该书从基本概念、设计方法和应用实例三个方面入手，系统全面地介绍了嵌入式系统、信息物理融合系统、物联网、普适计算等方面的基础知识和基本原理，并介绍了信息物联网融合系统在数字制造业/工业4.0方面的应用场景和社会影响。

无

本书的目标是提供全面的、深入的、先进的信息物理系统基本原理及其应用的综述，介绍信息物理系统的基本方法，清楚地展示大量的信息物理系统在整个生产制造工作中的重要位置，并为理解信息物理系统的复杂性提供一个理想的框架。为了这个目标，在处理本书的材料时做了一些选择。本书采用自顶向下的方法介绍系统和嵌入式计算系统的基本原理，并重点讨论信息物理系统和物联网的需求。此外，本书还介绍了普适计算的概念，并描述了一系列基于当前数字化技术的信息物理系统相关的智能产品和服务，这些技术涉及嵌入式、微型计算机、传感器、标签、网络、智能设备等。本书还提供了一个学习框架，使读者可以从中学习到互相关联的知识体系。如果没有这样的参考学习框架，读者就要分别考虑那些彼此孤立和晦涩的术语、标准及工程实践案例。因此，本书的内容涵盖了信息物理系统的所有方面，并为数字制造/工业40中与信息物理系统相关的诸多问题提供一个技术框架。书中的主题包括作为信息物理系统典型应用场景的定制化生产、网络化制造、开放式和封闭式生产线等，以及它们在系统和软件工程中的相关技术方法。
首先，本书介绍了系统研究的概况，并介绍了其四个基本步骤：（1）建模；（2）建立数学方程，使用输入、输出和状态变量的标准形式描述系统；（3）分析系统；（4）设计系统。此外，还介绍了在嵌入式计算系统中系统扩展的数学背景。嵌入式计算系统是针对特定应用或产品的基于计算机的专用系统，书中对其作为信息物理系统平台的重要性进行了讨论。
然后，本书详细地描述了新一代的工程系统——信息物理系统，它和物联网是数字制造/工业40范式中最重要的组成部分。物联网是一个使用标准因特网协议簇（TCP/IP）为全球数十亿用户提供服务的互联计算机网络系统。在此基础上，本书还介绍了普适计算（也称为泛在计算），并对当前相关技术（智能物体）进行了介绍，包括嵌入式、传感器、标签、网络、其他（移动、可穿戴、无线）智能设备，以及智能环境（嵌入式计算系统、传感器执行器网络）和智能交互（设备、环境和任何事物之间的紧密集成与协作）等。针对上述方法本身的复杂性，系统和软件工程是一种基于特定的思维模式及基本原理设计复杂技术系统的跨学科方法，它将信息物理系统作为数字化制造系统/工业40中智能化和网络化的组件，称为智能工厂方法。
然而，本书不能详细地描述信息物理系统和数字制造/工业40中所有的创新内容。因此，读者可以参考每章后列出的补充材料，例如教材、参考指南、用户手册等，以及书中涉及的几个主题的网络资料。
最后，本书从不同的工业实践和学术研究中总结了一些实际的案例研究，以说明数字制造/工业40背景下的信息物理系统相关技术的实际应用情况和正在进行的研究工作。
本书可作为信息物理系统相关大学课程的教材或参考书，也可供计算机科学、电子与计算机工程、信息技术和信息系统、应用数学、运筹学以及商务信息和管理等相关专业的学生阅读。这本书的内容对于那些对信息物理系统设计感兴趣的研究人员也非常有用。公司中相关部门的工程师也可以使用书中描述的原则来进行产品设计。
如果读者从未接触过信息物理系统相关的技术方法，可能很难快速阅读和理解书中的材料，因为信息物理系统和数字制造/工业40是一个建立在计算机科学、工程、数学、运筹学等学科之上的多学科交叉领域。具体的案例研究已经包括在相关的主题中，以帮助读者理解和掌握书中的技术内容。读者需要对概率统计和微积分有一定的了解，最好具有一些系统和软件工程方面的经验。
本书可以作为一门课程的主教材，其内容可以覆盖一个季度（30小时）或一个学期（45小时）的课程。教师可以自主选择主题，并添加自己的案例研究。本书还可用于自学，供相关领域工程师和科学家进行在职培训，以及作为信息物理系统与数字制造/工业40的从业人员和研究人员的参考书。
对于使用本书作为教材的教师，可以从wwwspringercom/book/ 9783319251769下载各种教学辅助材料，包括一整套用于讲课的幻灯片和所有课堂录像关于本书教辅资源，需要的教师可与施普林格亚洲有限公司北京代表处联系，电话：0108267 0211895，电子邮件：parickchen@springercom。——编辑注 。
本书分为8章，每章可以独立阅读，也可以连续阅读。
