信息物理系統，英文Cyber Physical Systems (CPS)，是自2006年以來中外科技界、學術界和產業界研究的重要領域。cps這一新興概念一經提出便引起了國際社會的廣泛重視。各國政府及組織紛紛開展CPS相關領域探索，無論是德國“工業4.0”戰略、美國“工業互聯網”戰略，還是中國“中國制造2025”，都將CPS作為支撐和引領全球新一輪產業變革的綜合技術體系。
CPS 的意義在于將物理設備聯網并連接到互聯網，使物理設備具備計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能；同時通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建一套信息空間與物理空間之間的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，通過數據自動流動解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置和優化效率。
cps 的基本組成包括傳感器、控制執行單元和計算處理單元。傳感器對物理系統信號進行采集,計算處理單元對采集到的數據進行計算分析,控制執行單元根據計算結果對物理系統施加控制作用。CPS建設就是在比特的世界中構建物質世界的運行框架和體系，其實現具有層次性,可分為單元級、系統級、系統之系統級三個層次,由感知和自動控制、工業軟件、工業網絡以及工業云和智能服務平臺四大核心技術要素構成。
CPS因數字技術而起、信息技術而興，驅動著物理世界與信息世界的融合發展與創新應用。cps在很多領域中都有廣泛的應用前景，涉及工業制造、能源電力、交通運輸、醫療健康等，其中制造業是CPS的主要領域之一。
概念
現階段不同的國家或科研團體定義了不同的信息物理系統概念，具有代表性的如美國國家科學基金會、德國國家工程院、歐盟第七框架計劃，中國電子技術標準化研究院等，列舉如下：
美國國家科學基金會（NSF）：CPS是基于嵌入式的計算核心實現感知、控制、集成的物理、生物和工程系統。在系統中，計算被“深度嵌入”到每一個互聯物理組件(甚至物料)中，其功能由計算和物理過程交互實現。
德國國家科學與工程院（acatech）：cps是指使用傳感器直接獲取物理數據和執行器作用物理過程的嵌入式系統，使用來自各地的數據和服務，通過數字網絡將物流、在線服務、協調與管理過程連接，并配備了多模態人機交互。CPS開放的社會技術系統，使整個系統的功能、服務遠遠超出了當前的嵌入式系統主機的新功能。
歐盟第七框架計劃：CPS包含計算、通信和控制功能，它們與不同物理過程（如機械、電子和化學）緊密融合在一起。
中國電子技術標準化研究院：CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。
背景起源
信息物理系統，是由Cyber-Physical Systems（CPS）翻譯而來。Cyber-Physical Systems這一概念是美國國家科學基金會（NSF）科學家海倫·吉爾（Helen Gill）于2006年提出的。Cyber-Physical Systems中“Cyber”一詞可追溯到Norbert Wiener在《控制論》一書中使用的“Cybernetics”，Wiener 認為cybernetics是控制與通信的結合體。“Cyber”不僅有“信息世界”的含義也有“控制”的含義，現在常作為前綴，應用于與自動控制、計算機、信息技術及互聯網等相關的事物。大多數中文文獻將 Cyber-Physical Systems 翻譯為“信息物理系統”，中國部分專家學者也將其翻譯成信息物理融合系統、賽博物理系統、網絡實體系統、賽博實體融合系統等。
在技術層面，信息物理系統是多領域、跨學科不同技術融合發展的結果。信息物理系統起源于一些早期的概念，包括機電一體化、嵌入式系統、泛在計算、控制論等。信息物理系統的技術體系融合了多種既有技術和新興技術。隨著嵌入式系統、自動控制技術和傳感器技術的深入發展，以及物聯網和新型信息技術的迅速興起，信息物理系統應運而生。到2023年，云邊協同、數字孿生、人工智能以及區塊鏈等前沿新技術的發展極大程度促進了信息物理系統技術的演進和應用。
