1.3　信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS），或稱“虛實(shí)集成系統(tǒng)”，是一個(gè)結(jié)合計(jì)算機(jī)運(yùn)算領(lǐng)域以及傳感器和制動(dòng)器設(shè)備的集成控制系統(tǒng)。目前，某些領(lǐng)域已出現(xiàn)類似于CPS的電子控制集成系統(tǒng)，如航空、汽車、化學(xué)制程、基礎(chǔ)建設(shè)、能源、健康、制造、交通控制、娛樂和消費(fèi)性電子產(chǎn)品，但這些系統(tǒng)通常都是嵌入式系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)機(jī)器的計(jì)算能力，而CPS更強(qiáng)調(diào)各個(gè)實(shí)體設(shè)備和計(jì)算機(jī)運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)的連接。

1.3.1　CPS的概念及其發(fā)展背景

2005年5月，美國(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)科學(xué)院評(píng)估美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，并提出維持和提高這種競(jìng)爭(zhēng)力的建議。5個(gè)月后，基于此項(xiàng)研究的報(bào)告《站在風(fēng)暴之上》問世。在此基礎(chǔ)上，2006年2月發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》將CPS列為重要研究項(xiàng)目。到了2007年7月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了九大關(guān)鍵信息技術(shù)，其中CPS居首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)、高端計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、NIT與社會(huì)科學(xué)。歐盟則從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進(jìn)研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過70億美元），以使其在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。

CPS是一種將計(jì)算、通信和控制功能緊密集成到物理系統(tǒng)中的技術(shù)。CPS通過實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的互聯(lián)互通，為各種領(lǐng)域提供高效、智能的解決方案。CPS是一類具有計(jì)算、通信和控制能力的智能系統(tǒng)，其內(nèi)部包含物理組件和數(shù)字組件。這些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和控制，從而提高系統(tǒng)性能、安全性和可靠性。CPS作為一種跨學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)、控制理論、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

CPS的發(fā)展是由多個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)，主要包括計(jì)算能力的提升、通信技術(shù)的革新、傳感器技術(shù)的突破以及大數(shù)據(jù)和AI的發(fā)展等。這些技術(shù)的進(jìn)步為CPS的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著全球競(jìng)爭(zhēng)的加劇和資源環(huán)境壓力的增大，產(chǎn)業(yè)界對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低能耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面的需求日益迫切。CPS作為一種具有巨大潛力的技術(shù)，正逐漸成為各個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化背景下，人們的生活和工作方式發(fā)生了深刻變革。CPS作為一種將數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界相互融合的技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)更加智能、便捷和安全的社會(huì)生活方式。為了應(yīng)對(duì)技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的挑戰(zhàn)，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)了一系列政策措施，以支持CPS等新一代信息技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。這些政策為推動(dòng)CPS的發(fā)展提供了有力的支持。

總之，CPS的概念及其發(fā)展是在技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)需求、社會(huì)變革和政策推動(dòng)等多重因素的共同作用下形成的，CPS技術(shù)的發(fā)展為人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1.3.2　CPS的主要特點(diǎn)

CPS借用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)人的控制在時(shí)間、空間等方面的延伸，CPS系統(tǒng)的本質(zhì)就是人、機(jī)、物的融合計(jì)算。和傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)不同，一個(gè)完整的CPS被設(shè)計(jì)成一個(gè)實(shí)體設(shè)備的交互網(wǎng)絡(luò)，而不僅僅是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)作的設(shè)備。這個(gè)概念類似于機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。據(jù)推測(cè)，接下來(lái)的數(shù)年在科學(xué)和工程上的進(jìn)步會(huì)使計(jì)算與物理實(shí)體單元更緊密地結(jié)合，從而使CPS的適應(yīng)性、自動(dòng)化、效率、功能、可靠性、安全性和可用性大幅提升。科技進(jìn)展也讓CPS在多個(gè)方面應(yīng)用的可能性變大。CPS的主要特點(diǎn)如下。

（1）深度集成。CPS將計(jì)算、通信和控制功能緊密集成到物理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了物理世界和數(shù)字世界的無(wú)縫連接。這種深度集成使得CPS具備高度智能化和自主化的能力。

（2）實(shí)時(shí)性。CPS具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和控制的能力。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控物理系統(tǒng)的狀態(tài)，CPS能夠快速響應(yīng)環(huán)境變化和系統(tǒng)需求，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和執(zhí)行效率。

（3）自適應(yīng)性。CPS具備強(qiáng)大的自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。這種自適應(yīng)性使CPS能夠應(yīng)對(duì)不確定性、變化性和復(fù)雜性更高的環(huán)境與任務(wù)。

（4）可預(yù)測(cè)性。CPS利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和AI技術(shù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和推測(cè)。這種可預(yù)測(cè)性有助于實(shí)現(xiàn)更加精確和高效的系統(tǒng)控制，降低故障率和運(yùn)維成本。

