GB/T 40020-2021.Cyber-physical systems-Reference architecture.
1范围
GB/T 40020规定了信息物理系统参考架构,确定了信息物理系统共同关注点、用户视图和功能视图。
GB/T 40020适用于制造业开展信息物理系统的设计开发、测试验证和实施应用。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 40021-2021信息物理系统 术语
3术语、定义和缩略语
3.1 术语和定义.
GB/T 40021-2021中界定的术语和定义适用于本文件。
3.2缩 略语
下列缩略语适用于本文件。
CPS信息物理 系统(cyber-physical systems)
VPN虚 拟专用网络(virtual private network)
5共同关注点
5.1概述
共同关注点既适用于CPS的用户视图，又适用于CPS的功能视图,包括:
a)价值创造;
b)虛实融合;
c)闭环迭代;
d)知识决策;
e)异构集成;
f)容错健壮;
g)弹性扩展;
h)安全可信。
5.2价值创造
CPS的建设和使用应能够为相关方带来资本回报、模式创新等直接经济价值或间接经济价值。
价值创造主要特性包括:
a)经济性:CPS 能够面向不同用户角色，实现例如效率提升、成本降低、资源节约、质量增强、资产保值等方面的有益效果,为相关方带来有效收益;
b)创新性:CPS 能够基于感知、分析、决策、执行的价值创造过程,实现原有工作方式、生产技术、协作关系、金融结构等要素的重新定义,为研发设计、生产制造、产业链协同等环节提供新模式、新业态。

ICS 35.100.05
中华人民共和国国家标准
GB/T40020—2021
信息物理系统
参考架构
Cyber-physical systems-Reference architecture2021-04-30发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2021-11-01实施
规范性引用文件
3术语、定义和缩略语：
4CPS参考架构概述
5共同关注点
用广视图
功能视图
参考文献
-rKaeerka-
GB/T40020—2021
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草：GB/T40020—2021
请注意本文件的某此内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承扭识别这此专利的责任。本标准由全国信息技术标准化技术委员会（SAC/TC28)提出并归口。本标准起草单位：中国电子技术标准化研究院、西安电子科技大学、北京兰光创新科技有限公司、北京元工国际科技股份有限公司、北京和利时智能技术有限公司、重庆大学、深圳赛西信息技术有限公司、深圳华龙讯达信息技术股份有限公司、震兑工业智能科技有限公司、重庆邮电大学、北京天泽智云科技有限公司、江苏极焰物联科技有限公司、广东工业大学、北京航空航天大学、智能云科信息科技有限公司、南瑞集团有限公司、四川长虹智能制造技术有限公司、江苏金陵智造研究院有限公司、广州明路汽车装备有限公司、浙江杰芯科技有限公司、华东师范大学、湖南大学。本标准主要起草人：丁秀明、苏伟、贾超、孔宪光、朱铎先、邱伯华、丁德宇、李大辉、夏晓峰、工程安、龙小昂、罗志刃、金超、张星星、程良伦、陶飞、丁研、黄琳、董孝虎、工涛、焦提兵、张羽、赵杰、陈曦、张晓、白欧、倪明、符欣、党磊、「斌、杨大胜、景清、宫思艺、陈铭松、魏同权、本仁发。-riKaeerkAca
1范围
信息物理系统
参考架构
GB/T40020—2021