第1章介绍了系统研究的基本内容，包括四个基本步骤：（1）建模；（2）建立数学方程，使用输入、输出和状态变量的标准形式描述系统；（3）分析系统；（4）设计系统。该章还基于可控性、可观测性和可识别性理论介绍了线性系统中成分分析的概念，并通过分析其行为或复合结构介绍了线性系统的解析方法。最后，给出了确定系统稳态误差的方法，该分析方法描述了一个系统随着时间推移到无穷时输入和输出之间的差异。
第2章介绍了嵌入式计算系统的相关概念及其硬件结构，以及一种确定嵌入式计算系统设计指标的方法，该方法定义了特定需求规格下的设计准确性。此外，该章详细地介绍了针对不同控制规律的数学符号以及软硬件协同设计的主要方法。
第3章总结了第1章和第2章的技术内容，并在此基础上介绍了信息物理系统的相关概念，该章的目标是确保不同工程和学科背景的读者对信息物理系统有相同的理解。信息物理系统通过在物理系统中添加信息功能，将计算和通信能力嵌入物理过程，并与物理过程进行交互。因此，第3章专注于信息物理系统的设计建议，根据信息物理系统的需求突出相应的设计方法。信息物理系统涵盖了极其广泛的应用领域，通过采用抽象的技术知识和设计工具，能够更方便地对系统进行设计，并通过将最佳实践应用于信息物理应用程序，设计更可靠的信息物理系统。技术和经济方面的驱动力创造了一个能够实现一系列新功能的信息物理环境。同时，该章还详细地描述了智慧城市和大量信息物理系统应用主题。智慧城市以数字化技术为基础，介绍了如何利用互联网来建立更有效的智慧城市基础设施和服务。
第4章介绍了使用标准互联网协议簇（TCP / IP）为全球数十亿用户提供服务的互联计算机网络系统，并介绍了其使用的相关技术，然后详细地介绍了无线射频识别技术（RFID）、无线自动识别技术以及无线传感器网络技术，这些技术在远程环境监测和目标跟踪等方面有着重要的应用。这些应用是由更小、更便宜、更智能的传感器所实现的。该章还介绍了电力线通信技术在智能家居领域的应用情况。
第5章对普适计算相关技术（智能物体）进行了介绍，包括嵌入式技术、传感器、标签、网络、其他（移动、可穿戴、无线）智能设备，以及智能环境（嵌入式计算系统、传感器执行器网络）和智能交互（设备、环境和任何事物之间的紧密集成和协作）等。因此，该章涵盖了普适计算和相关应用中涉及的标签、传感和控制等重要主题（例如自治系统），并对其复合结构和容错行为进行了分析。
第6章介绍了系统和软件工程的基本概念及相关技术。作为一种跨学科的工程技术方法，其主要侧重于在系统的生命周期中如何成功地设计、实施、评估和管理复杂的工程系统。该章还讨论了信息物理系统的设计挑战以及如何使用Cradle进行需求定义和管理。Cradle是一个系统工程和需求管理工具，可将整个项目生命周期整合到一个大规模的、可扩展的、集成的多用户软件中。此外，该章还介绍了软件工程的相关概念，尤其是V模型和敏捷软件开发方法，以及信息物理系统中软件设计的不同要求。
第7章首先简要介绍了制造业和能源技术及其在工业革命方面的机会，还介绍了智能制造、敏捷制造和智能工厂相关的数字制造技术，它们是数字制造/工业40的重要基础。根据这些知识，该章还介绍了个性化生产的概念，这是智能工厂领域的重要应用，也涉及网络制造一体化行业和智能供应链的理念，介绍了产品数据在互联网上共享的服务宗旨。此外，还讨论了开放式和封闭式生产线的范例，以及数字制造/工业40的网络安全方面的重要议题。最后，该章用6个在工业和学术研究领域的案例来深入探讨数字制造/工业40项目。
第8章介绍了由现代全球化的数字化工作环境与制造业的发展带来的技术变化，并介绍了技术在未来工作生活中的社会影响。因此，该章涉及数字化和自动化对未来经济、社会和组织的挑战。该章还介绍了在数字制造/工业40方面的工作领域中不断变化的需求。同时，向读者介绍了更多的产品个性化定制以及全球数字化转型的主要概念。
除了方法和技术内容外，本书中的所有章节均包含了章节相关的深入理解问题（练习），以帮助读者确定是否获得了所需的知识，判断可能的知识差距，并解决存在的问题。此外，所有章节还包括了进一步阅读的参考文献和阅读建议。
我要特别感谢内布拉斯加大学林肯分校的Patricia Worster对校对工作提供的帮助，感谢Springer出版社的Simon Rees帮助协调出版社和作者之间的工作。此外，还要感谢Simulation Science Center ClausthalGttingen的Alexander Herzog，根据我的草图画出本书的插图。同时，我衷心地感谢已发表的信息物理系统相关材料的所有作者，书中直接或间接引用了他们的材料，感谢他们为本书做出的贡献。
最后，我要深深地感谢我的妻子Angelika、女儿Christina以及孙子Hannah和Karl，感谢他们的鼓励、耐心和理解。

