信息物理融合系統研究導論

張茜

[摘要]信息物理融合系統（Cyber-physlcal？Systes，cPs）是將計算與物理資源緊密結合所構成的系統，即通過3c（Cospeta-tion，Conlnication，Control）技術，由計算核心通過通信網絡動態控制能被實時感知的物理實體運行的智能系統。本文首先介紹了CPS的概念，之后簡介了國內外研究現狀及一些現有研究，最后對CPS的的發展進行了總結與展望。

[關鍵詞]信息物理融合系統 電力 航天 鐵路

1研究背景及意義

CPS是涉及信息系統和物理系統交互與融合的一個新的研究領域。根據美國國家科學基金會（NsF）的定義，CPS是將計算與物理資源緊密結合所構成的系統。具體來講，CPS是集成了計算系統、大規模通信網絡、大規模傳感器網絡、控制系統和物理系統的新型互聯系統。CPS應具有對大規模互聯物理系統進行實時監視、仿真、分析和控制的功能，最終目標是使未來的物理系統具有目前尚不具備的靈活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。CPS與物聯網的都強調了物理實體的互聯，但物聯網側重對物理世界感知，CPS是在感知物理世界的基礎上進一步實現對各種物理實體的整體綜合化的最優控制。因此，CPS被普遍認為是計算機信息處理技術史上的下一次革命，Internet改變了人與人之間的交互方式，CPS將會改變人與物理環境之間的交互方式。繼蒸汽技術革命（第一次工業革命），電力技術革命（第二次工業革命），信息技術革命（第三次工業革命）之后，工業4.0被稱之為第四次工業革命，它是基于信息、物理融合系統，基于大數據和物聯網傳感器融合的系統，在生產中大規模使用。

2國內外研究現狀

考慮到CPS對于國民經濟和社會發展的重大意義，美國總統科學技術咨詢委員會（PCAST）在2007年向美國總統提交的報告中明確建議將CPS列為美國聯邦政府研究投入的第一優先領域，這使得美國迅速掀起了CPS研究熱潮。在歐盟，Rammig提出了將生物系統理論和智能計算方法與CPS技術相結合的思想，實現了系統計算性能的優化。于2008年啟動了ARTEMIS（Advanced re-search and technology for embedded intelligence and systems）等項目，并創辦了CPS專刊“International Journal 0f Cyber-PhysicalSYstems”。在日韓等國，CPS從2008年左右開始備受關注。中國對CPS研究也相當重視，國家自然科學基金、科技部973計劃和863計劃都已將CPS列為重點資助領域。國內學者也已經進行了一些相當有意義的CPS前沿技術研究，并取得了一些研究基礎。

3現有研究簡介

文獻研究了電力物理信息融合系統，探討了信息物理融合系統模型的建模方法——從單個CP模塊出發整合多個cP模塊以形成CP集成模塊以至于CPS系統模型。并運用上述方法建立了光伏、儲能以及光伏儲能的協調控制中各自的物理模型和靜態信息模型，再將兩者融合。最后搭建了物理信息融合的仿真平臺，通過仿真實驗驗證了融合模型的可行性。

文獻分析與設計了航天物理信息融合系統。在物理建模方面使用下一代多領域統一建模語言Modelica對月球車信息物理融合系統進行擴展與分析，在軟件建模方面使用了AADL對月球車信息物理融合系統進行了設計與建模，分別對測量系統、控制系統、執行系統進行建模，并提供了分系統數據交換的接口。最后闡述了Modelica和AADL是如何相互配合一起完成月球車信息物理融合系統的擴展與分析。

文獻分析與設計了鐵路信息物理融合系統，文章使用體系結構分析和設計語言AADL對之進行分析建模。文章的創新之處在于對AADL進行了有效的擴展，改善了之前AADL不支持對物理世界，空間方面和動態聯系性方面的建模的特性。

4結束語

CPS是一個嶄新的，前景廣闊的研究領域，在這第四次工業革命中，中國首次與發達國家站在同一起跑線上。由于CPS應具有自組織、自適應、易于擴展等特征，CPS在物理設備、通信協議、編程語言、軟硬件接口等方面都必須遵循相應的行業標準。然而，國內外對CPS的研究均剛剛起步，尚不存在該領域通行的國際標準，因此對中國CPS產業而言，這既是一個挑戰，又是一個難得的機遇。如果國內CPS學術界和產業界能夠率先提出CPS的相關行業標準，就可望在這一場新的技術革命中把握先機。