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信息物理系统
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    信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计,可使系统更加可靠、高效、实时协同,具有重要而广泛的应用前景。

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图1-信息物理系统

CPS定义

    信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)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。

    信息物理系统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,主要用于一些智能系统上如设备互联,物联传感,智能家居,机器人,智能导航等。

    CPS是在环境感知的基础上,深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。

CPS的特征

    海量运算是CPS接入设备的普遍特征,因此,接入设备通常具有强大的计算能力。从计算性能的角度出发,把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话,那么物联网则可视为瘦客户机服务器,因为物联网中的物品不具备控制和自治能力,通信也大都发生在物品与服务器之间,因此物品之间无法进行协同。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用,或者说,CPS让物联网的定义和概念明晰起来。在物联网中主要是通过RFID与读写器之间的通信,人并没有介入其中。感知在CPS中十分重要。众所周知,自然界中各种物理量的变化绝大多数是连续的,或者说是模拟的,而信息空间数据则具有离散性。那么从物理空间到信息空间的信息流动,首先必须通过各种类型的传感器将各种物理量转变成模拟量,再通过模拟/数字转换器变成数字量,从而为信息空间所接受。从这个意义上说,传感器网络也可视为CPS的一部分。

    从产业角度看,CPS涵盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是,这种涵盖并不仅仅是比如说将现有的家电简单地连在一起,而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。

CPS发展

    2005年5月,美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力,并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后,基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统(CyberPhysicsSystem,CPS)列为重要的研究项目。

    到了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》的报告中列出了八大关键的信息技术,其中CPS位列首位,其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术(ARTMEIS)上投入54亿欧元(超过70亿美元),以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

    何积丰院士认为,CPS的意义在于将物理设备联网,特别是连接到互联网上,使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。

    本质上说,CPS是一个具有控制属性的网络,但它又有别于现有的控制系统。

    控制对于我们并不陌生。从20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,其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,而且,通信的功能比较弱。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在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。

    在资助CPS研究上扮演重要角色的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。”NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示。

机遇与挑战

    如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元,那么,CPS的市场规模则难以计数,因为CPS涵盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是,这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在一起,而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。

    “下一代工业将建立在CPS之上,随着CPS技术的发展和普及,使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在,并将推动工业产品和技术的升级换代,极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”何积丰表示,“CPS不仅会催生出新的工业,甚至会重新排列现有产业布局。”

    但CPS带来的挑战也是物联网所无法比拟的。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异。

    通常,控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题,而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感,而计算则只关心功能的实现。通俗地说,搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。

CPS的意义

    CPS的意义在于将物理设备联网,是连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络,但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上,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。

  

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