研究與發展現狀
隨著泛在傳感、可靠通信、高性能數據處理和智能控制技術的快速發展，cps成為支撐信息、通信、環境、社會和物理實體深度融合的綜合技術體系，將對工業、能源、交通、醫療、航空航天等諸多領域的發展變革產生深遠的影響。自2006年以來，各國學術界和產業界都給予了極高的關注度。
在科技研究領域，國際上三大學術流派引領CPS學術科研走勢，各研究機構紛紛開展CPS不同領域的研究工作。三大學術流派中，美國國家自然科學基金(NSF)側重于CPS科學技術與工程領域的基礎研究；伯克利工業CPS研究中心(ICYPHY)側重于CPS 體系結構、設計建模和分析技術的開源研究與推廣，旨在通過CPS解決工程模型與算法模型間的融合；電氣和電子工程師協會(IEEE)下的CPS技術委員會(TCCPS)側重學術活動，組織CPSWeeK 會議（美國CPS學術最重要的活動），為全球科研人員提供學術交流平臺，重點關注包括CPS的數據處理、基礎架構、嵌入式系統、物聯網、下一代操作系統、工業自動化等領域的研究。其他組織也對cps開展了關鍵技術研究，跨組織間的合作交流趨勢明顯。
截止到2023年，中外對CPS 的研究中, 由于領域和著眼點的不同,出現了多種CPS 的外延，如信息物理生產系統(Cyber-physical production system, CPPS)、人-信息-物理系統(Human-centered cyber-physical system，HCPS) 、工業信息物理系統(Industrial CPS, ICPS)、社會信息物理生產系統（Social cyber-physical production System，SCPPS)等。
架構
標準化的抽象和架構對于cps中各種技術的融合以及對于CPS的創新至關重要。已有的CPS架構模型主要以分層的方式來描述。通過對CPS的體系結構的層次劃分、層級結構以及共性的歸納總結，以下介紹了幾類比較典型的CPS體系結構。
3C層級架構
3C層級架構認為信息物理系統的實現可以從計算Computing、通信傳播學和控制Control三個層面來完成。在控制層，與物理世界打交道的是傳感器、執行器、傳感加執行器、標簽閱讀器等。中間的通信層包括通信網絡、數據庫、以及提供各種計算功能的服務器等。各種軟件在計算層實現信息物理系統的所有功能，其中也包含人機交互軟件。
5C層級架構
5C層級架構認為CPS是基于智能感知層Connection、信息挖掘層Conversion、網絡層Cyber、認知層認知和配置執行層Configuration的高度復雜系統，能夠實現物理資源與網絡空間信息資源的高度融合。基于各類傳感器對終端的量測，cps能夠實現對物理系統的智能感知和模型映射，并將決策控制信息反饋到物理控制執行系統。數據從感知采集層經過清洗降噪、協議轉換、分析與計算實現數據信息對物理系統的價值提升。
單元級、系統級、系統之系統級
CPS 的實現可分為單元級、系統級、系統之系統級三個層次, 由感知和自動控制、工業軟件、工業網絡以及工業云和智能服務平臺四大核心技術要素構成。
單元級CPS是不可分割的CPS最小單元。從單元級CPS的體系架構看，CPS分為物理裝置和信息殼兩個組成部分。其中物理裝置主要包括人、機、物等物理實體和傳感器、執行器、與外界進行交互的裝置等，是物理過程的實際操作部分。信息殼主要包括感知、計算、控制和通信等功能，是物理世界中物理裝置與信息世界之間交互的接口。物理裝置通過信息殼實現物理實體的“數字化”，信息世界可以通過信息殼對物理實體“以虛控實”，物理空間和信息空間走向融合。
多個單元級CPS通過工業網絡，互聯、互通和互操作，構成了系統級CPS，實現更大范圍、更寬領域的數據自動流動。多個系統級cps的有機組合構成SoS級CPS。SoS級CPS主要實現數據的匯聚，可以通過大數據平臺，實現跨系統、跨平臺的互聯、互通和互操作，在全局范圍內實現信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執行。