Dietmar P F Mller
德国，克劳斯塔尔-采勒费尔德

计算机科学及应用

本书是一本介绍信息物理系统（CPS）相关概念和技术的基础教材，系统全面地介绍了信息物理系统的基础知识及其应用场景和社会影响。每章在介绍完基本技术内容后，都有实际的应用案例分析，使读者能从具体的应用中更好地理解书中所介绍的技术原理，也能够帮助读者掌握跨学科的知识。本书的读者除了需要熟悉基础微积分和概率统计知识，以及了解系统和软件工程方面的知识外，不需要其他的背景知识。
本书特色
每章包括自测练习，书末带有术语表与索引，全面辅助读者阅读理解。
提供各种教学支持材料，包括一套幻灯片和教学视频。
在定义CPS之前，介绍了系统和嵌入式计算系统的研究概况。
介绍了物联网、普适（泛在）计算的概念。
回顾了CPS的设计挑战及其对系统和软件工程的影响。
描述了工业4.0和数字制造革命背后的思想，包括智能和敏捷制造，以及制造业的信息安全。
描述了未来全球化、数字化工作环境所需技能的变化给社会带来的影响。

作者简介
迪特玛 P. F. 莫勒（Dietmar P. F. M?ller）　德国克劳斯塔尔工业大学教授，德国仿真科学中心会员，美国内布拉斯加-林肯大学电气工程系客座教授。