綜上所述，CPS的主要特點(diǎn)包括深度集成、實(shí)時(shí)性、自適應(yīng)性、可預(yù)測(cè)性等。這些特點(diǎn)使CPS具有巨大的潛力，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、智能交通、能源管理、醫(yī)療健康等多個(gè)領(lǐng)域。

1.3.3　CPS的應(yīng)用領(lǐng)域

如果物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模像人們所說(shuō)的有上萬(wàn)億元，那么CPS的市場(chǎng)規(guī)模則難以計(jì)數(shù)，因?yàn)镃PS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)，大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)的應(yīng)用。更重要的是，這種涵蓋不是將物與物簡(jiǎn)單地連在一起，而是要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。中國(guó)科學(xué)院院士何積豐表示，“下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備無(wú)處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大地提高汽車、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康／醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力”。

CPS可以用于智能制造、自動(dòng)化生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，并提升產(chǎn)品質(zhì)量。CPS還可以應(yīng)用于智能交通管理、自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)等交通領(lǐng)域，提高道路利用率，減少交通事故，并降低能耗。同時(shí)，CPS可以用于智能電網(wǎng)、可再生能源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，降低排放，并保護(hù)生態(tài)環(huán)境。另外，CPS可以應(yīng)用于智能建筑、城市基礎(chǔ)設(shè)施管理等領(lǐng)域，用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能健康管理、康復(fù)輔助等醫(yī)療領(lǐng)域，用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、食品安全監(jiān)管等領(lǐng)域，用于智能倉(cāng)儲(chǔ)、物流自動(dòng)化、供應(yīng)鏈優(yōu)化等領(lǐng)域，用于智能安防、應(yīng)急通信、災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，CPS的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1.3.4　CPS的發(fā)展趨勢(shì)與前景

為加快推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)和信息通信領(lǐng)域的溝通交流、深度融合，在工業(yè)和信息化部的指導(dǎo)下，由中國(guó)信息通信研究院牽頭聯(lián)合各領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用相關(guān)單位，共同建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Alliance of Industrial Internet，AII），打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。AII以融合、開放、創(chuàng)新、共贏的理念，組織全體成員單位，組建工作組14個(gè)、特設(shè)任務(wù)組15個(gè)、垂直行業(yè)領(lǐng)域16個(gè)、分聯(lián)盟6個(gè)，分別從頂層設(shè)計(jì)、需求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全、測(cè)試床、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國(guó)際合作、政策法規(guī)與投融資、人才等多方面開展工作，形成產(chǎn)業(yè)共識(shí)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過組織工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)（原工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)峰會(huì)）等大型活動(dòng)，持續(xù)宣傳工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最新發(fā)展成效，提升AII國(guó)內(nèi)外影響力。截至2021年6月，AII成員單位數(shù)量已近2000家，發(fā)布了近百份白皮書、研究報(bào)告、聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，包含《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)白皮書》等。遴選出測(cè)試床66個(gè)及應(yīng)用案例和解決方案200余個(gè)，并在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識(shí)、平臺(tái)、安全等方面，結(jié)合新的技術(shù)與應(yīng)用，探索開展聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)室和聯(lián)盟實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)。

隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，CPS將實(shí)現(xiàn)更高的智能化、自主化和實(shí)時(shí)性，提升系統(tǒng)性能和應(yīng)用效果。CPS將繼續(xù)拓展在工業(yè)制造、智能交通、能源管理、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的應(yīng)用，為各行業(yè)帶來(lái)更高效、可持續(xù)的解決方案。為促進(jìn)CPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，未來(lái)將出現(xiàn)更多開放平臺(tái)和生態(tài)系統(tǒng)，以支持企業(yè)與開發(fā)者快速構(gòu)建、部署和管理CPS應(yīng)用。隨著CPS應(yīng)用的普及和規(guī)模的擴(kuò)大，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和互操作性將成為關(guān)鍵問題。未來(lái)，各個(gè)領(lǐng)域?qū)⑴χ贫ńy(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保CPS系統(tǒng)間的順暢協(xié)作。隨著CPS在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)安全和隱私保護(hù)將成為越來(lái)越重要的議題。未來(lái)，CPS系統(tǒng)將采用更加嚴(yán)密的安全措施和技術(shù)，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和用戶隱私。CPS的發(fā)展和應(yīng)用得到全球范圍的合作與政策支持，各國(guó)政府、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)將加強(qiáng)合作，共同推進(jìn)CPS技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用。為應(yīng)對(duì)CPS技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，未來(lái)將需要大量具備相關(guān)技能的人才。教育和培訓(xùn)將成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以確保人才供應(yīng)和技能提升。

綜上所述，CPS的發(fā)展趨勢(shì)及前景包括技術(shù)融合與創(chuàng)新、跨領(lǐng)域應(yīng)用拓展、開放平臺(tái)與生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性、安全與隱私保護(hù)、全球合作。