技術特征
與獨立的信息系統或物理系統相比，CPS構建了一個能夠聯通物理空間與信息空間，通過驅動數據的自由流動對物理空間賦能，實現對資源優化配置的智能系統。其具有下列幾個重要且顯著的技術特征：
數據驅動
數據是CPS系統的靈魂。cps通過構建 “狀態感知—實時分析—科學決策—精準執行”數據的自動流動的閉環賦能體系，使得數據從物理隱性形態轉化為信息顯性形態，并不斷迭代優化形成知識庫。同時，跨設備、跨區域、跨系統的互聯互通使得CPS系統表現出基于數據的泛在強交互特性。
軟件定義
軟件和芯片、傳感與控制設備一起，對傳統的網絡、存儲、設備等進行定義，正在從IT領域向工業領域延伸。對于面向制造業的CPS，工業軟件是一種以數據與指令集合對知識、經驗、控制邏輯等進行固化封裝的數字化（代碼化）技術，構建了工業領域中數據自動流動的的規則體系，是業務、流程、組織的賦能工具和載體，解決了復雜制造系統的不確定性、多樣性等問題，是實現CPS功能的核心載體之一。從生產流程的角度看，cps通過工業技術軟件化，被廣泛應用到研發設計、生產制造、管理服務等方方面面，如產品設計和全生命周期管理軟件（如CAX，PLM等）、生產制造執行系統（MES），企業管理系統（如ERP、WMS、CRM）。
泛在連接
網絡通信是CPS的基礎保障。隨著無線寬帶、射頻識別、信息傳感以網絡業務等信息通信技術的發展，網絡通信將會更加全面深入地融入信息空間與物理空間，表現出明顯的泛在連接特征。泛在連接通過對物理世界狀態的實時采集、傳輸，以及信息世界控制指令的實時反饋下達，提供無處不在的優化決策和智能服務。
虛實映射
cps構筑信息空間與物理空間數據交互的閉環通道，能夠實現信息虛體與物理實體之間的交互聯動。通過CPS技術，將物理實體、運動行為、復雜環境等要素精準映射到信息空間。在信息空間進行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執行能力的數字孿生，并實時處理反饋，通過以虛控實的方式作用到物理實體。
異構集成
CPS是由信息系統和物理系統異構集成而產生的，且每個子系統包含了多種結構和功能各異的單元模塊或設備裝置。軟件、硬件、網絡、工業云等一系列技術的有機組合構建了一個信息空間與物理空間之間數據自動流動的閉環“賦能體系”。異構的硬件（如CISC CPU、RISC CPU、FPGA等）、軟件（如PLM、MES、PDM、SCM等）、數據（如模擬量、數字量、開關量、音頻、視頻、特定格式穩定等）及網絡（如現場總線、工業以太網等）等集成連通使得CPS能夠實現物理實體與信息虛體之間的交互聯動、虛實映射、協同控制等功能。
系統自治
cps能夠根據感知到的環境變化信息，在信息空間進行分析處理，自適應的對外部變化作出有效響應。多模塊、多單元異構集成的CPS系統必然需要有效的分層、分區自感知和自主調控，而系統自治能夠使得CPS自配置形成不同層級的知識庫、模型庫和資源庫，使其能夠不斷自我優化和演進提升。
關鍵技術
基于CPS的體系架構，CPS系統中涉及的關鍵技術可分為智能感知、可靠通信、信息處理、控制與決策以及安全技術等。
感知技術
感知技術是物理系統實現智能化、信息化的首要基礎。CPS智能感知技術由智能傳感和狀態感知兩層級組成，并通過物聯網技術集成實現。智能傳感器將數據采集、預處理、存儲和邏輯判斷等功能高度集成，功能更強，功耗更低。傳感器正朝著集成化、系統化、低功耗化及網絡化等方向發展。感知網絡層的物理傳感器一般放在無人的區域，缺少傳統網絡物理上的安全保障，節點容易受到攻擊。因此，在這些基礎結點上設計的初級階段就要充分考慮到各種應用環境以及攻擊者的攻擊手段，建立有效的容錯機制，降低出錯率。狀態感知基于各類傳感器完成不同時間尺度下對系統運行狀態、行程位移等觀測并進行分析辨識，為優化、決策、控制提供正確的輸入、輸出、甚至當前擾動等狀態數據。CPS狀態感知的分析方法主要是基于感知模型驅動的方法和基于數據學習訓練驅動的方法。?
