信息物理融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征

賴丹丹 張立臣

摘要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，信息物理融合系統(tǒng)作為將電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理科學(xué)密切結(jié)合的科技產(chǎn)物，從根本上改變了人們和物理科學(xué)的交流模式。現(xiàn)階段，信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ魃钪械囊徊糠郑瑸槿藗兊墓ぷ骱蜕钐峁┝藰O大地便利，本文主要從信息物理融合系統(tǒng)的理論支持體系著手，進(jìn)一步分析了信息物理融合系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了信息物理融合系統(tǒng)的主要特征，望對(duì)我國未來信息物理融合系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供相應(yīng)借鑒。

【關(guān)鍵詞】信息物理融合系統(tǒng) 物理科學(xué) 分析研究

1 信息物理融合系統(tǒng)的理論支持體系

信息物理融合系統(tǒng)，也就是現(xiàn)階段人們常說的CPS技術(shù)，利用計(jì)算、通訊以及調(diào)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而將電子計(jì)算機(jī)資源和物理學(xué)科密切地融合在一起，形成嶄新的智能系統(tǒng)。微觀層面，信息物理融合系統(tǒng)在物理學(xué)科中應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)和通訊內(nèi)核，以滿足電子計(jì)算機(jī)程序和物理系統(tǒng)全面朝著一體化方向發(fā)展，二者有機(jī)結(jié)合，利用反饋循環(huán)的方法互相影響，滿足了嵌入式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理系統(tǒng)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定地檢測和調(diào)控。宏觀層面，信息物理融合系統(tǒng)工作在不同時(shí)間和空間的分布式、異布系統(tǒng)中，涵蓋了感知、決策以及調(diào)控等類型的可編輯程序，各個(gè)子系統(tǒng)利用有限或無限通訊手段，憑借網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行相互協(xié)調(diào)工作，有效滿足了對(duì)物理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)感知，從而為人們提有效服務(wù)。

2 信息物理融合系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

信息物理融合系統(tǒng)基礎(chǔ)組件中包含傳感設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備以及決策調(diào)控設(shè)備。其中，傳感設(shè)備是一類嵌入式器材，可以精準(zhǔn)地檢測到外部訊號(hào)、光、熱等物理信息以及煙霧等化學(xué)成分;執(zhí)行設(shè)備也是嵌入式器材，可以在第一時(shí)間接收到調(diào)控命令，并對(duì)調(diào)控對(duì)象加以處理而決策調(diào)控設(shè)備則是一類邏輯調(diào)控器材，可以依據(jù)用戶自定義的語序生成調(diào)控邏輯。基礎(chǔ)組件的協(xié)調(diào)結(jié)合運(yùn)行，組合形成了循環(huán)調(diào)控體制，進(jìn)一步形成了信息物理融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能邏輯層面，進(jìn)而執(zhí)行最基礎(chǔ)的檢測和調(diào)控性能，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，傳感設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備是物理計(jì)算空間緯度的接入端，決策調(diào)控層面依據(jù)調(diào)控規(guī)則安排檢測工作，進(jìn)而再將所收集到的數(shù)據(jù)信息反饋到?jīng)Q策調(diào)控層面，作為調(diào)控規(guī)則算法的錄入經(jīng)過計(jì)算獲取調(diào)控命令，進(jìn)而執(zhí)行設(shè)備再依據(jù)調(diào)控命令對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行調(diào)控。信息物理融合系統(tǒng)，主要運(yùn)行在不同時(shí)間、空間緯度內(nèi)的閉環(huán)或多閉環(huán)系統(tǒng)，傳感、決策我以及調(diào)控執(zhí)行子系統(tǒng)具備不在同一位置，邏輯方面密切耦合的基礎(chǔ)性能單元主要通過具備較強(qiáng)計(jì)算資源和數(shù)據(jù)資源的網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)備共同形成信息物理融合結(jié)構(gòu)，從而滿足本地區(qū)或遠(yuǎn)程檢測和影響物理環(huán)境。現(xiàn)階段，常見的信息物理融合系統(tǒng)普遍由決策層、網(wǎng)絡(luò)層以及物理層共同構(gòu)成，其中，決策層利用語序邏輯計(jì)算滿足各類用戶、傳感以及調(diào)控系統(tǒng)之間的邏輯思維耦合;網(wǎng)絡(luò)層利用網(wǎng)絡(luò)傳送計(jì)算連通信息物理融合系統(tǒng)在不同時(shí)間、空間緯度內(nèi)的子系統(tǒng)而物理層則是信息物理融合系統(tǒng)和物理學(xué)科的主要連接端，以確保系統(tǒng)的整體傳感和調(diào)控核算。實(shí)際運(yùn)行工作中，海量的傳感設(shè)備通過無線通訊的方法自行組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)完成對(duì)物理環(huán)境或物理對(duì)象的檢測傳感，傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)對(duì)相應(yīng)信息做深入的信息融合處理，并將所得數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)備傳送給決策調(diào)控層，再和執(zhí)行設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)共同調(diào)控，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。