本标准规定了信息物理系统参考架构.确定了信息物理系统共同关注点、用户视图和功能视图。本标准适用于制造业开展信息物理系统的设计开发、测试验证和实施应用。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。信息物理系统术语
GB/T400212021
3术语、定义和缩略语
3.1术语和定义
GB/T40021一2021中界亲的术语和定义适用于本文件。3.2
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
CPs信息物理系统(cybcr-physical systems)VPN虚拟专用网络（virtualprivate:network）4CPS参考架构概述
4.1图例
本标准使用的图例见图1所示。
子角色
一信息流
关系流
共同关注点
本标准使用的图例
-rKaeerkAca-
功能组件
GB/T40020—2021
4.2CPS参考架构框架
CPS参考渠构山共同关注点用户视图和功能视图组成，见图2所示，共同关注点
子角色
子角色
用户视图
5共同关注点
5.1概述
功能组件
功能组件
功能件
广功能组件
功能视图
图2CPS参考架构框架
共同关注点既适用于CPS的用户视图，又适用于CPS的功能视图，包括：a)
价值创造；
虚实融合；
闭环送代；
知识决策；
异构集成：
容错健壮；
弹性扩展；
安全可信，
5.2价值创造
功能组件
CPS的建设和使用应能够为相关方带来资本回报、模式创新等吉接经济价值或间接经济价值。价值创造主要特性包括：
a）经济性：CPS能够间向不同用户角色，实现例如效率提升、成本降低、资源节约、质量增强、资产保值等方面的有益效果，为相关方带来有效收益；创新性：CPS能够基于感知、分析、决策、执行的价值创造过程，实现原有工作方式、生产技术、h
协作关系、金融结构等案索的重新定义，为研发设计、生产制造、产业链协同等环节提供新模式、新业态。
5.3虚实融合
CPS应能够实现制造全流程中人、设备、物料、工艺过程/方法、环境等物理实体与相对应的信息虑体之间进行映射、反馈、交互、联动等活动。2
-rKaeerka-
虚实融合主要特性包括：
a）时间同步：CPS具有软件与硬件间时钟校准并符合统一时间标度的能力：GB/T40020—2021
b）双向反馈：CPS具有物理实体与信息虚体间数据、状态、行为的双向信息传输能力5.4闭环送代
CPS应能够面向产品全生命周期，通过感知、分析、决策、执行闭环逻辑的重复施行，实现信息虚体对物理实体的优化与改进。
知识决策
CPS应能够基丁数据资源、算法资源、模型资源等多源信息资源的分析处理，协助进行商业级、组织级、操作级等级别的优化决策。5.6
异构集成
CPS应能够通过异构组件间的兼容和适配实现异构组件间的信息共享和透明访问。异构集成主要特性包括：
a）兼容件：CPS具有硬件之问、软件之间或软硬件组合系统之间相互协调工作的能力。b）互.操作性：CPS能够实现异构组件间的信息共享与交互。5.7容错健壮
CPS应具有一定的抗干扰、处理异常情况的能力·在出现一般级别外部影响时仍能正确执行预定的功能，是衡量CPS能否在出错条件下恢复原有能力的一种测度。容错健壮主要特性包括：
a）可靠性：CPS的每个组件具备足够低的失效率使得CPS总体能够达到稳定的状态。b）可用性：CPS具备在一定限制条件内正确执行其功能的能力。5.8弹性扩展
CPS应具有功能组件灵活定制并可使捷扩展系统功能的能力：弹性扩展主要特性是扩展性，（PS充许已部罩或者正在运行的系统在低成本、简易化操作情况下加人新的功能或者组件.能够实现系统结构和所提供服务的动态调整。5.9
安全可信
CPS应具备提供物理安全、基础安全、业务安全、安全管理以及可信保障的能力。主要特性包括：a）安全性：CPS具备坏境安全防护能力：具备网络、数据、应用、互操作等基础及业务安全防护能力；具备功能安全防扩能力，并能够制定相应的安全策略，可信性：CPS在开展资源访问、系统交互.，业务协同等活动时应具备一定保障机制，确保其活h)