通信技術
CPS系統的異構終端分散分布以及協同控制的特性，決定了其需要多類型通信技術實現在不同應用場景中的可靠信息交互。新一代通信技術的出現，如B5G/6G、量子通信等，將為CPS網絡管理、通信服務質量和安全保密通信提供新的解決方案。除了通信方式的選擇，cps信息傳輸的服務質量也由通信組網、通信協議及通信資源調度等多種技術的優劣共同決定。其中如無線自組網技術，OpenFlow軟件定義網絡標準協議，以及5G網絡切片技術等都是CPS通信關鍵技術。
信息處理技術
CPS中信息處理技術主要指數據采集過程中的前端預處理技術、傳輸過程中的數據壓縮技術、以及在控制決策過程中的數據融合及數據挖掘技術等。通過數據預處理，實現原始采樣數據降噪、異常數據辨識和修復，提升數據質量；通過數據壓縮實現在保證辨識精度的情況下對數據量的有效削減，緩解系統信息載荷；數據融合則是將多源數據經過數學方法進行整合處理，提取特征信息，并在推理決策作用下將特征數據與知識庫匹配，進而做出決策判斷。
控制技術
CPS系統的異構性和自治性決定了其控制器設計和控制方法必然從傳統集中式向分布式協同優化控制演進。其中，本地控制器快速低延時獲取現場信息，進行實時控制。CPS的信息通信系統實現分布式控制器間的互聯互通和信息交互，完成高層級次的區域間協同控制。最上層云端中央控制平臺根據所獲取的全面信息做出系統級時空全局優化決策。在cps系統中，通信網絡狀態和信息不確定性直接影響系統的可控性和穩定性能，CPS系統控制已演化成為新型網絡控制系統（Network Control System, NCS）
安全技術
由于CPS系統中物理與信息兩子系統的緊耦合性，系統服務的開放性和自治性，使得其更易受到入侵或網絡攻擊。
因此，信息物理系統的安全防御技術更加重要，且難度更大。主要的CPS安全技術包括可信接入認證、網絡攻擊檢測和安全防御體系與方法等。可信網絡接入技術（Trust Network Connection,TNC）通過網絡訪問控制、安全消息傳輸、數據加解密、密鑰分發管理和身份認證等技術隔離大部分網絡入侵和攻擊。CPS攻擊檢測技術可分為基于知識的攻擊檢測（如殘差生成法）和基于數據驅動的攻擊檢測（如使用啟發式算法、深度學習等機器學習方法從數據中挖掘出隱藏攻擊行為）。另外，還可按照檢測時間點分為實時攻擊檢測和事后攻擊檢測。CPS安全防御體系作為系統全面架構，可分為安全阻斷技術、主動免疫技術和信息-物理融合安全防御這三個層面。
應用
隨著cps技術和應用的快速發展，CPS已經在工業制造、能源電力、交通運輸、醫療健康等諸多領域得到廣泛應用。
工業制造
工業CPS的應用場景現在已經涵蓋了設計、生產、服務、應用等全周期。物理實體、生產環境和制造過程通過CPS技術可有效映射到虛擬空間中仿真、迭代、優化和形式化驗證，從而實現實時控制和優化決策，形成可自律操作的智能生產系統，實現從“制造”到“智造”的升級，全面提升工業制造全過程、全鏈智能、全生命周期的智能化和高效性。
在汽車制造行業，cps的實施，通過建設基于物聯網通訊協議MQTT的數據總線，采用高級排產排程算法APS，可實現自下而上的執行狀態采集、數字化管控系統的智能決策、自上而下的作業指令下發的閉環控制、支持從物料到產品的全過程管控、以動態調度、精益自動物流配送的協同，將汽車計劃、生產執行和調度信息整合在一起，提高生產效率和企業應變能力。
在航空航天類復雜離散制造行業，通過實施CPS理念的解決方案，在信息虛擬空間中對產品研發、生產制造、運營管理、產品服務等活動進行仿真、優化，并實現各種信息的共享與協同，做到精準研發、精益生產和精細管理，可明顯提升研發生產效率和質量，明顯縮短研制與生產周期，大大降低產品成本。
在石化類高危性行業，通過構建基于數字孿生的DCS系統設計方式，對生產現場的裝備、電器、控制、熱力學等因素進行建模仿真，從而確保新的生產工藝與控制程序能夠在虛擬環境中進行測試和驗證，并最終降低實際生產運營風險。通過低功耗傳感技術及無線通信網絡技術，建立起人、機、物互聯互通的工業物聯網平臺，提升生產過程各關鍵要素的實時感知和高效協同能力。
能源電力
能源系統和cps技術的深度融合使得傳統分散的不同能源系統向互聯互通、共源共網、多能互補的方向轉變，通過對電力、熱力、天然氣等融合互濟，能夠最大程度地提升能源的綜合利用效率。CPS系統將電、水、氣、熱多種能源形式在物理側和信息側連接，發展成為現代綜合能源系統。如何基于CPS技術體系，充分發揮信息通信技術對綜合能源系統的規劃、運行及協同控制是研究熱點。
