信息物理系统

信息物理系统(cyber physical system，CPS)

　　信息物理系统作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。CPS包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，其涉及应用领域非常广泛，包括智能交通系统，远程医疗，智能电网，航空航天等多个领域。如果说Internet的普及给人类社会带来了翻天覆地的变化，那么CPS的普及将给人类带来的一次工业革命。目前，CPS的研究才刚刚起步，对研究者来说机遇与挑战并存。

　　从二十世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，基本是在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，其通信距离很短，通信功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来，如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键的信息技术，其中CPS位列首位。

　　CPS所面临的挑战主要来自以下几个方面：

　　（1）计算速度，由于很多CPS需要海量运算，当前嵌入式系统的计算速度还无法满足这一要求，可以想象在智能交通系统中高速运动的汽车长时间等待一条指令的情况下时将会发生什么危险事情。

　　（2）网络通信效率，就目前的互联网来说，在网络拥堵的情况下点击一个页面出现几秒钟延迟是常见的事情，然而在CPS中，如果一辆汽车需要立刻采取刹车措施时迟迟得不到指令是很危险的。

　　（3）研究条件，从CPS的特点我们已经知道它是一个横跨多个学科的领域，尽管人们已经意识到学科交叉的重要性，但在目前的教育和评价体制下，学科之间的融合显得缺乏动力。由于工业界和学术界对科研成果的评价指标不一致，使得高校和科研机构不愿投入时间和资源来研究和弄懂工业界所遇到的实际问题。

　　信息物理系统是计算、通信与物理过程的综合，如下图所示。CPS的目标是使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程合作和自治等能力，通过互联网组成各种相应自治控制系统和信息服务系统，完成现实社会与虚拟空问的有机协调。CPS与物联网有类似的能力，但CPS更强调循环反馈，要求系统能够在感知物理世界之后通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用。

　　lnternet将朝着可信、移动、物联到泛在发展，即注重信息接入的高可用性与可信性的可信互联网、具有移动性的普适计算并实现随时随地的无缝接入的移动互联网 、实时接人物理世界信息并跨越物理与Cyber空间的物联网，以及动态信息接入自治连网的泛在网。Intemet正朝着宽带化、移动化、泛在化发展，同时注重网络的安全性、可用性和可信性 。

　　欧洲智能系统集成技术平台(European platformon smart systems，EPoSS)于2008年在报告《Internetof Things in 2020》中预测了4个发展阶段：

　　1)2010年前，基于RFID技术实现低功耗、低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药等领域进行局部应用。

　　2)2010-2015年，利用传感器网络及无所不在的RF1D标签实现物与物之间的广泛互连，针对特定产业制定技术标准，并完成部分网络融合。

　　3)2015-2020年，具有可执行指令的标签被广泛应用，物体进入半智能化，完成网间交互标准制定，网络具有超高速传输能力。

　　4)2020年后，物体具有完全智能的响应行为，异质系统能够协同交互，强调产业整合，实现人、物、服务网络的深度融合。同时各个国家和地区都出台了对物联网的规划。

　　美国国家智能理事会将物联网作为2025年对美国潜在影响最重要的6项技术之一。2009年，欧盟执委会发表《Internet of Things-An action plan for Europe)，提出要加强对物联网的管理、完善隐私和个人数据保护、提高物联网的可信度、推广标准化、推广物联网应用等行动建议。韩国通信委员会于2009年出台了《物联网基础设施构建基本规划》。2009年，日本政府IT战略本部制定了日本新一代的信息化战略《i-Japan战略2015》，该战略旨在到2015年让数字信息技术如同空气和水一般融入每一个角落。