信息物理融合系統(tǒng)的相關(guān)研究

梁昂昂

摘 要：信息物理融合系統(tǒng)CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。本文主要闡述CPS的基本概念，對(duì)CPS系統(tǒng)的現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析，總結(jié)我國(guó)CPS系統(tǒng)發(fā)展中的問(wèn)題，并指明今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng) 實(shí)時(shí)感知 動(dòng)態(tài)控制

隨著計(jì)算科學(xué)、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展，物理過(guò)程中的計(jì)算過(guò)程、通信過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度集中和物理裝置的網(wǎng)絡(luò)化、神經(jīng)化、信息化，由此產(chǎn)生了信息物理融合系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CPS系統(tǒng)。CPS系統(tǒng)可以對(duì)物理信息（反映環(huán)境、性質(zhì)等狀態(tài)的參數(shù)）的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)處理與反饋機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理過(guò)程的自動(dòng)化控制，達(dá)到類(lèi)人的智能效果。

一、CPS的基本概念與來(lái)源

自二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，電子技術(shù)，計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等取得了飛速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新成為了這場(chǎng)方興未艾的偉大IT革命的重要?jiǎng)恿υ慈＞W(wǎng)絡(luò)的規(guī)模及其新應(yīng)用領(lǐng)域正日益得到擴(kuò)展，其最引人舉目的是新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物理設(shè)備系統(tǒng)的結(jié)合。隨著傳感器、嵌入式計(jì)算設(shè)備或終端、高性能通信設(shè)備、各種消費(fèi)類(lèi)和工程類(lèi)電子設(shè)備等物理設(shè)施的大量接入，新型計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化的物理設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模得以急劇膨脹。同時(shí)，隨著國(guó)家大型電力網(wǎng)絡(luò)、航空航天交通控制網(wǎng)絡(luò)、高速公路交通控制網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)生防疫應(yīng)急響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)療與社區(qū)醫(yī)保網(wǎng)絡(luò)、海洋搜尋與救援網(wǎng)絡(luò)等大型或者特大型網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)家電、汽車(chē)引擎智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、心房脈沖產(chǎn)生器、納米級(jí)制造控制系統(tǒng)等小型或者微型網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備系統(tǒng)的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)物理領(lǐng)域中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形式，使得用聯(lián)網(wǎng)計(jì)算方式來(lái)整合物理系統(tǒng)和計(jì)算系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的功能擴(kuò)展成為物理系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)，并由此導(dǎo)致出現(xiàn)了新一代的并由此導(dǎo)致出現(xiàn)了新一代的工程系統(tǒng)：信息物理融合系統(tǒng)。CPS網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)生產(chǎn)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中的基礎(chǔ)性、全局性作用正日益增強(qiáng)。

CPS，從廣義上來(lái)理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制物理實(shí)體。CPS的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟?lèi)構(gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。

二、CPS系統(tǒng)的特征

CPS系統(tǒng)把計(jì)算與通信深深地嵌入實(shí)物過(guò)程，使之與實(shí)物過(guò)程密切互動(dòng)，從而給實(shí)物系統(tǒng)添加新的能力。CPS系統(tǒng)的規(guī)格形狀是多種多樣的，小如心臟起搏器，大如國(guó)家電網(wǎng)。由于計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的（computer-augmented）的裝置無(wú)處不在，CPS系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟(jì)影響力。CPS的研究與應(yīng)用將會(huì)改變了人類(lèi)與自然物理世界的交互方式，在健康醫(yī)療設(shè)備與輔助生活、智能交通控制與安全、先進(jìn)汽車(chē)系統(tǒng)、能源儲(chǔ)備、環(huán)境監(jiān)控、航空電子、防御系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加工制造與工業(yè)過(guò)程控制、智能建筑等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。如家居、交通控制、安全、高級(jí)汽車(chē)、過(guò)程控制。環(huán)境控制、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施控制（電力、灌溉網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)）、分布式機(jī)器人、防御系統(tǒng)、制造業(yè)、智能構(gòu)造、交通系統(tǒng)能夠從智能汽車(chē)提高安全性和傳送效率中有效地獲益。家居技術(shù)將提高老人護(hù)理并有效控制與日俱增的護(hù)理花費(fèi)。減少?lài)?guó)家能源依賴(lài)。這很難估計(jì)CPS為未來(lái)生活帶來(lái)的積極地潛在的價(jià)值。但我們都知道CPS的價(jià)值是巨大的。

微觀與宏觀的CPS材料、受控組件、運(yùn)行中的醫(yī)療裝置與系統(tǒng)、下一代電網(wǎng)、未來(lái)防務(wù)系統(tǒng)、下一代汽車(chē)、智能高速公路、靈活的機(jī)器人主導(dǎo)的制造、下一代航空器、空域與天域管理系統(tǒng)等。美國(guó)國(guó)防部預(yù)先研究局認(rèn)為：賽博-實(shí)物系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）是指這樣的系統(tǒng)：其功能中的很大一部分是從軟件與機(jī)電系統(tǒng)中導(dǎo)出的。事實(shí)上，所有的防務(wù)系統(tǒng)（如飛機(jī)、航天器、海軍艦船、地面載具，等等）和系統(tǒng)的系統(tǒng)，都屬于CPS。另外，集成電路、MEMS、NEMS……也屬于CPS

