2.2.1 信息物理系统
1 信息物理系统的基本概念
信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS），又可称为“赛博物理系统”“信息物理融合系统”等，本书参考《中国制造2025》中的名词定义，称为“信息物理系统”。这个概念体现了信息空间和物理空间的互相融合，和数字孪生这一概念十分类似，这点也可以从国内相关学者对CPS的特征总结“数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治”[38，39]中看到。CPS作为德国“工业4.0”中的核心系统，在2013年后引起了大家的关注。
CPS最早在1992年由NASA提出。2006年举办了国际上第一个关于CPS的会议，会议上，美国国家科学基金会（NSF）科学家Helen Gill对CPS的概念进行了详细描述。CPS引起广泛关注的同时，由于各国发展现状不同，对于CPS的理解也有所不同。NSF认为CPS是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。在CPS中，计算被“深深嵌入”到物理系统中。CPS的功能由计算和物理过程交互实现。欧盟第七框架计划指出CPS包含计算、通信和控制，它们紧密地与不同物理、机械、电子和化学过程融合在一起。工业和信息化部指导、中国信息物理系统发展论坛发布的《信息物理系统白皮书2017》对CPS的定义是，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[39]。
CPS的本质是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动闭环赋能体系，通过状态感知、实时分析、科学决策、精准执行，解决实际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2-4所示。CPS内部的信息空间和物理空间、CPS之间、CPS和人之间都有连接。
图2-4 CPS本质[39]
CPS的四大核心技术要素分为“一硬”（感知和自动控制）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和智能服务平台）。其中感知和自动控制是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，对外提供资源控制和能力服务。
CPS具有层次性，一个智能部件、一台智能设备、一条智能生产线、一个智能工厂都可以成为CPS。同时CPS还具有系统性，一个工厂可能涵盖多条生产线，一条生产线也会由多台设备组成，因此可将CPS层次划分为单元级、系统级、体系（System of Systems，SoS）级三个层次。CPS构建了一个能够联通物理空间和信息空间，驱动数据在其中自动流动，实现对资源优化配置的智能系统。这套系统在有机运行过程中，表现出的典型特征有：数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治。
CPS概念是随“工业4.0”而为广大用户重视，但是CPS的概念不只是在制造领域，建筑、城市都可以看作是一个CPS系统或者CPS体系。
2 人-信息-物理系统
2018年，中国工程院周济、李培根等院士发表了《走向新一代智能制造》，里面除了提出了“数字化-网络化-智能化”这一智能制造范式外，还提出了“人-信息-物理系统”（Human CPS，HCPS）的概念[40]。
传统制造系统包含人和物理系统两大部分，是完全通过人对机器的操作控制去完成各种工作任务的系统，是一种“人-物理系统（HPS）”。信息系统（Cyber System）的引入使得制造系统同时增加了“人-信息系统”（Human-Cyber System，HCS）和“信息-物理系统”（Cyber-Physical System，CPS），并形成了HCPS。新一代人工智能技术的发展形成了新一代“人-信息-物理系统”（见图2-5）。主要变化在于：第一，人将部分认知与学习型的脑力劳动转移给信息系统，因而信息系统具有了“认知和学习”的能力，人和信息系统的关系发生了根本性的变化，即从“授之以鱼”发展到“授之以渔”；第二，通过“人在回路”的混合增强智能，人机深度融合将从本质上提高制造系统处理复杂性、不确定性问题的能力，极大地优化了制造系统的性能。
从系统构成看，HCPS是以人为中心、由HPS进化而来，是由人、信息系统和物理系统有机集成的综合智能系统，包括HPS、HCS、CPS等子系统，是当代和未来世界有效解决各种问题的一种普适形态和观念，覆盖人类生产和生活的方方面面。其中，物理系统是主体，是制造活动能量流与物质流的执行者；信息系统是主导，是制造活动信息流的核心，辅助或者代替人类对物理系统进行感知、认知、分析决策与控制，使物理系统以最优的方式运行；人是整个系统的主宰和关键，一方面，人是物理系统、信息系统的创造者，信息系统的“智能”是由人赋予的，另一方面，人也是系统的使用者、运营者和管理者。因此，无论物理系统还是信息系统都是为人类服务的。相比于传统HPS中人对机械系统的直接作用，在HCPS中，部分劳动者从枯燥、繁琐的体力劳动中解脱出来，物理系统（机械）可更好更快地完成大量机械工作（即机械自动化），同时信息系统也有效提高了脑力劳动的自动化水平（即知识自动化），解放了人类的部分脑力劳动。
图2-5 从“人-物理系统”到新一代“人-信息-物理系统”[40]
HCPS的发展过程实际上也是信息技术不断发展的过程，即从数字化（HCPS 1.0）、网络化（HCPS 1.5）走向智能化（HCPS 2.0）。
3 CPS与数字孪生的关系
CPS和数字孪生都体现了泛在连接、虚实映射，因此，两个概念有一定的联系。CPS更多地可以看作是一个理念，而数字孪生是一种技术实现。从广义上说，数字孪生系统可以看成是一个CPS系统或CPS体系，体现了物理对象和信息空间虚拟模型之间的互动。
CPS是一个系统的整体理念，它着重于控制。CPS的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行是一个单元或一个系统的完整功能，缺一不可。如果物理对象离开了信息空间对象的控制，可能就不能运行，不能实现全部功能。
数字孪生侧重于信息空间的数字孪生体，通过数字孪生体的运作来更好地帮助物理系统的运行。从某种意义上说，如果没有数字孪生体的支持，物理系统也可以运行，实现部分甚至全部的功能。以航天器的物理孪生来类比，地面上的孪生体如果发生故障不能运行，不会影响到太空中航天器的功能。从这个意义上说，数字孪生系统的“整体性”没有CPS这个概念那么严格。
CPS概念及其实现能促进数字孪生系统的建设。从目前很多智能系统来说，其本身就是一个CPS单元或CPS系统，例如，数控机床、智能机器人等CPS单元，智能车间、智能交通系统等CPS系统，这些单元和系统都体现了信息空间和物理系统之间的互动，其数据、控制和管理模型等都存在于信息空间，为进一步构建数字孪生体实现数字孪生系统打下了坚实基础。数字孪生系统也可以看作是CPS理念的一个具体应用实现。