信息物理系統(tǒng)（CPS）

信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-Physical Systems）是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computer、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)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。

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)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)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。

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(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)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)上如設(shè)備互聯(lián)，物聯(lián)傳感，智能家居，機器人，智能導(dǎo)航等。

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(luò)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(yīng)用比作胖客戶機/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為瘦客戶機服務(wù)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(wù)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(yīng)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。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(luò)也可視為CPS的一部分。

從產(chǎn)業(yè)角度看，CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(xué)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(fēng)暴之上》問世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布的《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。

到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學(xué)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(luò)、高端計算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機界面、NIT與社會科學(xué)。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。

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(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學(xué)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。

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(yīng)用網(wǎng)絡(luò)也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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在對網(wǎng)絡(luò)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(luò)規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。

在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學(xué)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計算機與信息科學(xué)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(luò)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(yīng)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。

“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(luò)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?！焙畏e豐表示，“CPS不僅會催生出新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局。”

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。

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(xué)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(xué)和應(yīng)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(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。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(yīng)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對網(wǎng)絡(luò)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(luò)規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。美國國家科學(xué)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。