信息物理系統(tǒng)

1、 21世紀是信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進的時代，層出不窮的技術(shù)突破與創(chuàng)新正不斷地改變著人類的生態(tài)環(huán)境?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)改變了人類通信和管理信息的方式；信息技術(shù)使人類管理物理環(huán)境的方式改變；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓人類主動地全方面感知，實現(xiàn)智慧的感知生活；信息物理系統(tǒng)技術(shù)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合。信息物理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的自然銜接，將徹底改變?nèi)祟惖纳娣绞?，使人類真正進入智能時代。c p s 連接人物體和系統(tǒng)連接人-物體-系統(tǒng)CPS定義 信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems,簡稱CPS)作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機

2、交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。CPS定義 信息物理系統(tǒng)包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。它注重計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，主要用于一些智能系統(tǒng)上如機器人，智能導航等。CPS定義 CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。CPS的

3、特征 海量運算是CPS接入設(shè)備的普遍特征，因此，接入設(shè)備通常具有強大的計算能力。從計算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應用比作胖客戶機/服務器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為瘦客戶機服務器，因為物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務器之間，因此物品之間無法進行協(xié)同。從這個角度來說物聯(lián)網(wǎng)可以看作CPS的一種簡約應用，或者說，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來。在物聯(lián)網(wǎng)中主要是通過RFID與讀寫器之間的通信，人并沒有介入其中。CPS的特征 感知在CPS中十分重要。眾所周知，自然界中各種物理量的變化絕大多數(shù)是連續(xù)的，或者說是模擬的，而信息空間數(shù)據(jù)則具有離散性。那么從物理空間到信

4、息空間的信息流動，首先必須通過各種類型的傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)變成模擬量，再通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。從這個意義上說，傳感器網(wǎng)絡也可視為CPS的一部分。CPS的特征 從產(chǎn)業(yè)角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是比如說將現(xiàn)有的家電簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備.CPS發(fā)展 2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術(shù)競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告站在風暴之上問世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布

5、的美國競爭力計劃則將信息物理系統(tǒng)(CyberPhysicsSystem，CPS)列為重要的研究項目。CPS發(fā)展 到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術(shù)顧問委員會(PCAST)在題為挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)的報告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡、高端計算、網(wǎng)絡與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過70億美元），以其在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。CPS發(fā)展 何積豐院士認為，CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接

6、到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。 本質(zhì)上說，CPS是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。CPS發(fā)展 控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發(fā)明了數(shù)控技術(shù)到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟，其在人們?nèi)粘＞蛹疑钪?，各種家電具有控制功能。CPS發(fā)展 控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發(fā)明了數(shù)控技術(shù)到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟，其在人們?nèi)粘＞蛹疑钪?，各種家電具有控制功能。CPS發(fā)展 但是，這些控制系統(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng)，即便其中一些工控應用

7、網(wǎng)絡也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡內(nèi)部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡內(nèi)部各個獨立的子系統(tǒng)或者說設(shè)備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，而且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調(diào)的分布式應用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。CPS發(fā)展 CPS在對網(wǎng)絡內(nèi)部設(shè)備的遠程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。CPS發(fā)展 在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學基金會(NSF)認為，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來?！叭缤ヂ?lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動?！盢SF計算機與

8、信息科學和工程總監(jiān)Branicky表示。機遇與挑戰(zhàn) 如果物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模像人們所說的有上萬億元，那么，CPS的市場規(guī)模則難以計數(shù)，因為CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。機遇與挑戰(zhàn) “下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計算機和網(wǎng)絡實現(xiàn)功能擴展的物理設(shè)備無處不在，并將推動工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業(yè)自動化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競爭力。”何積豐表示，

9、“CPS不僅會催生出新的工業(yè)，甚至會重新排列現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局。機遇與挑戰(zhàn) 但CPS帶來的挑戰(zhàn)也是物聯(lián)網(wǎng)所無法比擬的。這些挑戰(zhàn)很大程度上來自控制與計算之間的差異。機遇與挑戰(zhàn) 通常，控制領(lǐng)域是通過微分方程和連續(xù)的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數(shù)學的基礎(chǔ)上;控制對時間和空間都十分敏感，而計算則只關(guān)心功能的實現(xiàn)。通俗地說，搞控制的人和搞計算機的人沒有“共同語言”。這種差異將給計算機科學和應用帶來基礎(chǔ)性的變革。CPS的意義 CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。CPS本質(zhì)上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

