1.4 数字孪生体与信息物理系统

2006年，美国国家科学基金会首先提出信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）的概念，CPS被定义为由具备物理输入、输出且可相互作用的元件组成的网络。它不同于未联网的独立设备，也不同于没有物理输入、输出的单纯网络。2011年，德国提出了“工业4.0”，其内涵是利用CPS将生产中的供应、制造和销售等信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应，其本质是充分利用CPS将制造业向智能化转型。CPS是一个综合计算、通信、控制、网络和物理环境的多维复杂系统，并以大数据、网络与海量计算为依托，通过3C （Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。2017年3月，中国工业和信息部发布了《信息物理系统白皮书（2017）》，指出CPS是支撑两化深度融合的综合性技术体系，是推动制造业与互联网融合发展的重要抓手。CPS把人、机、物互联，实体与虚拟对象双向连接，以虚控实，虚实融合。CPS内涵中的虚实双向动态连接，有两个步骤：一是虚拟的实体化，如设计一件产品，先进行模拟、仿真，然后再制造出来；二是实体的虚拟化，实体在制造、使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端，通过虚拟方式进行监控、判断、分析、预测和优化。

CPS通过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。数字孪生的出现为构建CPS提供了清晰的思路、方法和实施途径。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中进行全要素重建，并形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生体。因此，数字孪生技术是构建CPS的关键核心技术，也是实现智能制造的关键使能技术之一。