計算機發展的下一個主題——信息-物理融合CPS系統

計算機發展的下一個主題
——信息-物理融合CPS系統

如同互聯網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。——美國國家科學基金會（NSF）計算機與信息科學和工程總監Branicky

一、CPS系統簡介

信息—物理融合系統CPS（Cyber-Physical System）是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過 3C（Com putation、Comm unication、Contro l）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（見圖1）。CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效、實時協同，具有重要而廣泛的應用前景。

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和經濟杠桿的巨大源泉。2006年2月發布的《美國競爭力計劃》將信息物理融合系統CPS列為重要的研究項目。2007年8月，美國總統科學技術顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰下的領先——競爭世界中的信息技術研發》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位。

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。國家“863”計劃信息技術領域辦公室和國家“863”計劃信息技術領域專家組于2010年1月15日在上海舉辦了“信息—物理融合系統CPS發展戰略論壇”，重點討論國民經濟領域CPS應用系統示范及國家急需的CPS應用系統戰略布局研究。

CPS將引領一場深刻的革命，將整個工業生產部門轉變成網絡—物理系統。這不僅僅是簡單的增加計算機和通信設備數量，而是計算機、網絡和物理系統的融合，創造新的能力，以提高產品質量。

二、CPS的應用領域

CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效、實時協同。CPS系統在數字醫療系統、數字農業、智能電網、智能交通、新一代飛行器、公共安全等領域均可適用，小到心臟內置起博器，大至國家電力電網系統，具有重要而廣泛的應用前景（見表1）。

總體來說，我們需要在CPS中投資，因為它們是21世紀工業的基礎，開展CPS的研究會使得信息技術在傳統制造業升級換代中發揮重要作用。社會的需要和來自其它國家的競爭壓力——它們已極大地增加了在CPS相關研究的投資，要求重新思考我國研發的投資戰略。

三、CPS系統組成

CPS需要實時通訊底層。CPS復雜的變遷將把網絡信息技術推向一個新的技術革命。CPS系統可將物理設備聯網，特別是連接到互聯網上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別于現有的控制系統。

表1 CPS應用領域表

CPS系統主要由射頻識別系統、互聯網、嵌入式系統、衛星網、移動電話網、無線傳感網等緊密耦合的分布式計算設備組成（見圖2）。

四、CPS與物聯網

物聯網是基于互聯網和射頻識別RFID技術的產品電子代碼EPC系統，利用RFID、天線數據通信等技術，構造一個實現全球物品信息實時共享的“Internet of things”，即物物相聯。

然而，CPS系統對接入網絡設備的計算能力要求遠高于物聯網。以基于CPS的智能交通系統為例，現在的汽車電子系統根本無法實現未來智能交通系統對汽車之間的協同能力的要求。事實上，滿足CPS要求的汽車電子系統的計算通常都是海量運算。

海量運算往往是很多CPS接入設備的特征，因此，接入設備通常具有強大的計算能力。如果從計算性能的角度出發，把一些高端的CPS應用比作胖客戶機/服務器架構的話，那么物聯網則可視為超級瘦客戶機服務器，因為物聯網中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發生在物品與服務器之間，因此物品之間無法進行協同。

CPS與物聯網并不對立。物聯網是CPS的一種簡約應用，同時，CPS讓物聯網的定義和概念明晰起來。CPS中的物理設備指的是自然界中的客體，因此不僅指的是冷冰冰的設備，而且還包括活生生的生物。現有互聯網的邊界是各種終端設備，人們與互聯網之間是通過這些終端來進行信息交換的。而在CPS中，人成為CPS網絡的“接入設備”，這種信息的交互可能是通過芯片與人的神經系統直接互聯實現的。盡管在物聯網中也有把RIFD芯片嵌入到人體中的情形，但本質上還是RFID與讀寫器之間的通信，人并沒有介入其中。

與物聯網相似，感知在CPS中也十分重要。從自然界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變成模擬量，再通過模擬/數字轉換器變成數字量，從而為信息空間所接受。從這個意義上說，傳感器網絡也可視為CPS的一部分（見圖2）。

五、CPS系統的機遇與挑戰

據美國咨詢研究機構Forrester預測，物聯網所帶來的產業價值要比互聯網大30倍，物聯網將會形成下一個萬億元級別的通信業務。由此可知，CPS的市場規模將難以計數，因為CPS涵蓋了小到智能家庭網絡大到工業控制系統乃至智能交通系統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、協同和自治性能的設備。

下一代工業將建立在CPS之上，隨著CPS技術的發展和普及，使用計算機和網絡實現功能擴展的物理設備無處不在，并將推動工業產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業自動化、健康/醫療設備、重大基礎設施等主要工業領域的競爭力。CPS不僅會催生出新的工業，甚至會重新排列現有產業布局。

但CPS帶來的挑戰也是物聯網所無法比擬的。這些挑戰很大程度上來自控制與計算之間的差異，這種差異將給計算機科學和應用帶來基礎性的變革。21世紀的CPS設計，實施，認證技術,統一CPS的語義基礎等均成為CPS科學的挑戰。CPS系統還需要我們重建計算機和網絡理論。

在國外，CPS的聲音很強勁，歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統的研究與技術（ARTMEIS）上投入約51億歐元（超過70億美元），以期在2016年成為智能電子系統的世界領袖。2008年NSF基金會在《網絡—物理系統行動綱要》中指出，美國若在CPS技術研究中延后于其他國家，則其工業競爭力將產生難以逆轉的危害。

據歐盟最新研究發現，電子工業產品在終端產品消費中的比例急劇增加，至2010年底，電子產品消費將占終端產品消費的53%。這種變化在汽車行業趨勢尤為明顯：1990年，汽車電子消費在汽車消費中占比為16%，到2003年，這個比例達到52%，預計今后10年，將增至56%。

在國內，CPS早已淹沒在物聯網的喧嘩聲中，而實際上，國外同行起步也只有幾年時間，我們為時并不晚。杭州作為長三角著名的“天堂硅谷”，擁有較為發達的信息產業集群，開展CPS的研究會使得信息技術在傳統制造業升級換代中發揮重要作用，同樣可為其他產業發展點亮希望之燈。翻譯自《Cyber-Physical Systems Executive Summary》