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制造业是国家综合实力的象征，是在全球化竞争中赖以生存的资本和保障。制造业是国民经济持续发展和繁荣及国家安全的基础。当今，全球制造业正面临深刻的变革，一方面，随着新生代人群在全球消费者中占据日益重要的地位，其极富个性化的需求主张驱使产品制造商日益关注小批量、个性化生产；另一方面，新技术的飞速发展及在各个领域的快速渗透，使得制造业传统模式的变革及新型业务模式的创新成为可能。在这场制造业的变革浪潮中，世界制造业大国都在积极布局来把握先机。
工业系统往往具有复杂动态系统的特性，如飞机、高铁、汽车、船舶、火箭等工业产品本身就是复杂系统。市场调研具有特别大的不确定性，产品设计过程要满足外部系统复杂多变的需求，生产过程是一个多尺度动态系统，产品的使用过程是产品与外部环境相互作用的过程。由此可见，复杂工业产品全生命周期相关各个环节都具有典型的系统性特征。
确定性是工业系统本身能够有效运行的基础。对设计过程来说，确定性体现为对用户需求、制造能力的准确把握；对生产过程来说，确定性体现为生产过程稳定、供应链可靠、高效率和低次品率；对使用过程来说，确定性体现为产品持久耐用、质量稳定和对外部环境变化的适应性。因此，人们总是倾向于提高系统的确定性，避免不确定性因素对系统运行的干扰 [9] 。
工业系统设计一般基于科学的原理和行之有效的经验，其输入、输出之间的关系体现为强确定性。
工业系统同时具有确定性和不确定性的特征，确定性是目标，不确定性是发展机会。减少不确定性是工业系统的刚需和目标。
算法是对现实问题解决方案的抽象描述。工业软件是算法的代码化，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。工业软件构建了工业领域中数据自动流动的规则体系，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。工业软件是对工业研发设计、生产制造、经营管理、服务等全生命周期环节规律的模型化、代码化、工具化，是工业知识、技术积累和经验体系的载体，是实现工业系统的核心构件。
工业软件的核心是数字化建模与仿真，发展方向是智能化、元宇宙化。
工业软件是工业机理模型的数字化封装和复用，其研发过程需要对工艺、技术和机理等长期积累。因此，工业软件研发周期长，成本高。
工业网络是连接工业生产系统和工业产品各要素的信息网络，通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构网络集成等技术，能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系统的互联互通，以及物料、产品与人的无缝集成，并呈现扁平化、无线化、灵活组网的发展趋势。工业网络主要用于支撑工业数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行，是实现从单个机器、产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工具，是支撑数据流动的通道。物质（机械，如机床、机器人）连接、能量（物理场，如传感器）连接、信息（数字，如订单）连接乃至意识（生物场，如思维）连接，为打造元宇宙提供了硬件基础和前提 [8] 。
仅仅有了数据和流动通道，还不能称之为一个系统，还需要控制数据流动的规则。
1948年，“控制论”的开创者维纳援引希腊语单词并创造了“Cybernetics”一词，意思为控制。Cyber又被称作3C（Computhg、Communication、Control）。Cyber至少有几个含义：控制、通信、协同、虚拟，这些含义中都包含了计算。
从Cyber的本意来看，它实质上是一种实现控制的机制（或机构），是由信息来控制物质、能量和信息。而“信息”只是控制载体，并不是控制结构和控制机制。
1954年，钱学森所著 Engineering Cybernetics 一书问世，并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，即采用计算机进行的控制。
NASA在1992年率先提出并定义了CPS，CPS在物理、生物和工程系统中的操作是相互协调、互相监控的，由计算核心控制每个联网的组件，计算被嵌入每个物理成分，甚至可能进入材料，这个计算的核心是一个嵌入式系统，通常需要实时响应，并且一般是分布式的 [9] 。
在德国工业4.0中，CPS（Cyber-Physical Systems，虚拟网络-实体物理系统，又称信息物理系统）居核心地位，CPS被定义为一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，以及人机交互接口实现与物理进程的交互，使虚拟空间（数字空间、赛博空间）以远程、可靠、实时、安全、协作和智能化的方式操控一个物理实体。这种说法似曾相识。
在制造系统中，这些CPS包括智能机器、存储系统和生产设施，能够相互独立地自动交换信息和触发动作。这有利于从根本上改善包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理的工业过程。智能工厂采用了一种全新的生产方法，智能产品通过独特的形式加以识别，可以在任何时候被定位并能知道它们自己的历史、当前状态和为了实现其目标状态的替代路线。嵌入式制造系统在工厂和企业之间的业务流程上实现纵向网络连接，在分散的价值网络上实现横向连接，并且员工可进行实时管理：从下订单开始，直到外运物流环节。