动过程可以信赖。
6用户视图
6.1概述
用视图包括用广方、提供方、美联方三种角色及相美活动，见图3所示。-riKacerKAca-
GB/T40020—2021
关联方
咨询服务者
建议指导
测试评估者
安全测译
项目监理者
执行监理
业务决策
管理者
过程管控
绩效评估
运维者
运行维护
开发者
需求分析
规划设计
【测试验证
集成者
集成设计
部署实施
用户方
提供方
图3用户视图角色与相关活动
用户方、提供方、关联方之间的关系包括：a
研发设计
运维服务
使用者
生产制造
经营管理
产业链协同
资源提供者
提供须件
提供网络
提供知识
（提供软件）
提供平台
（提供安全
运背者
运维管理）
经营管理
用户方负责回提供方提出CPS业务需求和使用中、故障后的信息反馈，并回关联方提出CPS咨询服务和建设过程监理需求：提供方根据用户方需求，完成CPS设计，实施和优化.并交付给用户方使用，同时配合关联方完成（CPS建设的监理工作；
关联方负责为用户方和提供方提供咨询、监理、测试评估服务：CPS用户视图各角色间关系见图4所示，用户方
数障发镜
变用疫锁
业务微求、
提供方
咨谢、
监理、
试评估服务
避试评估需求
咨询、监理、测试评估需求
咨询、监理、测试评估服务
用户视图角色
-rKaeerkca-
关联方
6.2CPS用户方
6.2.1子角色
CPS用户方包括管理者、使用者和运维者三个子角色：GB/T40020—2021
a）管理者负责CPS业务决策，对CPS使用者和运维者的活动进行过程管控、绩效评估b）使用者负责提出业务需求，使用（PS开展相关业务的执行，反债：c）运维者负责保证CPS正常运行，为CPS使用者提供相关的技术支撑。6.2.2活动
6.2.2.1管理者相关活动
管理者相美活动包括：
a）业务决策：综合考虑成本、效率、质量等因素，结合企业业务现状和月标，根据CPS数据和状态开展相关决策活动；
b）过程管控：对CPS使用者、运维者的活动进行监督与控制；）绩效评估：围绕CPS应用的过程及结果制定绩效指标，并对CPS使用名、运维名开展评价6.2.2.2使用者相关活动
使用者相关活动包括：
研发设计：基于产品在制造、使用、售后和回收拆解环节采集的用广反馈和生产反馈信息，构建a
真实数据与设计环节之间的信息交互平台，实现试验、制造、装配等环节在虚拟空间中的仿真以及迭代、优化和改进；
b）生产制造：基于生产过程中人、机、物的状态数据和事件信息，构建数字化制程模型，实现生产过程监控、生产资源誉理与调度；运维服务：通过对装备/产品上传的运行参数、维保用广使用等数据进行挖拥分析，实现故障e
的快速解决，减少停机时间并降低维修成本；d）经营管理：通过数据挖、模型计算等手段对客户特征近行分析，实现满足客户需求的精准营销，并挖挪客户新的需求，实现企业经营的辅助管理；e）产业链协同：基于平台「的产能模型、供应商评价模型等，白动生成产业链：下游企业的生产作业计划，并支持企业间生产作业计划的统一调度，实现制造能力跨区域、跨界的整合6.2.2.3运维者相关活动
基于收集到的系统状态监测数据，构建系统运行模型和故障知识库，给出预测性维护解决方案，实现基于设备运行状态的定期邀检、问题发现、故障解决，维护保养闭环管理，6.3
CPS提供方
6.3.1子角色
(PS提供方包括开发者、资源提供者、集成者和运营者四个子角色：a）开发者负责确保CPS相关设计和开发过程满足需求：b）资源提供者负责为CPS提供相关基础资源；-riKacerKAca-
GB/T40020—2021
c）集成者负责开展CPS集成规划，搭建完整集成架构，满足CPS全业务活动集成需求：d）运营负责确保CPS业务服务满足运营目标6.3.2活动
6.3.2.1开发者相关活动
开发名相关活动包括：