10、CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，因為CPS強調(diào)的分布式應用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。CPS的意義 CPS對網(wǎng)絡內(nèi)部設(shè)備的遠程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。美國國家科學基金會（NSF）認為，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。 信息物理系統(tǒng)（CPS Cyber Physical Systems）是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3C （Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)

11、的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。 CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，融合計算、通信和控制能力的網(wǎng)絡化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過計算和物理進程相互影響的反饋循環(huán)，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的相互協(xié)同和交互，以增加或擴展新的功能，提供實時感知，動態(tài)控制和信息反饋。 使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同，具有重要而廣泛的應用前景。 CPS應用極為廣泛，包括生活助理，醫(yī)療系統(tǒng)，工業(yè)過程控制，交通控制，智能機器人，航空航天，信息安全及國防系統(tǒng)等等。 2007年，美國明確把CPS作為聯(lián)邦政府研究投入最高優(yōu)先級的課題，從此開啟了對CPS研究的大門。 2009年5月，加州伯克利分校等一些高校及波音、豐田等企業(yè)的研究人員參加了美國計算

12、機領(lǐng)域研究人員的社團活動，會議發(fā)布了產(chǎn)業(yè)與學術(shù)界在CPS中的協(xié)作白皮書。 2006年至2010年，美國國家科學基金會共批準CPS相關(guān)項目133余項，資助范圍包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基本理論，網(wǎng)絡基礎(chǔ)，相關(guān)支持技術(shù)等等。 至2013年，歐盟在CPS相關(guān)的嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)上投入54億歐元，有關(guān)CPS的探索研究成果主要有：CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，系統(tǒng)建模，系統(tǒng)安全及應用案例等。 總的來說，國際上的CPS研究工作剛剛開始，僅觸及CPS的少數(shù)幾個方面，可分為：CPS的系統(tǒng)模型，數(shù)據(jù)傳輸與管理技術(shù)，能源管理，系統(tǒng)安全，軟件設(shè)計技術(shù)，控制以及示范應用系統(tǒng)等 從2009年開始，CPS逐漸引起了國內(nèi)有關(guān)部

13、門、學者以及企業(yè)界的廣泛關(guān)注。 2010年，國家“863”計劃信息技術(shù)領(lǐng)域辦公室專家在華東師范大學舉辦了“信息物理系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇”探討了CPS科學基礎(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)，以及CPS應用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局。 目前，國內(nèi)從事CPS研究的機構(gòu)不多，其中西北工業(yè)大學，大連理工大學，電子科技大學等高校先后成立了CPS研究組。 CPS深度結(jié)合嵌入式實時系統(tǒng)，集傳感，控制，計算及網(wǎng)絡技術(shù)于一體，通過網(wǎng)絡將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成一種大型的分布式實時系統(tǒng)。CPS體系架構(gòu)可分為：感知層，網(wǎng)絡層，認知層，控制層。 信息物理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)感知層：由傳感器，控制器和采集器等感知設(shè)備組成，負責感知用戶感興趣的物理世界及某些物理屬性。比如精準農(nóng)業(yè)中農(nóng)田的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，遠程醫(yī)療中病人的血壓、脈搏等生命特征等等。網(wǎng)絡層：連接信息世界與物理世界的各種對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制的CPS實時網(wǎng)絡（CPSRTnet），為系統(tǒng)提供實時網(wǎng)絡服務，保證網(wǎng)絡分組的實時傳輸。控制層：控制層根據(jù)認知層的認知結(jié)果，確定控制策略，發(fā)布控制指令，遠程指揮各個物理設(shè)備終端協(xié)同控制物理世界，形成反饋循環(huán)控制系統(tǒng)。 CPS通過感知、