信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用前景研究

冒蘇敏+周樂+張金宇+楊逸

【摘要】 信息系統(tǒng)是計(jì)算，通信和控制的集成。物理系統(tǒng)是指遵循特定指令和工作流程的人為系統(tǒng)。信息物理融合系統(tǒng)將信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)各個(gè)階段都緊密融合、相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更智能化的應(yīng)用。CPS在很多行業(yè)都有很廣泛的應(yīng)用。通過因特網(wǎng)，人們實(shí)現(xiàn)了相互通信，而CPS將改變?nèi)藗兣c物質(zhì)世界的聯(lián)系方式。

【關(guān)鍵詞】 信息物理融合系統(tǒng)（CPS） 智能化 應(yīng)用前景

引言

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems[1-4]，以下簡(jiǎn)稱CPS）是一個(gè)前沿性的研究領(lǐng)域，集成了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及控制等多學(xué)科。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展技術(shù)的進(jìn)步，CPS已經(jīng)成為全球新的發(fā)展趨勢(shì)，在智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療、智能建筑，未來航空管理等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。CPS 被普遍認(rèn)為是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)史上的下一次革命，Internet幫助人類實(shí)現(xiàn)了信息交流，而 CPS 將會(huì)改變?nèi)伺c自然界之間的交互方式。

一、CPS概述

CPS賦予了人類和自然界一種新關(guān)系。CPS將計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)和物理進(jìn)程結(jié)合在一起。物理進(jìn)程受到網(wǎng)絡(luò)的控制和監(jiān)督；計(jì)算機(jī)收到它所控制物理進(jìn)程的反饋信息。在CPS系統(tǒng)中，物理進(jìn)程和其它進(jìn)程緊密聯(lián)系、相互關(guān)聯(lián)，充分利用不同系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。CPS意味著監(jiān)測(cè)各項(xiàng)物理進(jìn)程并且執(zhí)行相應(yīng)的命令來改變它。換句話說，物理進(jìn)程被計(jì)算系統(tǒng)所監(jiān)視著。該系統(tǒng)和很多小設(shè)備向關(guān)聯(lián)，他們擁有無線通信，感知存儲(chǔ)和計(jì)算功能。在現(xiàn)實(shí)物理世界中，各項(xiàng)物理進(jìn)程是自然發(fā)生的，而CPS是一種人為物理系統(tǒng)或者說是一種將人類和物理世界相結(jié)合的更為復(fù)雜的系統(tǒng)。

二、CPS帶來的機(jī)遇

美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院已經(jīng)列舉了一些人類所面臨的涉及環(huán)境，健康和人口等問題。CPS將會(huì)為解決這些問題提供很大的幫助。下面描述了CPS給人類帶來的應(yīng)用前景。（1）CPS的研究在醫(yī)療和生物制造業(yè)提供了廣闊的前景。在醫(yī)療上的應(yīng)用取決于治療裝置和設(shè)備是否聯(lián)網(wǎng)，并且需要滿足患者的特殊需求。治療裝置和設(shè)備需要被大量重建，實(shí)現(xiàn)患者和醫(yī)護(hù)人員相互關(guān)聯(lián)。（2）對(duì)于CPS研究的另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域是人類神經(jīng)科學(xué)。它可以系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)神經(jīng)科學(xué)在人類運(yùn)動(dòng)中的作用和地位。（3）在家庭醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域，功能更強(qiáng)大的生物醫(yī)學(xué)裝置被用來測(cè)量身體內(nèi)外的健康狀況。（4）CPS的研究也會(huì)對(duì)未來飛行器和空中交通管理系統(tǒng)產(chǎn)生影響。（5）智能電網(wǎng)和可再生能源的研究和開發(fā)，用來提高能源利用率。（6）建立更加強(qiáng)大的系統(tǒng)滿足自主車載網(wǎng)絡(luò)。（7）新的可再生能源被用于高能耗和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。家庭、辦公、建筑和車輛使用更有效的清潔能源和更簡(jiǎn)便的操作。（8）在農(nóng)業(yè)中使用節(jié)能技術(shù)，旨在提高農(nóng)業(yè)自動(dòng)化率，完善生物鏈。通過對(duì)資源和環(huán)境的優(yōu)化，提高食品生產(chǎn)安全。（9）提高高速公路車輛安全性，并且使得高速公路可以同時(shí)容納更多的車輛快速運(yùn)行。

三、CPS面臨的挑戰(zhàn)

（1）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：設(shè)計(jì)一種新的模型滿足實(shí)時(shí)性要求是首要的任務(wù)。因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中有大量的傳感器，執(zhí)行器和計(jì)算設(shè)備需要交換大量的信息。例如，由于傳感器節(jié)點(diǎn)位置的不同，CPS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變化，各系統(tǒng)間需要進(jìn)行大量的信息交換，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

（2）魯棒性和安全性：通常情況下，系統(tǒng)間的信息交互必會(huì)受到物理世界的不確定因素的影響。不同于計(jì)算系統(tǒng)中的邏輯運(yùn)算，CPS擁有較高的魯棒性和安全性。

（3）建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型：物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)最大的不同是物理系統(tǒng)隨著進(jìn)程的改變不斷的實(shí)時(shí)變化，而信息系統(tǒng)隨著邏輯間的改變而變化。CPS融合這兩者的特點(diǎn)建立相應(yīng)動(dòng)態(tài)模型。

（4）反饋結(jié)構(gòu)：動(dòng)態(tài)的變化會(huì)影響物理系統(tǒng)的性能，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。為了解決這個(gè)問題，許多無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須被設(shè)計(jì)成橋接各節(jié)點(diǎn)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的通信。反饋機(jī)制有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)約束跨層和跨界點(diǎn)的信息交換，同時(shí)滿足傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制方案。反射結(jié)構(gòu)提供特定的反射信息，這一類信息是非常重要的，他們包括感知數(shù)據(jù)，性能參數(shù)和數(shù)據(jù)的可用性。

四、結(jié)語

在過去的幾年里，CPS一直是研究人員熱衷探索的領(lǐng)域。CPS改變了人與世界的溝通方式，在很多行業(yè)都有很廣泛的應(yīng)用，因此必須做到可靠，安全，實(shí)時(shí)有效。通過工程學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科間的相互合作，CPS將會(huì)擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何積豐. Cyber-physical Systems[J]. 中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊. 2010，6（1）： 25-29 .

[2] 李仁發(fā)， 謝勇， 李蕊等. 信息-物理融合系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2012， 49（6）：1149-1161.

[3] Quadri， Imran， Bagnato， Alessandra， Brosse， Etienne， et al. Modeling Methodologies for CyberPhysical Systems： Research Field Study on Inherent and Future Challenges[J]. Ada User Journal， 2015.