“信息物理系统还是“赛博物理系统”

“信息物理系统”还是“赛博物理系统”-机械制造论文

“信息物理系统”还是“赛博物理系统”

撰文/ 赵敏

热潮中的思考——“工业4.0”和“智能制造”系列报道

普遍认为，第一次工业革命是实现机械化，第二次工业革命是实现电气化，第三次工业革命则是在工业领域实现高度的信息化，而第四次工业革命的核心则是CPS 系统——Cyber-Physical Systems，目标是实现工业制造过程的自动化、信息化和智能化等。

因此，在谈及工业4.0 和智能制造时，必定绕不开CPS——这个“最熟悉的陌生人”。实际上，CPS 并非新概念，其传统代表——嵌入式控制和执行系统，多年来已经广泛应用于航空航天、汽车、机械装备等离散制造业和能源、化工等流程工业。很多年来，CPS 并不强调与新兴信息系统的对接，而更多强调嵌入式计算、控制单元与执行机构相衔接形成的自动化控制和执行系统。但是在工业4.0 和智能制造时代，CPS 开始强调“实时监控、状态感知和自主决策”的智能化特征，基于先进IT 技术的数字化制造系统开始和传统CPS 系统融合，并利用高性能工业网络、传感器网络等基础技术，形成信息化系统、计算单元、控制执行单元和物理实体的协同，帮助CPS 系统变得更为“智能”。

不过，CPS 系统在引入国内时，不仅其定义和内涵并无统一认知，甚至其译名都存在较大的争议。从本期开始的“热潮中的思考——‘工业4.0’和‘智能制造’系列报道”，编辑特别邀请英诺维盛公司总经理、中国发明协会发明方法分会会长、清华大学特聘课程教授赵敏先生，谈谈他对工业4.0 和CPS 系统的独特见解。

工业4.0 诞生于2011 年。

德国工业 4.0 的核心内容可以概括为：建设一个网络——CPS （Cyber-Physical System，赛博物理系统），研究两大主题——智能工厂和智能生产，实现三大集成——横向集成、纵向集成与端对端集成，以及推进三大转变。

CPS 强调的是赛博系统（Cyber System）和物理系统（Physical System）的融合。物理系统不难理解，但是对于赛博系统则出现了较大的理解分歧。现在流行的对CPS的翻译是“信息物理系统”，这是一个非常不妥当、概念混淆的术语翻译。自从2014 年CPS 开始在国内流行时，笔者就质疑CPS 的翻译，并且于2014 年4 月20 日在媒体网站上专门发表了一篇名为“由工业4.0 谈及对CPS 的翻译和理解”的博客文章，讨论了对这个术语的翻译。

笔者深切地感受到，CPS 是工业4.0 的核心和标志，是工业4.0 的落地和使能技术。没有CPS，就没有工业4.0。

对于这样一个重要术语的翻译错误，将导致大家对CPS的理解错误，进而可能导致CPS 难以落地。于是，笔者花了近一年的时间来收集有关CPS 的资料，并利用笔者熟知技术系统发展演变理论的优势，从自己的视角研究和剖析了CPS。

为了弄清楚Cyber 的准确释义，笔者查询了牛津大辞典，词典给出的词条解释是：Cyber--(in nouns andadjectives) connected with electronic communicationnetworks，especially the Internet，翻译为“赛博-（以名词和形容词）连接电子通信网络，特别是互联网（的事物）”。维基百科没有给出明确的解释，谷歌翻译软件只是给出了几个释义：网络、数码和网上等。因此，

根据目前的翻译工具和辞书，无论怎么看，Cyber 都没有信息的意思，而主要是“网络”或“互联”的意思。

赛博系统，并非新生事物。1954 年钱学森撰写的《工程控制论》一书就提到了赛博的概念。某些行业对赛博空间的研究，也已经达到了较高的水平。2009 年4 月，在美国国防部的倡导下出版了《赛博力量和国家安全》一书，对赛博空间做了全面的介绍，形成较为完备概念体系，书中认为赛博空间是一个可操作的领域，由电磁频谱、电子系统及网络化基础设施三部分组成，人类通过电子技术和电磁频谱进入该领域，进行信息的创建、存储、修改、交换和利用。简单理解，电磁频谱是各种制式电磁波，电子系统是各种连接网络的终端，网络化基础设施是各种有线/ 无线网络和发射接受终端等。这是目前对赛博系统最清晰的释义。但是，最初翻译工业4.0 的人可能并不了解这些背景知识，望文生义地把Cyber 翻译成了“信息”。其实，信息以及承载信息的数据，只是赛博系统中流动的过客，是被控制的对象。

