架》，提出了CPS的两层域架构模型，在业界引起极大的关注。2017年，NIST发布的《2017-2019三年计划》指出，CPS应用将在更多的商业应用中涌现出来，到2025年，CPS预计会产生每年11.1万亿美元的经济影响。

截至目前，美国国家科学基金会投入了超过3亿美元来支持CPS基础性研究。在学术界，IEEE及ACM等组织从2008年开始，每年都举办CPSWeek等学术活动。CPSWeek汇集了国际上关于CPS的五个主要会议：HSCC、ICCPS、IoTDI、IPSN和RTAS，以及涉及CPS各方面研究的研讨会和专题报告。

■ 德国

德国作为传统的制造强国，也一直关注CPS的发展。2009年，德国《国家嵌入式系统技术路线图》提出了发展本地嵌入式系统网络的建议，明确提出CPS是德国继续领先未来制造业的技术基础。2010年3月1日，德国工程院启动了agendaCPS项目，历时2年，发布了《信息物理系统综合研究报告》（Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems）。2013年，德国成立“工业4.0”工作组，并在同年4月发布《保障德国制造业未来：“工业4.0”未来项目实施建议》，明确提出基于嵌入式系统的演进技术 CPS 将是德国继续领先未来制造业的技术基础。2015年3月，德国国家科学与工程院发布了《网络世界的生活》，对CPS的能力、潜力和挑战进行了分析，提出了CPS在技术、商业和政策方面所面临的挑战和机遇。依托德国人工智能研究中心（DFKI），德国开展了CPS试验工作，建成了世界上第一个已投产的CPPS（Cyber-Physical Production Systems）实验室。

■ 欧盟

欧盟在CPS方面也做了很多工作。CPS研究作为欧盟公布的“单一数字市场”战略的一部分，得到欧盟的大力支持。欧盟通信网络、内容和技术理事会单独设立CPS研究小组；欧盟在 2007 年启动了 ARTEMIS （Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems）等项目，计划在CPS相关研究方面投入超过70亿美元，并将CPS 作为智能系统的一个重要发展方向。2015年7月，欧盟发布《CyPhERS CPS欧洲路线图和战略》，强调了 CPS 的战略意义和主要应用的关键领域。另外，欧盟成立了信息物理系统工程实验室（CPSE），由 6 个设计中心组成，包括法国设计中心、英国设计中心、德国南部设计中心、德国北部设计中心、西班牙设计中心和瑞典设计中心，每个设计中心分别由不同研究机构主持，定位是为CPS工程和技术企业提供资金和世界级的技术支持。

■ 中国

从 2009 年开始，CPS 在工业领域的应用逐渐引起中国国内科研机构、高校、企业的关注。2010年，国家“863”计划信息技术领域办公室举办了“信息-物理融合系统发展论坛”专题研讨会，对CPS科学基础、关键技术、战略布局等进行研讨，会后清华大学、同济大学等高校相继成立了多个CPS工作组。2016年，中国政府提出了深化制造业与互联网融合发展的要求，其中，在强化融合发展基础支撑中对CPS未来发展做出进一步要求。政策的延续和支持使得中国CPS发展驶入快车道。2017年3月1日，中国电子技术标准化研究院在工业和信息化部（以下简称工信部）信息和软件服务业司、国家标准化管理委员会工业标准二部的指导下，联合CPS发展论坛的成员单位共同研究、编撰了《信息物理系统白皮书》，对CPS做出全方位的解读。

在项目支持方面，工信部2016、2017年设立了工业转型升级项目《信息物理系统测试验证解决方案应用推广》，重点支持信息物理系统关键技术测试验证平台，支持超过8个相关重点项目。2018年，工信部开展了制造业与互联网融合发展试点示范工作，其中包含信息物理系统相关方向。科技部在2017、2018年的国家重点研发计划项目中分别支持了“电网信息物理系统分析与控制的基础理论与方法”及“智能生产线信息物理系统理论与技术”等研究课题。目前，CPS在军方中也受到了高度重视，军委装备发展部在2017、2018年陆续支持了“信息物理系统计算支撑技术”、“信息物理系统融合建模仿真方法”等项目。

此外，以中国电子技术标准化研究院（简称电子标准院）为代表已开展了CPS测试能力建设，2018年9月，电子标准院围绕CPS标准协议兼容、异构系统集成、物理单元建模等关键共性技术构建了测试能力，通过了中国合格评定国家认可委员会（CNAS）“信息物理系统检测能力”扩项评审，成为国内第一家具有CPS检测能力的机构，将有效推动中国CPS共性技术的研发与试验验证。

1.2.1 CPS的认识

CPS是多领域、跨学科不同技术融合发展的结果。尽管CPS已经引起了国内外的广泛关注，但CPS发展时间相对较短，不同国家或机构的专家学者对CPS理解侧重点也各不相同。表1-1汇集了业内主要机构和专家对CPS的认识。