智能時代的信息物理融合系統

◎中國科學院院士 管曉宏

一、概述

信息科學與技術的發展趨勢是“兩化—融合”。其中，兩化是指網絡化和智能化，網絡化跨越裝置、地域、甚至跨越天地，智能化體現為裝置和系統控制與決策的高度智能化；融合是指信息物理融合，是信息系統、物理系統和人的高度融合。結合國內外相關定義，信息物理融合系統是計算單元和物理對象在網絡環境中高度集成交互而成的智能系統，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，是孕育中的第四次工業革命的基礎。

網絡科技的發展趨勢是無線（5G）與有線主干網絡、計算機網絡與通信網絡的融合。在智能時代，物聯網是信息網絡與物理系統高度融合的結果；區塊鏈、智能移動終端、AR、虛擬數字服務等已經成為網絡科技應用的新方向；量子計算與通信、激光互聯網等作為具有顛覆性的網絡新技術正在快速發展。網絡科技將逐步實現無線（5G）與有線主干網絡、計算機網絡與通信網絡的融合。

在信息物理系統中，人根據自身認知進行創造性思維，確定決策目標；信息系統根據這個決策目標獲取信息，學習知識，作出控制與決策；物理系統進行信息的感知、傳感，并且執行決策當中的指令。人工智能的目的不是要用機器徹底代替人，而是把人、信息系統、物理系統各自的功能重新劃分，明確哪些是需要機器做的，哪些是人做的。

我們對信息系統有什么要求呢？首先，系統要有固有的智能，這個智能要融入在系統當中。其次，系統要能夠優化資源和能源消耗，提高系統效率。當前，提高系統效率、降低資源和能源消耗是解決或緩解能源、環境和經濟問題最有效、最無爭議的途徑。過去我們只需要考慮系統的物理安全、故障等，現在由于信息無所不在，信息高度融入了系統，還要考慮信息系統和物理系統的綜合安全。

二、典型應用

信息物理融合系統的典型應用包括智能制造、智能工廠、智能交通、智慧城市、智能航空航天系統，信息物理融合的能源系統或者能源互聯網等。

管曉宏院士作主題報告

（一）制造系統中的應用

制造業的社會化大生產，實際上是100多年前開始的。企業從自動化走到30年前的信息化，計算機、信息進入人類的生產制造活動，再到現在的網絡化、智能化。客戶對制造系統提出了多樣化、個性化、高質量、低成本、快速響應等新需求，新的制造技術例如3D打印、激光制造、微納制造等對制造提出了新的定義，政府環保部門有新的要求，制造業面臨著巨大的壓力。信息物理融合系統通過云計算可以把用戶、生產商和服務商通過云平臺聯系起來，實現產品的個性化、決策的智能化、協同的網絡化、過程的綠色化、制造服務化和產業生態化。

現代制造系統中，數字孿生技術是一個備受關注的研究方向。基于信息物理融合系統泛在的感知，把物理系統當中的信息收集起來，實際上是在計算機上創造了一個虛擬空間，通過在線仿真，基于模型和大數據深度分析，實現云計算智能決策、優化系統運行以及基于邊緣計算精準的自執行，最后將虛擬空間中作出的決策反饋到物理空間。所以，制造系統有兩個空間：一是物理空間，二是虛擬空間，形成了所謂的數字孿生體。

（二）在服務型制造中的典型應用

以疫苗生產和使用為例。前段時間，我們的疫苗出了問題，這對每個家庭來說是非常嚴重的問題。這次疫苗事件主要是運輸過程中出了問題。因為疫苗運輸對環境溫度有非常高的要求，如果溫度超高，疫苗就失效了。信息物理融合技術可以采用RFID系統來實現，RFID非常小，但是可以存儲非常多的信息。有人夸張地說，可以給地球上每個沙子都編上號。這樣，給每一個批次、具體產品都編上號，材料的選擇、生產制造過程中所有參數和生產環境數據都可以放在里面。由于它本身帶傳感器，可以把運輸過程中所有參數，包括溫度、濕度等這些疫苗所要求的數據放進去。當大夫要給孩子注射時候，通過云平臺系統，實時判斷這盒疫苗是否合格，從而在技術上解決了疫苗設計、制造、儲運和服務過程中遇到的這些問題。

（三）在智能家居、智能樓宇、智能交通和智慧城市中的應用

在智能家居方面，室內物聯網作為基礎設施，所有的家電、設備通過物聯網連起來，實現家居環境和設備的控制。在智能樓宇方面，樓宇CPS作為基礎設施，實現基于舒適度的樓宇節能與安全控制，可以用最節能的方式為樓宇住戶提供一個舒適、安全的環境。

新型的智能交通系統需要實現感知、交互、車路協同，基于群體智能實現網聯平臺的交通服務和車路協同。如果這種新型交通平臺存在的話，可以避免載重車超載，橋梁翻塌等事故發生。所有橋的載重，應該是清清楚楚的，車過橋的時候，車載系統就應該明確告訴司機，現在的載重遠遠超過了橋的載重，不能通過。交管系統可以通過交通管制、交通警察等方式停止超載汽車的行駛，就不會發生那樣的悲劇。

信息物理融合的智慧城市系統作為基礎設施，可以實現舒適、安全、節能、環保的城市規劃與優化運行。所有信息進入到這個智能系統中，城市的規劃和優化決策都應該可以實現。

（四）能源電力行業應用

信息物理融合的能源系統也稱為信息物理融合的能源供需系統。可再生新能源如風能、太陽能都取決于大氣環境，可以把工業終端能源需求和家用終端能源需求形成一個巨大的系統，支持雙向流動，以最節能的方式為人類提供能源。