3 信息物理融合系統(tǒng)的主要特征

信息物理融合系統(tǒng)和傳統(tǒng)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)所檢測到的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)差異較大，信息物理融合系統(tǒng)整體虛擬性較強(qiáng)，而局部卻偏物理性，局部物理空間出現(xiàn)的感知和調(diào)控，能夠跨越整體虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而被安全、穩(wěn)定、及時(shí)地檢測到。與此同時(shí)，信息物理融合系統(tǒng)具備較強(qiáng)的嵌入性，傳感設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備讓計(jì)算深入到每一個(gè)物理組件當(dāng)中，甚至深入物質(zhì)當(dāng)中，讓物理設(shè)備自身具有計(jì)算、通訊、調(diào)控、遠(yuǎn)距離協(xié)調(diào)以及自治等性能，極大地便捷了計(jì)算方式。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，物理環(huán)境和對(duì)象形態(tài)的變化形成了信息物理融合系統(tǒng)事件，進(jìn)一步形成觸發(fā)事件、傳感事件、進(jìn)行決策、實(shí)施調(diào)控以及最終閉環(huán)，因此具備較強(qiáng)的事件驅(qū)動(dòng)性。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)主動(dòng)形成以數(shù)據(jù)為中心的信息物理融合層面的組件與子系統(tǒng)，均圍繞數(shù)據(jù)結(jié)合向上提供服務(wù)，并沿物理世界接口位置傳送到用戶途徑上，進(jìn)而提高抽象級(jí)，讓用戶獲得全面準(zhǔn)確的事件數(shù)據(jù)。除此之外，信息物理系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的時(shí)間關(guān)鍵性、安全關(guān)鍵性、異構(gòu)性、可信賴性以及領(lǐng)域相關(guān)性。時(shí)間關(guān)鍵性，系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求較高，數(shù)據(jù)收集和提交的實(shí)時(shí)性直接決定著決策的準(zhǔn)確程度;安全關(guān)鍵性，信息物理融合系統(tǒng)整體規(guī)模較大，運(yùn)行過程比較復(fù)雜，因此實(shí)際運(yùn)行中，信息物理融合系統(tǒng)自身具備較強(qiáng)的保障和安全性能;異構(gòu)性，信息物理融合系統(tǒng)中涵蓋諸多性能和結(jié)構(gòu)不同的子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間務(wù)必要利用有線或無線通訊方式進(jìn)行協(xié)調(diào)后再運(yùn)行;可信賴性，物理世界具備一定的不可預(yù)測性，因此，技術(shù)人員務(wù)必要確保信息物理融合系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)務(wù)必具備較強(qiáng)的可靠性、可擴(kuò)展性以及適應(yīng)性，才能夠確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性主動(dòng)性，信息物理融合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，務(wù)必要基于工程應(yīng)用工作，例如汽車、石油化工以及民用基礎(chǔ)行業(yè)等等，因此，技術(shù)人員務(wù)必要深入研究系統(tǒng)的領(lǐng)域相關(guān)性，才能夠確保安全、集中進(jìn)行調(diào)控，從而確保信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)束語

近年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，科學(xué)技術(shù)得到了前所未有的創(chuàng)新發(fā)展，信息物理融合系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，極大地改變了人們和物理學(xué)科的溝通交流方式，全面地滿足了電子計(jì)算機(jī)資源和物理學(xué)科的密切聯(lián)系。隨著時(shí)代發(fā)展和進(jìn)步，為確保信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用的有效性，相關(guān)領(lǐng)域研究人員務(wù)必要加強(qiáng)信息物理融合系統(tǒng)的深入研發(fā)，積極利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，不斷加強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，從而進(jìn)一步促進(jìn)信息物理融合系統(tǒng)的開發(fā)與利用。

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