該系統在能源生產單元、傳輸單元、轉換單元和消費單元都存在著關聯耦合關系，如冷-熱-電三聯供等。在能源電力生產環節，cps能夠協助打通煤炭、原油開采和發電系統，實現集約化生產以及熱電聯產聯供。在能源電力輸配環節，CPS幫助電力系統實現全景感知、數據高效傳輸和信息交互以及邊云協同優化控制，保障系統的安全、可靠、穩定運行。在能源電力消費環節，CPS技術以物聯網形式將海量用戶終端接入能源系統，對用戶用能行為進行分析預測，促進能源電力消費市場化水平。
交通運輸
CPS與交通運輸系統的深度融合，將人、車、路等物理實體與信息、應用聯為一體，使得傳統的交通系統具有了感知、判斷、控制和決策，促進了車輛行駛、交通運行安全和效率等性能的綜合提升。在公路交通、鐵路運輸的規劃層面，CPS技術與交通系統各構件融合，可提升交通基礎設施的規劃和建設效益。在運輸優化引導方面，面向交通的CPS系統能夠更精細化實時監管并引導車輛、軌道交通、甚至是飛行器，并與管控平臺形成高效數據交互，通過分布式協同調控，實現最優化調度，提升智能交通動態運輸性能及效率。
醫療健康
CPS技術與醫療健康的深度融合使得傳統的健康監測、醫療救治、疫病防控等應用極大拓展，醫療健康步入了“醫療保健4.0”時代。基于CPS體系架構建立的健康監測系統能夠有效匯聚患者和醫療機構的各類數據(如電子健康記錄、藥品購買記錄等)，通過對時空分散無序的健康數據挖掘分析，實現精準個性化、定制化的醫療或保健服務。遠程醫療及遠程緊急救助則是cps與醫療健康結合最顯著的產物之一。CPS技術的應用可以有效提升疾病篩檢、病毒溯源、疫情預測以及病人跟蹤效率。
安全機制與威脅
CPS因其多元開放性，更容易受到惡意攻擊。結合CPS系統特點，CPS安全可劃分為四個方面：物理安全、基礎安全、業務安全和安全管理。CPS在物理空間和信息-物理融合的層次將面臨物理攻擊、感知組件攻擊等威脅。在基礎安全方面，針對CPS基礎網絡、主機和數據的安全攻擊將威脅系統的多種重要屬性。CPS業務安全面臨的威脅主要針對其互操作性和協同安全。而cps在安全管理上面臨的威脅主要來自于安全策略篡改、風險評估偏差、安全更新失效、安全計劃缺失等。
如何構建CPS安全狀態評估及綜合安全防御技術，通過系統自診斷、自發現、自修復和自免疫實現綜合立體安全防御成為決定CPS技術能否在核心領域應用的關鍵。
未來發展與挑戰
CPS作為支撐和引領全球新一輪產業技術變革的核心技術之一，正朝著體系化、層次化、復雜化方向發展。但CPS自身理論和技術難點，以及面向不同產業的垂直縱深應用需求發展，都面臨著諸多挑戰。
未來發展
經過多年的發展，cps開始了從理論向實踐工程的探索。在產業發展方面，CPS 產業應用將日益完善，大型企業向軟件化、平臺化方向開發CPS 解決方案，中小企業基于外部平臺獲得定制化服務，降低轉型成本。解決方案服務商間優勢互補，共同為企業提供優秀方案。CPS 應用場景覆蓋研發設計、生產制造、運營管理等全過程，應用場景建設是企業持續發展的關鍵。
CPS 是概念技術的集大成者。當前新一代信息通信技術蓬勃發展，與制造業的融合也逐步深入，同時也產生了各種概念和新技術，從技術視角看其本質是cps 在不同階段、不同場景、不同領域的具體應用。 如何有效結合領域前沿技術，并綜合先進感知技術、下一代通信網絡、云邊高性能計算、人工智能、區塊鏈等新技術，實現對CPS技術的迭代升級，進而實現應用場景與“CPS+”深入融合，拓展其應用將具有更加顯性和重要的現實意義。
挑戰
在技術方面，由于CPS是物理子系統與信息子系統耦合作用而形成的復雜系統，亟需解析信息-物理耦合機理，形成全新的CPS智能控制理論與技術體系。在應用方面，CPS結合不同行業、不同業務環節的特點從資產、業務、服務3 個維度，為企業帶來不同的價值，CPS 如何落地已成為當前企業面臨的新挑戰。在安全方面，需要解決安全模型、多源數據的關聯關系、工程安全和網絡信息安全異構管理的數據、基于CPS 綜合安全機理與數據的監控和防衛等問題。在標準化方面，為了解決不同場景中的互操作性和復雜性問題，亟需建立一個系統、完善、開放的標準體系作為支撐，有效解決相關技術領域標準散亂、覆蓋面不全、交叉重疊等問題。
參考資料 >
信息物理系統白皮書（2017）.中國電子技術標準化研究院.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
信息物理系統建設指南（2020）.中國電子技術標準化研究院.2023-01-31