信息物理融合系統的相關研究

梁昂昂

摘 要：信息物理融合系統CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。本文主要闡述CPS的基本概念，對CPS系統的現有研究成果進行分析，總結我國CPS系統發展中的問題，并指明今后的發展方向。

關鍵詞：信息物理融合系統 實時感知 動態控制

隨著計算科學、數據處理等技術的發展，物理過程中的計算過程、通信過程已經實現了高度集中和物理裝置的網絡化、神經化、信息化，由此產生了信息物理融合系統，簡稱CPS系統。CPS系統可以對物理信息（反映環境、性質等狀態的參數）的實時感知、動態處理與反饋機制，可實現對物理過程的自動化控制，達到類人的智能效果。

一、CPS的基本概念與來源

自二十世紀六十年代以來，電子技術，計算技術和網絡技術等取得了飛速發展，特別是網絡技術的革新成為了這場方興未艾的偉大IT革命的重要動力源泉。網絡的規模及其新應用領域正日益得到擴展，其最引人舉目的是新網絡技術和物理設備系統的結合。隨著傳感器、嵌入式計算設備或終端、高性能通信設備、各種消費類和工程類電子設備等物理設施的大量接入，新型計算機化和網絡化的物理設備系統網絡的規模得以急劇膨脹。同時，隨著國家大型電力網絡、航空航天交通控制網絡、高速公路交通控制網絡、衛生防疫應急響應網絡、遠程醫療與社區醫保網絡、海洋搜尋與救援網絡等大型或者特大型網絡物理設備系統的蓬勃發展，以及網絡家電、汽車引擎智能網絡控制系統、心房脈沖產生器、納米級制造控制系統等小型或者微型網絡物理設備系統的出現，突破了傳統物理領域中的網絡應用形式，使得用聯網計算方式來整合物理系統和計算系統以實現物理設備的功能擴展成為物理系統發展的新趨勢，并由此導致出現了新一代的并由此導致出現了新一代的工程系統：信息物理融合系統。CPS網絡在工業生產與國民經濟生活中的基礎性、全局性作用正日益增強。

CPS，從廣義上來理解，就是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制物理實體。CPS的終極目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。

二、CPS系統的特征

CPS系統把計算與通信深深地嵌入實物過程，使之與實物過程密切互動，從而給實物系統添加新的能力。CPS系統的規格形狀是多種多樣的，小如心臟起搏器，大如國家電網。由于計算機增強的（computer-augmented）的裝置無處不在，CPS系統具有巨大的經濟影響力。CPS的研究與應用將會改變了人類與自然物理世界的交互方式，在健康醫療設備與輔助生活、智能交通控制與安全、先進汽車系統、能源儲備、環境監控、航空電子、防御系統、基礎設施建設、加工制造與工業過程控制、智能建筑等領域均有著廣泛的應用前景。如家居、交通控制、安全、高級汽車、過程控制。環境控制、關鍵基礎設施控制（電力、灌溉網絡、通信系統）、分布式機器人、防御系統、制造業、智能構造、交通系統能夠從智能汽車提高安全性和傳送效率中有效地獲益。家居技術將提高老人護理并有效控制與日俱增的護理花費。減少國家能源依賴。這很難估計CPS為未來生活帶來的積極地潛在的價值。但我們都知道CPS的價值是巨大的。

微觀與宏觀的CPS材料、受控組件、運行中的醫療裝置與系統、下一代電網、未來防務系統、下一代汽車、智能高速公路、靈活的機器人主導的制造、下一代航空器、空域與天域管理系統等。美國國防部預先研究局認為：賽博-實物系統（cyber-physical system，CPS）是指這樣的系統：其功能中的很大一部分是從軟件與機電系統中導出的。事實上，所有的防務系統（如飛機、航天器、海軍艦船、地面載具，等等）和系統的系統，都屬于CPS。另外，集成電路、MEMS、NEMS……也屬于CPS

CPS是物理過程和計算過程的集成系統，是人類通過CPS系統包含的數字世界和機械設備與物理世界進行交互，這種交互的主體既包括人類自身也包括在人的意圖知道下的系統。而作用的客體包括真實世界的各方面：自然環境、建筑、機器、同時也包括人類自身等。

CPS是可能是一個分布式異構系統，他不僅包含了許多功能不同的子系統，而且這些子系統之間結構和功能各異，而且分布在不同的地理范圍內。各個子系統之間要通過有線或無線的通信方式相互協調工作。

CPS具有自適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點和要求。物理構建和軟件構建必須能夠在不關機或停機的狀態下動態加入系統，同時保證滿足系統需求和服務質量。比如一個超市安防系統，在加入傳感器、攝像頭、監視器等物理節點或者進行軟件升級的過程中不需關掉整個系統或者停機就可以動態升級。CPS應該是一個智能的有自主行為的系統，CPS不僅能夠從環境中獲取數據，進行數據融合，提取有效信息，并且根據系統規則通過效應器作用于環境。

三、CPS系統與智能物聯網的聯系

智能物聯網是智能科學與物聯網交叉的產物，是下一代物聯網系統。隨著物聯網覆蓋面的增加，對數據存儲和計算量的需求也將帶來對“云計算”能力和全球衛星通信的要求，因此智能物聯、云物聯、衛星物聯也將成為下一代物聯網系統的特點。物聯網系統在常態下應該與公用云系統相連，但是在非常態下應該及時接入移動云終端、組建專用云，使其具有智能傳感與感知功能。

信息物理融合系統是“互聯網+”在過程工業中的表現形式，它將工業過程與互聯網相連，從而逐步實現智能工廠的最終目標。物理信息融合系統的研究需要從計算機科學，控制科學，和網絡安全等方面進行。物理信息融合系統的最大挑戰是控制系統的安全防護。

四、結語

近年來，CPS不僅已成為國內外學術界和科技界研究開發的重要方向，預計也將成為企業界優先發展的產業領域。開展CPS研究與應用對于加快我國培育推進工業化與信息化融合具有重要意義。對CPS系統的研究還有以下主要方向，CPS 科學基礎及其關鍵技術、國民經濟領域CPS應用系統示范及國家急需的CPS應用系統戰略布局，并就3G與CPS融合、智能電網的CPS應用、CPS技術發展與智能交通、CPS技術在數字醫療、數字農業、公共安全等領域 。

CPS內容博大精深，它大到包括整個工業體系，小到一個簡單的PLC控制器，這些是一切智能系統的核心；不能正確理解它，，就難于理解智能制造。因此，在我國推進智能制造的進程中，一定要重視CPS的核心作用。同時也要時刻認識到，根據目前人工智能的進展，技術非常重要。

在當前科學技術發展的基礎上，信息物理融合技術是綜合計算、網絡以及物理環境的多維復雜系統，在進行計算、通信以及控制等方面能夠有效的對大型工程設備進行控制、感知以及動態化的調節等，在未來社會、科技等行業發展過程中具有廣闊的發展前景，是值得推廣和普及的。

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