这个过程也可以这样简单地理解，在智能制造系统中，一个产品从自己被设计到被制造完工进入仓库直到送到最终消费者手中，产品具有“自我意识”，知道自己从哪里来，现在在哪里，要到哪里去。
CPS的本质是构建一套信息（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化，如图1-7所示。
图1-7 CPS的本质
来源：中国电子技术标准化研究院《信息物理系统白皮书2017》。
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。
CPS状态感知就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态，实时分析就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化，科学决策就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享，精准执行就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应，这一切都依赖于一个实时、可靠、安全的网络，如元宇宙网络。
感知和自动控制是数据闭环流动的起点和终点。感知的本质是真实世界的数字化，通过各种芯片、传感器等智能硬件实现生产制造全流程中人、设备、物料、环境等隐性信息的显性化，是CPS实现实时分析、科学决策的基础，是数据闭环流动的起点。自动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的精准执行，体现为一系列动作或行为，作用于人、设备、物料和环境上，如分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）及数据采集与监视控制系统（SCADA）等，物理设备控制的发生是数据闭环流动的终点。
CPS作为支撑两化深度融合的一套综合技术体系，构建了一个能够联通物理空间与信息空间，驱动数据在其中自动流动，实现对资源优化配置的系统。这套系统中，数据是血液，在系统有机运行的过程中，通过数据自动流动对物理空间中的物理实体逐渐“赋能”，在实现对特定目标资源优化的同时，表现出六大典型特征：数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治。理解CPS的特征不能从单一方面、单一层次来看，要结合CPS的层次分析，在不同的层次上呈现出不同的特征。
CPS是数据价值提升与业务流程再造的规则体系。CPS将物理空间“研发设计—生产制造—运营管理—产品服务”等各业务环节及设备、产品和人等物理实体，在信息空间相对应地构建起数字孪生环节和结果，即实现：业务（数据化）—产生数据（模型化）—高价值数据（业务化）—反哺业务的逻辑闭环，这是工业数字化的标准流程。CPS的数据价值提升与业务流程再造的规则体系如图1-8所示。
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，称为CPS虚实映射。CPS以物理实体建模产生的静态模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展（如采集测量结果、追溯信息等），将物理空间中的物理实体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（数字化映射、数字镜像、数字孪生）。同时，借助信息空间对数据综合分析处理的能力，形成对外部复杂环境变化的有效决策，并通过以虚控实的方式作用到物理实体。在这一过程中，物理实体与信息虚体之间交互联动、虚实映射、共同作用，以提升资源优化配置效率。如果特别强调CPS的“虚实映射”特性，就能看到元宇宙的影子，如图1-9所示。
图1-8 CPS的数据价值提升与业务流程再造的规则体系
来源：中国电子技术标准化研究院《信息物理系统建设指南（2020）》。
感知和自动控制是CPS实现的硬件支撑；工业软件固化了CPS计算和数据流程的规则，是CPS的核心；工业网络是互联互通和数据传输的网络载体；工业云和智能服务平台是CPS数据汇聚和支撑上层解决方案的基础，对外提供资源管控和能力服务。CPS是支撑信息化和工业化深度融合的综合技术体系，如图1-10所示。
图1-9 信息空间和物理空间的交互
来源：中国电子技术标准化研究院《信息物理系统白皮书2017》。
图1-10 CPS技术体系
来源：中国电子技术标准化研究院《信息物理系统白皮书2017》。
CPS是物联网与系统控制相结合的名称。因此，CPS不仅能够“感知”某物在哪里，还增加了“控制”某物并与其周围真实世界互动的能力。到这里我们可以总结得出与元宇宙关系特别密切的是CPS虚实融合控制技术，其他技术是为虚实融合服务的。
CPS实现数据的自动流动需要经过四个环节，分别是：状态感知、实时分析、科学决策、精准执行，这也是工业元宇宙数据流动的关键环节。
CPS虚实融合控制是多层“感知—分析—决策—执行”循环，建立在状态感知的基础上，感知往往是实时进行的，向更高层次同步或即时反馈。
（1）嵌入控制。嵌入控制主要针对物理实体进行控制。通过嵌入式软件，从传感器、仪器、仪表或在线测量设备采集被控对象和环境的参数信息而实现“感知”，通过数据处理而“分析”被控对象和环境的状况，通过控制目标、控制规则或模型计算而“决策”，向执行器发出控制指令而“执行”。不停地进行“感知—分析—决策—执行”的循环，直至达成控制目标。