不断变化的市场需求推动着制造业和汽车业的发展。当前，消费者追求的不仅是某件单一的商品（例如一辆汽车），而更多的是寻求一种打包式的综合体验。制造商的生产过程也正在转向自动化，在降低成本的同时提高产品的质量、生产率、安全性、生产速度和竞争力。不断变化的技术投资环境深深地影响着商品价值链、内部协作以及客户对产品与服务的体验。汽车行业在制造业定义的自动化生产范式中一直走在最前列。本书概述了在制造业数字化进程中获得的研究成果和经验。
数字制造/工业40是在充分适应自动化生产系统条件下的制造业技术转型。因此，数字化技术的发展趋势正集中在制造自动化的新方法上。本书涉及数字化模型的使用、面向制造业的过程规划和控制方法，并将它们与实际的制造子系统、制造部件（硬件）和工具（软件）联系起来。
本书的主要特点是通过信息物理系统建立网络化的虚拟计算机（信息世界）和制造零部件（物理世界）之间的联系。在某种意义上，信息物理系统可以作为一个强大的数字化平台，其具有结构良好、集成度高的特点，而且在制造业的特定使用环境中具有有限的复杂性。因此，以信息物理系统为基础形成的制造系统能够根据外部要求自主地控制、优化和配置特定的物理部件。
本书的核心研究内容涉及一套先进的方法学，该方法学将制造系统部分作为信息物理系统中的物理组件，而将因特网作为信息物理系统中必不可少的信息部分。本书介绍了一系列关于信息物理系统的创新方法，包括当前正在进行的系统和软件工程等方面的研究工作。本书介绍了如何准确地分析信息物理系统的内在复杂性，以及如何在不同的操作条件和场景下预测系统的工程行为，从而在数字制造/工业40背景下，为当前新兴的技术问题提供充分的学术性解决方案。本书的章节组织合理，表现出作者对学术的严谨性和专业性。因此，本书可以作为相关人员进入信息物理系统研究领域的重要读物，为数字制造/工业40技术的普及和发展提供了新的参考资料。
我强烈推荐Dietmar P F Mller教授的这本学术著作，它适合学生、相关领域的学者和热衷于学习先进制造方法学的工业界人士阅读。我相信本书所介绍的方法将在某种程度上改变传统制造与汽车行业中的基本理念，从而带来更好的创新与数字化革命。由于受到大数据、高性能计算、云计算、移动技术和社交媒体的影响，数字化将引领新一波的消费浪潮。尤其对于汽车企业，无论是生产方面，还是客户管理方面，都将开拓新的业务模式，并获取不同的机会。我认为将会有许多读者通过阅读本书而在数字制造和信息物理系统原理上拓宽视野。

K BAkhilesh
印度科学院,管理学系
印度班加罗尔

[德] 迪特玛 P.F.莫勒（Dietmar P.F. Möller） 著：迪特玛 P.F.莫勒（Dietmar P.F. Möller），德国克劳斯塔尔工业大学教授，德国仿真科学中心的会员，美国内布拉斯加-林肯大学电气工程系的客座教授。

近年来，全球的制造业强国都在全面推动以数字化、网络化、智能化为特征的新一轮工业革命，德国的“工业40”和我国的“中国制造2025”国家战略就是其中的典型代表，其核心目标都是利用信息技术提升当前制造业的智能化水平，而信息物理系统（CyberPhysical Systems，CPS）则是实现这一目标的核心技术手段。基于CPS的设计思想，制造企业首先在制造设备层面实现互联互通和信息共享，然后在此基础上实现生产过程的智能化管控，最终实现各个生产环节的协同运作，从而提升生产效率，打通整个价值链，实现社会化生产。
信息物理系统是信息资源和物理世界有机融合和深度协作的新一代网络化智能系统，它集成计算、通信与控制能力于一体，使物理系统具有动态感知、实时分析、科学决策、精准控制和远程协作等功能，解决生产制造、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，具有重要而广泛的应用前景，尤其在智能制造、智能交通、智能家居、智能电网、远程医疗、航空航天等领域。虽然信息物理系统的概念来源于嵌入式计算系统和网络计算的融合，但其涉及的技术涵盖了嵌入式计算、传感器、通信、网络、控制、软件工程等信息技术领域的诸多方面，因此，信息物理系统在推动新一轮工业革命的同时，也带来了新的技术融合挑战。
本书是一本介绍信息物理系统相关概念和技术的基础教材，内容基本涵盖了信息物理系统的所有方面。本书首先介绍了系统的基本概念、数学模型、分析方法以及嵌入式计算系统等，然后，在此基础上对信息物理系统进行了详细的描述和深入的分析，接着对物联网和普适计算这两个跟信息物理系统非常相关的概念和技术进行了介绍，并从软件工程的角度分析了信息物理系统的设计流程，最后，本书介绍了信息物理系统在数字制造/工业40以及未来社会生活中的应用情况。另外，本书非常注重理论与实践相结合，在每章介绍完基本技术内容后，都有实际的应用案例分析，使读者能从具体的应用中更好地理解书中所介绍的技术原理。本书既可以作为相关专业高年级本科生和研究生的教材，也适用于相关领域的学者和工业界人士。
感谢薛玉磊、耿欣、徐政钧、孙滋唱、杜沛伦同学，他们在本书翻译过程中帮助校对了部分书稿，感谢机械工业出版社的编辑在本书翻译过程中提供的帮助。由于时间仓促以及译者能力所限，翻译过程中的瑕疵和错误在所难免，欢迎各位读者批评指正。