a）需求分析：基于数据挖掘、模型计算等手段科学分析客户特征，获取客户目标用户、适用场景、行为路径等信息，为规划设计提供依据，实现客户需求信息的精准挖掘：b）规划设计：基于客户需求信息，结合企业白身发展现状与日标，对具体技术架构、资源配给、建设固期、人员支持，口标考核进行合理规划：开展（PS架构设计功能设计应用场景设计：实现CPS功能模块合理划分，满足CPS应用要求：c）开发实现：基丁开发工具和软硬件资源，搭建CPS开发环境，并结合实际业务场景需求，对系统软件进行针对性修改或功能扩展，实现开发人员对不同行业，不同场景特定应用的快速开发与部翼；
测试验证：对（CPS的开发、设计和实现中的关键要素以及不同场景、不同行业的（PS实现过程与方法进行测试验证，实现（PS性能与功能的有效验证。6.3.2.2
资源提供者相关活动
资源提供名相关活动包据：
a）提供硬件：提供满足CPS运行的基础硬件设备；b）提供软件：提供满足CPS运行的开发环境、工业软件，开发集成工具、巾间件等：提供网络：提供满足（PS信息互通传递的网络环境，包括：基础网络架构、基础网络硬件、软件以及所分配网络资源的管理权限：d）提供平台：提供满足CPS开发与部署过程中处理、存储等能力的计算资源，以及对所分配计算资源的管理权限；下载标准就来标准下载网
提供知识服务：提供满足CPS全牛命周期的知识库，实现满足客户需求的精准服务；f
提供安全服务：提供确保CPS安全运行的防护措施。6.3.2.3
集成者相关活动
集成名相关活动包括：
a）集成设计：基于各类组件之间的接口及协议情况，提供CPS集成规划，构建完整的CPS集成架构。
部实施：基于集成规划，利用市间件工具数据接口、集成平台等手段，开展部将与实施工作。6.3.2.4运营者相关活动
运营名关活动包括：
a）运维管理：基于故障诊断以及系统升级等手段，对CPS运行故障近行及时处理，保障（PS的稳定运行，实现CPS在速度、质量、安全、人机友好性等方而的送代优化。b）经营管理：基手用户管理、营销管理、订单管理、计费计量、客服管理等手段，构建CPS经营管理机制，实现CPS经营活动的正常运行。6
iiKaeerkAca-
6.4CPS关联方
6.4.1子角色
CPS关联方包括咨询服务者、测试评估者、项目监理者个子角色：a）咨询服务名负责为CPS用户方、提供方提供咨询服务；GB/T40020—2021
h）测试评估者负责为（PS用户方、提供方提供功能、性能等关键因素测试和评估服务：c）项目监理名负责为CPS用户方、提供方提供成本、进度、质量等监督管理服务。6.4.2活动
6.4.2.1咨询服务者相关活动
咨询服务者主要活动为建议指导：基于客户需求信息，综合考虑使用过程中的成本、效益因素，给出技术、工程和管理等方面的合理化建议，实现CPS开发、部署、应用的精准指导。6.4.2.2测试评估者相关活动
测试评估者主要活动为对（PS相关功能，性能和安全指标进行测试或评估，判断是否满足与业务相关的功能、性能以及安全性需求：6.4.2.3项目监理者相关活动
项月监理名主要活动为执行监理。通过对CPS成本、效率、质量的监督管理，保障CPS建设的高效实施。
7.功能视图
7.1概述
功能视图包括业务域、融合域、支撑域、安全域四种功能域及相关功能组件（见图5）：a）业务域负责执行CPS使用者相关活动，包含研发设计、生产制造、运维服务、经营管理、产业链协同功能红件：
融合域基于感知、分析、决策、执行的闭环功能体系，负责实现信息空间与物理空间的融合应)
用，包含物理空问、信息空间、数字李生服务、数字主线、数字李生体以及感知、分析、决策、执行等功能组件；
c）支撑域负责为（PS提供所需的资源.包含网络、数据和集成功能组件；d）安全域负责保障各功能域的安全·包含业务安全、基础安全、物理安全和安全管理功能组件-riKacerKAca-
GB/T40020—2021
研发设计
机理建模
传感器
工业有线
工业无线
业务域
生产制造
业务建模
业务域