众所周知，信息化的基础是二进制数据。计算机并不直接处理信息，只会按照既定的程序，处理0 和1 的二进制数据。当任何自然界信息或人工信息需要计算机处理时，首先要做的工作是该类信息的数字化，然后交由计算机处理，然后再把处理后的数字化信息用软件（屏幕显示设备）或使能器（执行动作设备）表示出来。因此，所谓信息化，实际上是“自然界信息→信息数字化→数字运算→数字化信息→显示或执行结果”这样一连串的、信息产生质的飞跃变化的过程。如图1 所示。

计算机CPU 的子系统是门电路，门电路的元件是晶体管，晶体管依赖于电场的变化（电平高低或电流通断），最终表示为0 和1 的逻辑数据。

在场效应管结构中，闸门（Gate）呈类似鱼“鳍（Fin）”的叉状3D 架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。电流的通断，代表了0 和1 的二进制数字。由此，在物质支持下，电场的状态形成了晶体管的数字化逻辑运算状态。计算机存储功能由各类存储器实现。在数据的记录形式上，现在多数采用磁介质材料来实现数据的读写。现在常用的垂直记录技术，是以磁颗粒的极性N → S 和S → N 的物理状态来决定二进制数字0 或1。如图2 所示。

我们甚至还可以把无线网络的发射与接收设备也用这样的方式描述出来。

限于篇幅，不再赘述。

综上所述，无论是计算机、手机的运算、存储、显示和网络传输，还是各类传感器和数码设备等，都属于大家所熟知的赛博系统，都是基于最基本的物质和物理场的原理工作的。物质支持了场的存在，场支持了数字化逻辑的基本原理实现。因此，赛博系统是特指包含了数字空间的基本物理结构。

所谓CPS，就是要让第三次工业革命的产物——包括了数字空间的赛博系统，不断融入第一次、第二次工业革命的产物——物理系统的过程，从彼此叠加、嵌入直至相互融合、互通互联，形成了赛博物理系统（CPS），实现“状态感知、实时分析、自主决策和精准执行”的智能制造，并为未来无所不在的物联网铺平道路。

笔者观点：物质生成场，场生成数字，数字形成数字空间。数字空间和其所承载的数字化信息不能脱离物质而单独、稳定的存在，只能长期而稳定地生存、流动在特定的硬件、软件、固件或网络设备中，如芯片、路由器、手机、基站等赛博系统。信息只是赛博系统控制的对象，而不是赛博系统本身。因此，CPS 的正确翻译和理解是“赛博物理系统”。

