信息物理系統

信息物理系統（CPS,Cyber-Physical Systems）是一個綜合計算、網路和物理環境的多維複雜系統，通過3C（Computer、Communication、Control）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。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，具有重要而廣泛的套用前景。

基本介紹

• 中文名：信息物理系統
• 外文名：Cyber-Physical Systems
• 內容：綜合計算、網路和物理環境
• 性質：多維複雜系統

CPS定義

信息物理系統(cyber physical systems,簡稱CPS)作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控制於一體的下一代智慧型系統。信息物理系統通過人機互動接口實現和物理進程的互動，使用網路化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控一個物理實體。

信息物理系統包含了將來無處不在的環境感知、嵌入式計算、網路通信和網路控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。它注重計算資源與物理資源的緊密結合與協調，主要用於一些智慧型系統上如設備互聯，物聯感測，智慧型家居，機器人，智慧型導航等。

CPS是在環境感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網路化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時互動來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。

CPS的特徵

海量運算是CPS接入設備的普遍特徵，因此，接入設備通常具有強大的計算能力。從計算性能的角度出發，把一些高端的CPS套用比作胖客戶機/伺服器架構的話，那么物聯網則可視為客戶機伺服器，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伺服器之間，因此物品之間無法進行協同。從這個角度來說物聯網可以看作CPS的一種簡約套用，或者說，CPS讓物聯網的定義和概念明晰起來。在物聯網中主要是通過RFID與讀寫器之間的通信，人並沒有介入其中。感知在CPS中十分重要。眾所周知，自然界中各種物理量的變化絕大多數是連續的，或者說是模擬的，而信息空間數據則具有離散性。那么從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感測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，感測器網路也可視為CPS的一部分。

從產業角度看，CPS涵蓋了小到智慧型家庭網路大到工業控制系統乃至智慧型交通系統等國家級甚至世界級的套用。更為重要的是，這種涵蓋並不僅僅是比如說將現有的家電簡單地連在一起，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。

CPS發展

2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，並提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月後，基於此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上於2006年2月發布的《美國競爭力計畫》則將信息物理系統(CyberPhysicsSystem，CPS)列為重要的研究項目。

到了2007年7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，其餘分別是軟體、數據、數據存儲與數據流、網路、高端計算、網路與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。歐盟計畫從2007年到2013年在嵌入智慧型與系統的先進研究與技術（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過70億美元），以其在2016年成為智慧型電子系統的世界領袖。

何積豐院士認為，CPS的意義在於將物理設備聯網，特別是連線到網際網路上，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路，但它又有別於現有的控制系統。

控制對於我們並不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發明了數控技術到如今基於嵌入式計算系統的工業控制系統遍地開花，工業自動化早已成熟，其在人們日常居家生活中，各種家電具有控制功能。

但是，這些控制系統基本是封閉的系統，即便其中一些工控套用網路也具有聯網和通信的功能，但其工控網路內部匯流排大都使用的都是工業控制匯流排，網路內部各個獨立的子系統或者說設備難以通過開放匯流排或者網際網路進行互聯，而且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調的分散式套用系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。

CPS在對網路內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是網路規模上遠遠超過現有的工控網路。

在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學基金會(NSF)認為，CPS將讓整個世界互聯起來。“如同網際網路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。”NSF計算機與信息科學和工程總監Branicky表示。

機遇與挑戰

如果物聯網的市場規模像人們所說的有上萬億元，那么，CPS的市場規模則難以計數，因為CPS涵蓋了小到智慧型家庭網路大到工業控制系統乃至智慧型交通系統等國家級甚至世界級的套用。更為重要的是，這種涵蓋並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，使用計算機和網路實現功能擴展的物理設備無處不在，並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。”何積豐表示，“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帶來的挑戰也是網際網路所無法比擬的。這些挑戰很大程度上來自控制與計算之間的差異。

通常，控制領域是通過微分方程和連續的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數學的基礎上;控制對時間和空間都十分敏感，而計算則只關心功能的實現。通俗地說，搞控制的人和搞計算機的人沒有“共同語言”。這種差異將給計算機科學和套用帶來基礎性的變革。

CPS的意義

CPS的意義在於將物理設備聯網，是連線到網際網路上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。CPS本質上是一個具有控制屬性的網路，但它又有別於現有的控制系統。CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，因為CPS強調的分散式套用系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。CPS對網路內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是網路規模上遠遠超過現有的工控網路。美國國家科學基金會（NSF）認為，CPS將讓整個世界互聯起來。如同網際網路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。