运维服务
融合域
信息空间
数字李生服务
数学主线
数字李生体
数字模型
知识封装
李生教据
物理空间
执行器
经营管理
物理实体（人、机、料、法、环）支撑域
业务域具体功能描述见6.2.2.2。7.3
融合域
7.3.1物理空间功能组件
产业链协同
互操作
CPS功能视图架构
安全域
业务安全
基础安全
物理安全
安全管理
物理空间功能组件包括传感器、执行器以及制造全流程中人、设备、物料、工艺过程/方法、环境等物理实体，是完成制造任务的关键组成要素。7.3.2信息空间功能组件
信息空间功能组件负责将物理实体的身份、几何、功能、机理、运行状态等信息进行数字化描述与建模，形成数字李生体，基丁数字主线对物理实体提供映射、监测、诊断、预测、仿真、优化等功能服务，信息空间包括数字变生体、数主线、数字变生服务功能组件。7.3.3数字李生体功能组件
数字李生体功能组件能够将物理实体的各项参数进行映射，具备与物理实体交互、决策的能力，由李生数据与数字模型组成。
李生数据能够通过传感器更新、运行历史、物理模型等将物理空问显性、隐性数据在信息空问集中汇聚、呈现，是构建数字李生体的核心要素，数字模型能够在信息空间再现物理实体的物理属性、功能、行为和性能等，支撑数字变生体完成相关服务，数字模型包括：
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GB/T40020—2021
a）机理建模：提供展现系统行为模型或规则的功能。根据物理、化学等原理，或根据领域知识与经验，将物理实体映射到信息空间，汇聚分散在各封闭组织内的数据，从数据中发掘工业机理和规律；
b）业务建模：负责对业务流程、业务关系、几何原理等进行数学建模，汇聚业务应用数据，在信息的流动中实现业务优化；
c）知识封装：提供可持续地积累知识的功能，包括知识结构建立、知识生命周期管理等；数据挖掘：通过对数据的处埋、分析，发掘数据中隐藏的规律与具有潜在价值的信息，为系统提d
供行为预测模型；
e）其他模型。
7.3.4数字主线功能组件
数字主线功能组件负责以统的模型为核心，构建包含产品全生命周期与全价值链的数据流，蔬通信息孤岛，驱动知识生成，建立统一的数据、信息、知识的传递和访问规则。7.3.5数字李生服务功能组件
基于数学主线完成物理实体在信息空间的模型映射，开基于传感监测和数据传递实现对物理实体的诊断，预测，仿真，优化。
数字李生服务功能组件包括
a）映射：负责建立物理实体在信息空间中的数字化特征模型，完成信息虚体映射，从而反映对应的物理实体全生命周期过程。监测：通过各类传感器感知内外部的数据，负责完成物理实体数据向数字化表征的传递.完成b)
在信息空间中对相应物理实体的观察活动。c）诊断：通过对历史信息、实时信息的综合处理，负责将信息空间的信息转化为知识，实现对物理实体状态的评估。
预测：基丁诊断评估的结果，负责实现数字化模型对物理实体的末来预测，提供史全面的决策d)
c）仿真，负责基于虚拟仿真、多学科仿真、半物理仿真等仿真模型，充分模拟产品性能指标、产品使用状况、生产线运行状态、试验测试等行为。优化：负责基丁监测、诊断、预测和史新的不断送代，实现物理实体中相应资源的持续动态f)1
优化：
7.3.6感知功能组件
感知功能组件负责将各类传感器技术应用至物理空问，实现物理实体身份、儿何、功能、机理、运行状态等多源数据的全方位实时采集。7.3.7分析功能组件
分析功能组件负责结合环境、工况、事件等信息，对物理空间感知数据进行分析计算，实现对物理实体的识别、诊断、预测与分析,为决策提供依据。7.3.8决策功能组件
决策功能组件负责根据物理空间感知数据分析结果，结合约束条件与优化月标，利用领域知识建立数学模型，实现决策优化：
-riKacerKAca-
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