信息物理系统和工业4.0

德国工业4.0 平台科学顾问委员会主席、德国技术科学院院士艾纳·安德尔（本文根据演讲录音整理）信息物理系统催生工业 4.0 互联网技术发展分成几个阶段，每个阶段大概五年时间。首先是1995 ～ 2000 年。1993 年万维网诞生之后，我们通过万维网能够将文本信息进行相互连接。2000 年后，我们开始将图片、音频和影像信息直接记录入文件中，并引入互联网世界。2005 年，我们进入社交媒体时代，人与人通过互联网密切联系。2010 年，社交媒体之间开始相互连接，企业开始利用互联网开展业务工作。2015 年，我们开始进入信息物理系统（cps，对“信息物理系统”的译法存在一定争议）时代，人与人相联，企业相联，最终物理系统之间也要相联。工业4.0 是这个时期非常重要的议题，它受到物联网、服务联网、数据联网的极大的影响，是第四次工业革命的重要议题。第一次工业革命是在18 世纪末，当时引入了制造工厂，它的基础是水和蒸汽动力的使用。第二次工业革命是由大规模生产带动的，电力促成了第二次工业革命。第三次工业革命发生在20 世纪70 年代初，信息技术开始促进生产的自动化。第四次工业革命的基础将是信息物理系统。为什么称之为革命？这是因为通过引入新的技术，不管是蒸气动力、电力，还是信息技术等，都彻底地改变了我们的工作和生活，我们需要新的标准、新的资质，新的教育结构和新的企业。所以工业4.0 将是第四次工业革命，它的目标是创建新的价值链，将覆盖整个产品生命周期，技术方法则是信息物理系统。信息物理系统既在虚拟世界存在，也在现实世界存在，它包含现有的现代控制技术和嵌入式系统，是工业4.0 的主要推动力。现在的嵌入式系统必须有互联网地址，所有物理世界中的设备都能进行逻辑连接，能够相互交流通信，即系统之间能够进行通信。德国工业 4.0 的五大支柱和十七点纲要工业 4.0 的路线图是我们的发展战略，在未来的10 ～ 20 年的时间里，它将基于五大支柱。第一大支柱是“水平融合”，通过价值创造网络来实现水平融合，实现机器与机器的沟通，乃至企业之间的通讯。第二大支柱是指整个生命周期的无缝集成。企业的产品信息，在全产品生命周期流动，企业甚至能从客户处获取产品使用的信息，从而持续改进产品。第三个支柱是“垂直融合”和互联生产系统，这种方式使得企业能够使用设计信息推动制造流程，这个过程应该是无缝的信息流动。第四个支柱是新的社会基础设施，行业需要新的资格认证和新的组织方式。第五个支柱是指混合技术的持续发展。例如，工厂的有线和无线通讯，还要考虑帐户安全、隐私保护和知识保护等。参考架构也非常重要，未来的目标是建立一个分散化、以服务为导向的结构。工业4.0 平台的17 个纲要是2014 年年初由（我们）科学顾问委员会推出的，我们把17 个纲要划分为三类。第一类是以人类为中心的问题，第二类是技术问题，第三类是组织性的问题。第一类是以人类为中心的问题，包括四点纲要。第一点纲要，以人类为导向的“工作组织”方案设计，工业4.0 的发展存在越来越多的可能性，组织者面对的可能性也越来越多，针对不同年龄层工作者的机遇不断出现，希望在老龄化社会，使工业4.0 发展能更有优势。第二点纲要，工业4.0 应该被理解为社会技术系统，可以为人们提供机遇，可以扩展业务范围、资格和员工的行动范围，同时可以大大丰富知识的获取渠道。第三点纲要，就是工作设备，特别是那些有助于学习和沟通的设备，它能提升教育、学习的效率。第四点纲要，是指学习工具，它能自动为用户提供他们所需要的功能。第二类是技术问题，包含9 大纲要。第五点纲要是以技术为导向。第六点纲要，工业4.0 系统对于用户而言，要易于理解、容易操作和方便学习。工业4.0 系统提供了获取解决方案的渠道，它使我们可以综合不同的因素来构建、实施和运营工业4.0 系统。我们的新产品需要发展，才能符合新的行业规定和发展趋势。第七点纲要，企业流程和产品网络化、个性化后的复杂性。这种复杂性可以通过一些手段来管理，如三维建模、仿真分析和自我组织等，现在出现了更多的相关解决方案。现实和虚拟世界是相互交叉的，例如对现实的数字化，以及让虚拟空间服务于物理世界。第八点纲要，对资源的有效性和资源效率进行规划、实施、检测和持续自我优化。第九点纲要，是指智能产品，它

“信息物理系统还是“赛博物理系统”

“信息物理系统”还是“赛博物理系统”-机械制造论文 “信息物理系统”还是“赛博物理系统” 撰文/ 赵敏 热潮中的思考——“工业4.0”和“智能制造”系列报道 普遍认为，第一次工业革命是实现机械化，第二次工业革命是实现电气化，第三次工业革命则是在工业领域实现高度的信息化，而第四次工业革命的核心则是CPS 系统——Cyber-Physical Systems，目标是实现工业制造过程的自动化、信息化和智能化等。 因此，在谈及工业4.0 和智能制造时，必定绕不开CPS——这个“最熟悉的陌生人”。实际上，CPS 并非新概念，其传统代表——嵌入式控制和执行系统，多年来已经广泛应用于航空航天、汽车、机械装备等离散制造业和能源、化工等流程工业。很多年来，CPS 并不强调与新兴信息系统的对接，而更多强调嵌入式计算、控制单元与执行机构相衔接形成的自动化控制和执行系统。但是在工业4.0 和智能制造时代，CPS 开始强调“实时监控、状态感知和自主决策”的智能化特征，基于先进IT 技术的数字化制造系统开始和传统CPS 系统融合，并利用高性能工业网络、传感器网络等基础技术，形成信息化系统、计算单元、控制执行单元和物理实体的协同，帮助CPS 系统变得更为“智能”。 不过，CPS 系统在引入国内时，不仅其定义和内涵并无统一认知，甚至其译名都存在较大的争议。从本期开始的“热潮中的思考——‘工业4.0’和‘智能制造’系列报道”，编辑特别邀请英诺维盛公司总经理、中国发明协会发明方法分会会长、清华大学特聘课程教授赵敏先生，谈谈他对工业4.0 和CPS 系统的独特见解。

