冒苏敏+周乐+张金宇+杨逸

【摘要】 信息系统是计算，通信和控制的集成。物理系统是指遵循特定指令和工作流程的人为系统。信息物理融合系统将信息系统和物理系统各个阶段都紧密融合、相互协作，实现更智能化的应用。CPS在很多行业都有很广泛的应用。通过因特网，人们实现了相互通信，而CPS将改变人们与物质世界的联系方式。

【关键词】 信息物理融合系统（CPS） 智能化 应用前景

引言

信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems[1-4]，以下简称CPS）是一个前沿性的研究领域，集成了计算、网络及控制等多学科。随着经济的发展技术的进步，CPS已经成为全球新的发展趋势，在智能电网、智能交通、智能医疗、智能建筑，未来航空管理等诸多领域有着广泛的应用前景。CPS 被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命，Internet帮助人类实现了信息交流，而 CPS 将会改变人与自然界之间的交互方式。

一、CPS概述

CPS赋予了人类和自然界一种新关系。CPS将计算，网络和物理进程结合在一起。物理进程受到网络的控制和监督；计算机收到它所控制物理进程的反馈信息。在CPS系统中，物理进程和其它进程紧密联系、相互关联，充分利用不同系统间结构的特点。CPS意味着监测各项物理进程并且执行相应的命令来改变它。换句话说，物理进程被计算系统所监视着。该系统和很多小设备向关联，他们拥有无线通信，感知存储和计算功能。在现实物理世界中，各项物理进程是自然发生的，而CPS是一种人为物理系统或者说是一种将人类和物理世界相结合的更为复杂的系统。

二、CPS带来的机遇

美国国家科学研究院已经列举了一些人类所面临的涉及环境，健康和人口等问题。CPS将会为解决这些问题提供很大的帮助。下面描述了CPS给人类带来的应用前景。（1）CPS的研究在医疗和生物制造业提供了广阔的前景。在医疗上的应用取决于治疗装置和设备是否联网，并且需要满足患者的特殊需求。治疗装置和设备需要被大量重建，实现患者和医护人员相互关联。（2）对于CPS研究的另一个具有挑战性的领域是人类神经科学。它可以系统地认识神经科学在人类运动中的作用和地位。（3）在家庭医疗服务领域，功能更强大的生物医学装置被用来测量身体内外的健康状况。（4）CPS的研究也会对未来飞行器和空中交通管理系统产生影响。（5）智能电网和可再生能源的研究和开发，用来提高能源利用率。（6）建立更加强大的系统满足自主车载网络。（7）新的可再生能源被用于高能耗和工业自动化领域。家庭、办公、建筑和车辆使用更有效的清洁能源和更简便的操作。（8）在农业中使用节能技术，旨在提高农业自动化率，完善生物链。通过对资源和环境的优化，提高食品生产安全。（9）提高高速公路车辆安全性，并且使得高速公路可以同时容纳更多的车辆快速运行。

三、CPS面临的挑战

（1）系统的实时性：设计一种新的模型满足实时性要求是首要的任务。因为在这些系统中有大量的传感器，执行器和计算设备需要交换大量的信息。例如，由于传感器节点位置的不同，CPS网络拓扑结构会产生较大的变化，各系统间需要进行大量的信息交换，以适应不同的应用。

（2）鲁棒性和安全性：通常情况下，系统间的信息交互必会受到物理世界的不确定因素的影响。不同于计算系统中的逻辑运算，CPS拥有较高的鲁棒性和安全性。

（3）建立动态系统模型：物理系统和信息系统最大的不同是物理系统随着进程的改变不断的实时变化，而信息系统随着逻辑间的改变而变化。CPS融合这两者的特点建立相应动态模型。

（4）反馈结构：动态的变化会影响物理系统的性能，特别是无线传感器网络的性能。为了解决这个问题，许多无线网络协议必须被设计成桥接各节点物理层和网络层的通信。反馈机制有统一的标准约束跨层和跨界点的信息交换，同时满足传统的设计和控制方案。反射结构提供特定的反射信息，这一类信息是非常重要的，他们包括感知数据，性能参数和数据的可用性。

四、结语

在过去的几年里，CPS一直是研究人员热衷探索的领域。CPS改变了人与世界的沟通方式，在很多行业都有很广泛的应用，因此必须做到可靠，安全，实时有效。通过工程学科和计算机学科间的相互合作，CPS将会拥有更广泛的应用前景。

参 考 文 献

[1] 何积丰. Cyber-physical Systems[J]. 中国计算机学会通讯. 2010，6（1）： 25-29 .

[2] 李仁发， 谢勇， 李蕊等. 信息-物理融合系统若干关键问题综述[J]. 计算机研究与发展， 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.