（2）虚体控制。虚体控制是指在信息空间中进行的控制计算，主要针对信息虚体进行控制。在CPS中，虚体控制不是必需的，在工业元宇宙中，虚体控制是必要的，会有更多VR及手势智能设备被制造出来参与虚体控制，AI也会参与虚体控制。
（3）集控控制。在物理空间中，一个生产系统往往由多个物理实体构成，如一条生产线会有多个物理实体，并通过物流或能流连接在一起。在信息空间内，主要通过CPS总线的方式进行信息虚体的集成和控制。
（4）目标控制。对生产而言，产品数字孪生的工程数据提供实体的控制参数、控制文件或控制指示，是“目标”级的控制。CPS通过即时比对实际生产的测量结果或追溯信息收集到的产品数据，来判断生产是否达成目标。
高带宽、安全、高效的网络基础在本书中会被多次提到。超级网络是超级工业系统的基础设施，正如现代高效的交通运输体系是现代社会正常运行的必要保障一样。
CPS技术体系中的各种技术，在工业元宇宙中同样适用，不同的是工业元宇宙更加强调XR和沉浸式，也就是虚拟控制部分。工业元宇宙从开始就具备安全基因，这可以从根本上解决CPS面临的安全挑战。智能感知中的传感器属于最基础的功能单元，在元宇宙中会被大量、广泛地使用，并且不仅限于工业场景。伴随着消费级XR系列智能设备的普及，各类传感器会成为日常生活中的必备品。
从工业内部系统的角度来看，工业元宇宙更像CPS的升级版。从整个系统来看，CPS对于企业外界提供的服务是透明的。CPS为企业内部元宇宙的落地提供了基础保障。CPS多层循环控制如图1-11所示。
图1-11 CPS多层循环控制
来源：中国电子技术标准化研究院《信息物理系统白皮书2017》。
大数据首先是完整的数据，没有数据，工业4.0就是无源之水。工业领域每天产生海量数据，无论是容量、速度还是种类方面都极其可观。事实上，随着物联网的普遍实施，工业数据正以指数级的速度增长，远远超出其他任何领域。
工业大数据即工业数据的总和，即企业信息化数据、工业物联网数据，以及外部跨界数据。其中，企业信息化数据和工业物联网数据是工业数据的主要来源。
工业大数据是智能制造与工业互联网的核心之一，其本质是通过促进数据的自动采集和自动流动解决生产控制和业务问题，减少决策过程所带来的不确定性。
在未来理想状态下，工业大数据应该作为工业系统相关要素在数字空间中的数字化映像、运行轨迹和历史痕迹。工业大数据的特点是体现工业系统的本质特征和运行规律，并推动工业进入工业元宇宙时代。
工业互联网（Industrial Internet）是信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，为推进制造业数字化、网络化、智能化发展提供实现途径，提升产业链现代化水平，推动经济高质量发展。工业互联网是工业4.0的重要基石之一 [11] 。
作为一个非常复杂的系统，工业互联网不仅涵盖与工业领域相关的实体、工具、数据、方法、工艺和流程，也涉及软硬件数据协议、分布式技术、虚拟化技术、数据化技术、数据建模与分析、组件封装和可视化等多种关键技术和工具。
目前，国际主流工业软件涵盖研发设计、生产控制、测试验证等环节，其突出特点是封闭、不开源、不开放，这是企业部署工业互联网平台和走向数字化的最大障碍。或许元宇宙会迫使厂家更加开放，因为在元宇宙里，开放的系统给人带来更多的安全感。
德国于2013年在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”的概念。德国投资2亿欧元，推动以CPS（信息物理系统）为基础和以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的工业革命。德国通过提升制造业的计算机化、数字化和智能化，建立具有适应性和资源效率的智能工厂（Smart Factory），并在商业流程和价值流程中整合客户和商业伙伴，进一步提升德国制造在全球竞争中的优势地位。
工业4.0的含义是人类历史上的第四次工业革命，是指利用CPS将生产中的供应、制造、销售信息进行数据化、智慧化，最后拥有快速、有效的产品供应体系。工业4.0旨在提升制造业的智能化水平。工业4.0的技术基础是CPS和物联网。
工业4.0的产品天生携带自我描述信息，如“我是谁”“我是什么时刻被谁制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪里”。
工业4.0转型变革战略实施路线图包括如下三个阶段。
工厂内系统、设备与机器间在物联网的基础上互联互通，逐步达到全企业内所有工厂间运营、监控与管理决策的完整联系，由此激发主要生产力的提升，并增强运营决策的灵活性。厂内互联升级为强调虚实互动，就进入企业子元宇宙范畴。
实现企业全方位供应链的互联互通，包含上游各级供应商的相关系统（系统内包含相关设备的物联网信息）及下游各渠道的系统终端或设备，以此提高生产力，提升效率和灵活性。价值链节点的互联是工业互联网的基本功能。
此一阶段又称为“以软件定义产品与制造”阶段。在此阶段中，产品方面的需求、设计、测试、上市，以及制造方面的工厂、制造、物流、服务，都在企业安全的架构体系之下全面地在云端互联互通，从而产生新的商机、新的业务模式和新的盈利模型。
工业4.0的终极状态就是最终消费者与制造者直连，中间环节减到最少，这也是工业元宇宙的发展方向之一。