CPS是物理過(guò)程和計(jì)算過(guò)程的集成系統(tǒng)，是人類(lèi)通過(guò)CPS系統(tǒng)包含的數(shù)字世界和機(jī)械設(shè)備與物理世界進(jìn)行交互，這種交互的主體既包括人類(lèi)自身也包括在人的意圖知道下的系統(tǒng)。而作用的客體包括真實(shí)世界的各方面：自然環(huán)境、建筑、機(jī)器、同時(shí)也包括人類(lèi)自身等。

CPS是可能是一個(gè)分布式異構(gòu)系統(tǒng)，他不僅包含了許多功能不同的子系統(tǒng)，而且這些子系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)和功能各異，而且分布在不同的地理范圍內(nèi)。各個(gè)子系統(tǒng)之間要通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的通信方式相互協(xié)調(diào)工作。

CPS具有自適應(yīng)性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點(diǎn)和要求。物理構(gòu)建和軟件構(gòu)建必須能夠在不關(guān)機(jī)或停機(jī)的狀態(tài)下動(dòng)態(tài)加入系統(tǒng)，同時(shí)保證滿(mǎn)足系統(tǒng)需求和服務(wù)質(zhì)量。比如一個(gè)超市安防系統(tǒng)，在加入傳感器、攝像頭、監(jiān)視器等物理節(jié)點(diǎn)或者進(jìn)行軟件升級(jí)的過(guò)程中不需關(guān)掉整個(gè)系統(tǒng)或者停機(jī)就可以動(dòng)態(tài)升級(jí)。CPS應(yīng)該是一個(gè)智能的有自主行為的系統(tǒng)，CPS不僅能夠從環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提取有效信息，并且根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則通過(guò)效應(yīng)器作用于環(huán)境。

三、CPS系統(tǒng)與智能物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系

智能物聯(lián)網(wǎng)是智能科學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)交叉的產(chǎn)物，是下一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)覆蓋面的增加，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算量的需求也將帶來(lái)對(duì)“云計(jì)算”能力和全球衛(wèi)星通信的要求，因此智能物聯(lián)、云物聯(lián)、衛(wèi)星物聯(lián)也將成為下一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在常態(tài)下應(yīng)該與公用云系統(tǒng)相連，但是在非常態(tài)下應(yīng)該及時(shí)接入移動(dòng)云終端、組建專(zhuān)用云，使其具有智能傳感與感知功能。

信息物理融合系統(tǒng)是“互聯(lián)網(wǎng)+”在過(guò)程工業(yè)中的表現(xiàn)形式，它將工業(yè)過(guò)程與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而逐步實(shí)現(xiàn)智能工廠的最終目標(biāo)。物理信息融合系統(tǒng)的研究需要從計(jì)算機(jī)科學(xué)，控制科學(xué)，和網(wǎng)絡(luò)安全等方面進(jìn)行。物理信息融合系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)是控制系統(tǒng)的安全防護(hù)。

四、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，CPS不僅已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和科技界研究開(kāi)發(fā)的重要方向，預(yù)計(jì)也將成為企業(yè)界優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。開(kāi)展CPS研究與應(yīng)用對(duì)于加快我國(guó)培育推進(jìn)工業(yè)化與信息化融合具有重要意義。對(duì)CPS系統(tǒng)的研究還有以下主要方向，CPS 科學(xué)基礎(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域CPS應(yīng)用系統(tǒng)示范及國(guó)家急需的CPS應(yīng)用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局，并就3G與CPS融合、智能電網(wǎng)的CPS應(yīng)用、CPS技術(shù)發(fā)展與智能交通、CPS技術(shù)在數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字農(nóng)業(yè)、公共安全等領(lǐng)域 。

CPS內(nèi)容博大精深，它大到包括整個(gè)工業(yè)體系，小到一個(gè)簡(jiǎn)單的PLC控制器，這些是一切智能系統(tǒng)的核心；不能正確理解它，，就難于理解智能制造。因此，在我國(guó)推進(jìn)智能制造的進(jìn)程中，一定要重視CPS的核心作用。同時(shí)也要時(shí)刻認(rèn)識(shí)到，根據(jù)目前人工智能的進(jìn)展，技術(shù)非常重要。

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，信息物理融合技術(shù)是綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，在進(jìn)行計(jì)算、通信以及控制等方面能夠有效的對(duì)大型工程設(shè)備進(jìn)行控制、感知以及動(dòng)態(tài)化的調(diào)節(jié)等，在未來(lái)社會(huì)、科技等行業(yè)發(fā)展過(guò)程中具有廣闊的發(fā)展前景，是值得推廣和普及的。

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