工业4.0 诞生于2011 年。 德国工业 4.0 的核心内容可以概括为：建设一个网络——CPS （Cyber-Physical System，赛博物理系统），研究两大主题——智能工厂和智能生产，实现三大集成——横向集成、纵向集成与端对端集成，以及推进三大转变。 CPS 强调的是赛博系统（Cyber System）和物理系统（Physical System）的融合。物理系统不难理解，但是对于赛博系统则出现了较大的理解分歧。现在流行的对CPS的翻译是“信息物理系统”，这是一个非常不妥当、概念混淆的术语翻译。自从2014 年CPS 开始在国内流行时，笔者就质疑CPS 的翻译，并且于2014 年4 月20 日在媒体网站上专门发表了一篇名为“由工业4.0 谈及对CPS 的翻译和理解”的博客文章，讨论了对这个术语的翻译。 笔者深切地感受到，CPS 是工业4.0 的核心和标志，是工业4.0 的落地和使能技术。没有CPS，就没有工业4.0。 对于这样一个重要术语的翻译错误，将导致大家对CPS的理解错误，进而可能导致CPS 难以落地。于是，笔者花了近一年的时间来收集有关CPS 的资料，并利用笔者熟知技术系统发展演变理论的优势，从自己的视角研究和剖析了CPS。 为了弄清楚Cyber 的准确释义，笔者查询了牛津大辞典，词典给出的词条解释是：Cyber--(in nouns andadjectives) connected with electronic communicationnetworks，especially the Internet，翻译为“赛博-（以名词和形容词）连接电子通信网络，特别是互联网（的事物）”。维基百科没有给出明确的解释，谷歌翻译软件只是给出了几个释义：网络、数码和网上等。因此，

信息物理系统文献综述

信息物理系统文献综述 摘要：随着世界科学技术的进步、创新能力的提升，信息物理系统（Cyber-Physical System ,CPS）作为一门新的研究领域应运而生，引起了国内外学术界以及工业界的广泛关注。互联网改变了人与人之间的交流方式、相互关系，那么信息物理系统将改变人与物之间的关系。信息物理系统是计算、通信、和物理过程高度集成的系统，通过在物理设备中嵌入感知、通信、计算能力，实现对物质世界的分布式感知、智能信息处理，并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制。 关键字：信息物理系统智能物联网 CPS简介 CPS是当今最前沿的交叉研究领域之一，被认为是计算机信息处理技术史上的又一次技术革命，将会改变我们与物理世界的交互方式，使我们对物理世界的控制由直接的手动操作变为简单的自动控制，不需要我们在花费大量的时间、精力、物力，只需在控制端发出相应的指令，就可以使物理世界的变化朝着人类需要的方向，以便人类获得最舒适的生活。 CPS涉及计算科学、网络通信、控制理论、传感器等多门学科，广泛应用于多种实际系统，与人类的生活和社会的发展息息相关，是涵盖了小到纳米级生物机器人，大到全球的复杂大系统。比如道路交通系统、航空航天、国家电网等大型基础设备系统以及精细农业、药丸式电子内窥镜等局部或微型系统。CPS技术的深入研究和成果应用将会改变信息世界和物理世界的信息交互方式，并有助于实现新一代的智能系统，是构建人类未来智慧城市的基础。 目前国内有一个与CPS相近的概念—物联网，并在中国深圳有了雏形，已经实现一些相对简单的功能，同样也是一个很热门的研究方向，但其与CPS的最大差别在于：物联网只有感知物理世界的能力，而没有控制物理的功能或者简单的控制功能。物联网主要是通过RFID与读写器之间的通信，人

CPS信息物理系统介绍

课程设计 课程名称新技术专题 题目名称CPS信息物理系统学生学院 专业班级 学号 学生姓名 指导教师 2014年12 月12 日

目录 一、CPS系统定义与意义 ------------------------------------------- 3 1、CPS系统定义---------------------------------------------- 3 2、CPS的意义------------------------------------------------- 3 二、嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系--- 4 三、CPS技术特点 ---------------------------------------------------- 4 四、CPS研究热点 ---------------------------------------------------- 4 五、CPS基本功能单元与系统架构 ------------------------------- 5 1、CPS基本功能单元---------------------------------------- 5 2、系统架构---------------------------------------------------- 6 六、CPS在智能电网上的应用 ------------------------------------- 7 1、智能电网定义 -------------------------------------------- 7 2、CPS在智能电网中的优势------------------------------- 7 七、CPS的发展与展望 ---------------------------------------------- 7 1、CPS发展---------------------------------------------------- 7 2、CPS研究展望---------------------------------------------- 8 八、CPS的机遇与挑战 ---------------------------------------------- 9 九、CPS相关实例实例 ---------------------------------------------- 9