前言
随着信息技术的不断迈进，在原有的世界里逐渐构造出一个复杂的信息空间（Cyber space），它与人类业已熟悉和习惯的物理空间（Physical space）并行发展，相互耦合，随着泛在互联（Ubiquitous Interconnection）、普适计算（Ubiquitous Computing）和增强现实（Augmented Reality）等技术的发展，使得信息与物理空间的紧密结合与频繁交互成为可能，从而形成一个有机的整体——信息物理融合系统（简称信息物理系统，Cyber Physical System，CPS）。
CPS 的概念一经提出，就受到了全世界的广泛关注，成为工业发达国家产业界、学术界、工程界的研究和投资热点。在当前世界范围内掀起的新一轮工业革命中，CPS 已经成为最前沿的交叉研究领域之一，是未来智能工厂、智能电网、智能医疗、智能家居、智慧交通、智慧农业、智慧城市与智慧地球等得以实现的基础。无论是美国的“先进制造业”战略、德国的“工业4.0”战略、英国的“高价值制造”战略、欧盟的“第八框架计划——2020地平线计划”，还是我国的“中国制造2025”战略，都把智能制造，特别是抢占CPS技术制高点作为未来一个时期的主攻方向。
可靠性技术是研究系统故障机理与规律，以及预防、控制和纠正故障的通用技术。在国外，从第二次世界大战时期提出可靠性的概念至今，经过70多年的发展，可靠性已发展成为一门独立的技术学科，在系统研发与运行中发挥着重要作用。但是，CPS 的出现对可靠性技术的发展提出了新的挑战。一是CPS的结构演化对可靠性技术的挑战。与传统的可靠性研究对象不同，CPS 的功能单元可以按照一定的“规则”和“接口”要求，随时进入或离开系统，系统的功能单元数量是时变的，系统的结构是动态配置的，系统的边界是模糊的。而现有可靠性技术对研究对象的假设基本上是功能单元独立的、系统结构配置相对不变的、系统环境界定清晰的。所以，CPS 的结构特征几乎颠覆了现有可靠性技术的所有假设条件。二是CPS的任务多样性对可靠性技术的挑战。CPS的使命任务（或具体使用过程中承担的任务）往往具有多样性，甚至由于人的介入还会存在一定的不可预知性。系统的任务多样性使得系统在执行特定任务中参与的功能单元以及各功能单元的工作载荷和环境载荷都具有不确定性。而可靠性的定义是“系统在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力”，其中的“三个规定”在面对CPS时几乎失去任何意义。三是CPS故障行为复杂性带来的挑战。CPS 的运行受到“物理—事理—人理”规则的控制，功能单元之间既存在紧耦合关系，也存在松耦合关系，当系统受到外界随机或者恶意的扰动时，扰动极有可能通过系统预定的各种规则按照内部的各种耦合关系传播开来，形成大规模的级联失效，最终造成系统瘫痪。对于融合了信息、物理、社会的CPS而言，对其故障传播规律的认知是CPS可靠性研究的重大基础理论问题。
面对上述挑战，CPS 可靠性研究必须遵循继承与创新的发展原则，在借鉴已有的可靠性技术的研究成果基础上，结合CPS的特点开展可靠性理论的创新和技术方法的突破，以迎接上述挑战。具体说来有以下几点。一是要认识CPS的故障规律。传统的可靠性理论认为产品的故障具有随机性规律，但由于CPS的特点，完全用随机性对其故障规律进行描述具有一定的局限性，需要综合运用随机性、确定性、模糊性和复杂性理论来描述其故障规律。二是要建立CPS的可靠性度量指标体系。现有的可靠性指标主要用于度量机械化、电气化和自动化系统，对于信息化系统特别是 CPS 不太适用，既要补充用于度量整个 CPS体系的可靠性指标，还要兼容度量网络连通和信息传输的可靠性指标，更要考虑度量 CPS动态行为的可靠性指标。这样才能构成适应信息物理社会融合系统的新的可靠性度量指标体系。三是要突破CPS可靠性建模与分析方法。即从对象维（硬件、软件、软硬件、网络、体系）和认识维（故障随机性、故障模糊性、故障确定性和故障复杂性）的交互耦合关系角度研究新的CPS可靠性建模与分析方法，为CPS的结构优化、运行评价提供方法支撑。四是要构建CPS可靠性测试与评价手段。现有的可靠性测试系统仅适用单一设备、单一系统的可靠性评价，对CPS的可靠性测试与评价几乎不适用。需要研究开发新的CPS可靠性试验平台，平台至少要具备四个方面的功能：一是测试和评价CPS组成单元的突发和退化故障行为；二是测试和评价CPS的柔性和弹性行为；三是测试和评价CPS的弹性和脆性行为；四是测试和评价整个CPS的运行质量和运行风险。总之，CPS的可靠性问题十分复杂，需要在深入研究和广泛应用实战的基础上才能逐步解决。
本书由中国软件评测中心、北京航空航天大学可靠性与系统工程学院、浙江大学赛博协同创新中心的专家学者联合完成。鉴于CPS属于正在蓬勃发展的一类新型系统，本书不可能把上述CPS可靠性的所有问题回答清楚，经过作者团队讨论，先基于已有研究成果，撷取最急迫和最现实的CPS可靠性测试与评价技术展开论述，以期起到抛砖引玉的作用。全书分为10章，第1章绪论论述了CPS的概念特征及可靠性测评的重要性；第2章详细论述了CPS可靠性测试与评价的技术框架；第3章、第4章分别论述了CPS中的硬件和软件可靠性测评方法；第5章、第6章分别论述了网络连通可靠性与网络性能可靠性测评方法；第7章论述了CPS信息安全的测评方法；第8章、第9章分别论述了CPS弹性和脆性的测评方法；第10章论述了CPS运行质量和运行风险的测评方法。
本书可供各类CPS系统进行可靠性测试与评价时使用，也可供CPS结构优化、建模分析时参考。希望本书能够为中国制造业创新发展和两化深度融合战略贡献微薄之力。
作者
2015年9月于北京