信息物理融合能源供需系統

基于氫能的信息物理融合的分布式融合系統是我們正在進行的研究工作。這項工作可能會徹底顛覆傳統能源電氣結構，能夠實現能源電力市場化，加速能源革命，所以含氫分布式燃料能源系統需要特別關注。其中，正在突破的技術有光催化制氫、常溫常壓儲氫技術等。富氫載體可以利用現有石化燃料的基礎設施方便地實現運輸、儲存、銷售與添加，能夠實現氫能驅動冷熱電聯供，實現多能協同轉化和近零碳排放。如果氫能將來作為主要的二次能源，它既可以并網運行也可以獨立運行，就徹底改變了現有的能源電力結構。氫能儲運系統形成的供應鏈可以當成石油化工產品一樣來運輸，成本非常低。

在2018年綠色能源高峰會議上，我們討論的問題是綠色、分布、市場為標志的能源革命是不是即將到來？由此產生的地緣政治是不是會改變？這都是值得我們關注的問題。因為世界上很多問題都在中東地區，石油分布在中東地區，這是中東地區地緣政治造成的。

（五）電力系統中的綜合安全

當然信息物理高度融合了以后，并不全是優點。因為電力設備實現了全面信息化，信息系統的開放性、脆弱性也為攻擊者提供了新的技術途徑，所以它是有可能產生重大損害的，信息攻擊可能導致電網的連鎖式崩潰。我們過去只考慮電網的工程安全和電網故障后產生的安全問題，現在需要考慮綜合安全。

我們在實驗室做了一個IEEE-30母線系統的仿真模擬實驗。現在電力系統都有自動保護，如果功率流過線以后要自動保護。這條線如果受到攻擊或者出現工程故障斷了以后，按照能量守恒原理，功率流很快轉到其它線路上，可能造成相應的線路也過流保護，以此類推，系統線路不斷地斷開，然后發電機組不斷從系統當中切除，最后形成一個個孤島，系統徹底解鏈，發電系統、供電系統徹底崩潰，這是我們通過仿真看到的景象。

工程故障會導致巨大問題。2003年8月14日，美國東北部的一處電網出現了一個機組故障和一個線網故障，再加上能源管理系統報警失靈，20多分鐘內五大電網崩潰，500多臺機組從系統當中解鏈，5千萬人受到影響。這純粹是由于工程故障，造成了連鎖式的故障，不是受到了信息攻擊。

組網：從太空研究地球磁場（歐空局SWARM項目）

（六）航天工程中的應用

微型化、網絡化、商業化的航天服務是未來的發展趨勢。SpaceX公司準備發射1萬多顆衛星甚至更多衛星在太空中組網，促使經濟性、可持續性、靈活性、智能化等需求的提出。它和5G的通信網絡無縫對接，所以在太空當中分布式組網技術受到異常關注。上圖是一個典型的信息物理融合的太空通信系統。

三、面臨的問題和挑戰

下面從系統工程角度來分析一下信息物理融合系統面臨的主要問題和挑戰。

一是系統結構和模型。信息系統和物理系統高度融合之后，需要考慮微觀與宏觀的信息物理融合，包括定量化連續離散和混合系統的描述，以及信息共生、數字孿生的非數學描述。我們用關聯多重網絡模型描述了多種能源介質網絡間的關系和拓撲轉換關系，將其中的耦合關系用節點模型描述，描述節點能量平衡和多種能源介質動態轉化，最后用流量模型描述能量傳輸平衡和信息關聯結構關系。通過分析能量流-信息流時空多尺度耦合特性，提出了多種能源介質網絡間的拓撲關系和轉換關系建模方法，為CPES優化理論與方法研究提供基礎。

二是含智能的系統規劃設計理論和方法。一個具有智能的系統，需要計算智能的定量描述和人工智能的非定量描述、機器智能和人在系統中的智能，同時還需要智能體之間的溝通與理解。舉個例子，幾年前，世界上最好的男聲合唱團俄羅斯亞歷山大紅旗合唱團的近百位世界頂級藝術家乘坐的飛機起飛幾分鐘后就墜入了黑海。黑匣子打撈上來后發現飛機沒有故障，是飛行員在起飛不久把爬行狀態改成著陸狀態，于是飛機高速接近海面，最后解體。唯一的解釋就是飛行員疲勞駕駛。以飛機駕駛系統為例，如果它具有智能，就應該提醒駕駛員正在做什么，是什么狀態。所以，飛機系統如果具有智能的話，很大程度上就能避免這樣的悲劇發生。

三是信息物理融合系統的整體控制、決策、優化和運營理論。它們包括相關的優化理論、控制理論、天地之間系統控制、多時間尺度的控制決策理論、多智能體之間的控制決策和博弈等問題。

四是信息物理融合系統的綜合安全。需要解決安全模型、多源數據的關聯關系、工程安全和網絡信息安全異構管理的數據、基于CPS綜合安全機理與數據的監控和防衛等問題。總之，信息系統和物理系統高度融合以后，信息無所不在，需要保證它的綜合安全。

四、結束語

網絡化、智能化和信息物理融合是信息科學與技術的發展趨勢，是國際科學前沿，也是國家的重大需求。智能時代信息物理融合系統的關鍵理論和技術，在即將到來的新工業革命、新技術革命和新能源革命中將發揮至關重要的作用。解決信息物理融合系統微觀、宏觀系統的關鍵科學和技術問題，包括系統的結構與模型，系統智能性的規劃設計，系統整體的控制、決策、優化、運營理論與方法，系統綜合安全等，對建立信息物理融合系統的理論體系，推動重大應用并取得效益是至關重要的。