张海涛
2017年11月
北京邮电大学

出版者的话
译者序
序言
前言
第1章系统概述
11系统研究
12标准的系统描述形式
121输入输出描述
122状态变量描述
13可控性、可观测性和可识别性
14线性系统模型的分析方案
141使用拉普拉斯变换的状态方程的解
142线性向量方程组的特征值
15系统稳态误差
16系统稳定性分析案例研究
17练习
参考文献
第2章嵌入式计算系统概述
21嵌入式计算系统
22嵌入式计算系统的硬件架构
221可编程逻辑器件
222可编程门阵列
23设计指标
24嵌入式控制系统
241控制
242反馈控制
243嵌入式控制系统的反馈组件
25软硬件协同设计
26案例研究：基于FPGA的CPU内核
27练习
参考文献
第3章信息物理系统概述
31信息物理系统
32信息物理系统设计建议
33信息物理系统需求
331需求工程
332互操作性
333实时系统
334GPU计算
34信息物理系统应用
341通信
342消费者交互
343能源
344基础设施
345健康保障
346制造
347军事
348机器人
349交通
35智慧城市和万联网
36案例研究：信息物理车辆跟踪系统
361车辆跟踪系统
362基于RFID的车辆跟踪系统
363需求分析
364进一步的研究
37练习
参考文献
第4章物联网概述
41物联网
42射频识别技术
43无线传感器网络技术
431传感器技术
432传感器网络
433无线传感器网络
44电力线通信
441物联网和电力线通信
442智能电网
443智能家居能源管理
45RFID应用
46案例研究：行李跟踪系统
47练习
参考文献
第5章普适计算
51普适计算发展史
52普适计算基础
521在普适空间中学习
522智能家居和电力线通信
523普适计算的核心特性
524普适计算形式化用例
53智能设备：组件和服务
54标记、传感和控制
541标记
542传感
543控制
55普适计算中的自治系统
56案例研究：机器人操纵器
57练习
参考文献
第6章系统和软件工程
61系统工程简介
611系统工程标准ISO/IEC 15288
612自顶向下的系统工程方法
613开放式机电一体化自动化工程平台
62信息物理系统中的设计挑战
621使用Cradle的需求定义和管理
622需求定义与管理活动
623INCOSE系统工程手册
（322版本）可追溯性
63软件工程简介
631V模型
632敏捷软件开发方法
633V模型与敏捷软件开发方法的比较
64信息物理系统软件设计需求
65海域案例研究
651在港口和船舶上跟踪和监测集装箱
652跟踪和监测从海港运输到无水港的集装箱
66练习
参考文献
第7章数字制造和工业40
71制造业简介
711智能和敏捷制造
712智能工厂
713工业 40
72个性化生产
73网络制造一体化工业
74开放式和封闭式生产线
75数字制造/工业40的信息安全
76数字制造/工业40案例研究
761汉诺威中心的生产工程（PZH）方法
762钢铁行业的方法
763博世软件创新方法
764保险业务方法
765德国工业40工作组方法
766美国数字制造与创新设计研究所方法
77练习
参考文献
第8章未来社会生活中的影响
81简介
82经济、社会和组织方面的挑战
83在工作中改变需求
84产品个性化和全球影响力的变化因素
85练习
参考文献
术语表
索引