信息物理融合系統(tǒng)的相關研究

1、    信息物理融合系統(tǒng)的相關研究    梁昂昂摘 要：信息物理融合系統(tǒng)cps是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3c（computation、communication、control）技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。本文主要闡述cps的基本概念，對cps系統(tǒng)的現(xiàn)有研究成果進行分析，總結(jié)我國cps系統(tǒng)發(fā)展中的問題，并指明今后的發(fā)展方向。關鍵詞：信息物理融合系統(tǒng) 實時感知 動態(tài)控制隨著計算科學、數(shù)據(jù)處理等技術的發(fā)展，物理過程中的計算過程、通信過程已經(jīng)實現(xiàn)了高度集中和物理裝置的網(wǎng)絡化、神經(jīng)化、信息化，

2、由此產(chǎn)生了信息物理融合系統(tǒng)，簡稱cps系統(tǒng)。cps系統(tǒng)可以對物理信息（反映環(huán)境、性質(zhì)等狀態(tài)的參數(shù)）的實時感知、動態(tài)處理與反饋機制，可實現(xiàn)對物理過程的自動化控制，達到類人的智能效果。一、cps的基本概念與來源自二十世紀六十年代以來，電子技術，計算技術和網(wǎng)絡技術等取得了飛速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術的革新成為了這場方興未艾的偉大it革命的重要動力源泉。網(wǎng)絡的規(guī)模及其新應用領域正日益得到擴展，其最引人舉目的是新網(wǎng)絡技術和物理設備系統(tǒng)的結(jié)合。隨著傳感器、嵌入式計算設備或終端、高性能通信設備、各種消費類和工程類電子設備等物理設施的大量接入，新型計算機化和網(wǎng)絡化的物理設備系統(tǒng)網(wǎng)絡的規(guī)模得以急劇膨脹。同時，隨著國

3、家大型電力網(wǎng)絡、航空航天交通控制網(wǎng)絡、高速公路交通控制網(wǎng)絡、衛(wèi)生防疫應急響應網(wǎng)絡、遠程醫(yī)療與社區(qū)醫(yī)保網(wǎng)絡、海洋搜尋與救援網(wǎng)絡等大型或者特大型網(wǎng)絡物理設備系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，以及網(wǎng)絡家電、汽車引擎智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、心房脈沖產(chǎn)生器、納米級制造控制系統(tǒng)等小型或者微型網(wǎng)絡物理設備系統(tǒng)的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)物理領域中的網(wǎng)絡應用形式，使得用聯(lián)網(wǎng)計算方式來整合物理系統(tǒng)和計算系統(tǒng)以實現(xiàn)物理設備的功能擴展成為物理系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢，并由此導致出現(xiàn)了新一代的并由此導致出現(xiàn)了新一代的工程系統(tǒng)：信息物理融合系統(tǒng)。cps網(wǎng)絡在工業(yè)生產(chǎn)與國民經(jīng)濟生活中的基礎性、全局性作用正日益增強。cps，從廣義上來理解，就是一個在環(huán)境感知的基礎

4、上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡化物理設備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制物理實體。cps的終極目標是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的cps網(wǎng)絡，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。二、cps系統(tǒng)的特征cps系統(tǒng)把計算與通信深深地嵌入實物過程，使之與實物過程密切互動，從而給實物系統(tǒng)添加新的能力。cps系統(tǒng)的規(guī)格形狀是多種多樣的，小如心臟起搏器，大如國家電網(wǎng)。由于計算機增強的（computer-augmented）的裝置

5、無處不在，cps系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟影響力。cps的研究與應用將會改變了人類與自然物理世界的交互方式，在健康醫(yī)療設備與輔助生活、智能交通控制與安全、先進汽車系統(tǒng)、能源儲備、環(huán)境監(jiān)控、航空電子、防御系統(tǒng)、基礎設施建設、加工制造與工業(yè)過程控制、智能建筑等領域均有著廣泛的應用前景。如家居、交通控制、安全、高級汽車、過程控制。環(huán)境控制、關鍵基礎設施控制（電力、灌溉網(wǎng)絡、通信系統(tǒng)）、分布式機器人、防御系統(tǒng)、制造業(yè)、智能構(gòu)造、交通系統(tǒng)能夠從智能汽車提高安全性和傳送效率中有效地獲益。家居技術將提高老人護理并有效控制與日俱增的護理花費。減少國家能源依賴。這很難估計cps為未來生活帶來的積極地潛在的價值。但我們都

6、知道cps的價值是巨大的。微觀與宏觀的cps材料、受控組件、運行中的醫(yī)療裝置與系統(tǒng)、下一代電網(wǎng)、未來防務系統(tǒng)、下一代汽車、智能高速公路、靈活的機器人主導的制造、下一代航空器、空域與天域管理系統(tǒng)等。美國國防部預先研究局認為：賽博-實物系統(tǒng)（cyber-physical system，cps）是指這樣的系統(tǒng)：其功能中的很大一部分是從軟件與機電系統(tǒng)中導出的。事實上，所有的防務系統(tǒng)（如飛機、航天器、海軍艦船、地面載具，等等）和系統(tǒng)的系統(tǒng)，都屬于cps。另外，集成電路、mems、nems也屬于cpscps是物理過程和計算過程的集成系統(tǒng)，是人類通過cps系統(tǒng)包含的數(shù)字世界和機械設備與物理世界進行交互，這種

7、交互的主體既包括人類自身也包括在人的意圖知道下的系統(tǒng)。而作用的客體包括真實世界的各方面：自然環(huán)境、建筑、機器、同時也包括人類自身等。cps是可能是一個分布式異構(gòu)系統(tǒng)，他不僅包含了許多功能不同的子系統(tǒng)，而且這些子系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)和功能各異，而且分布在不同的地理范圍內(nèi)。各個子系統(tǒng)之間要通過有線或無線的通信方式相互協(xié)調(diào)工作。cps具有自適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點和要求。物理構(gòu)建和軟件構(gòu)建必須能夠在不關機或停機的狀態(tài)下動態(tài)加入系統(tǒng)，同時保證滿足系統(tǒng)需求和服務質(zhì)量。比如一個超市安防系統(tǒng)，在加入傳感器、攝像頭、監(jiān)視器等物理節(jié)點或者進行軟件升級的過程中不需關掉整個系統(tǒng)或者停機就可以動態(tài)

8、升級。cps應該是一個智能的有自主行為的系統(tǒng)，cps不僅能夠從環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，提取有效信息，并且根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則通過效應器作用于環(huán)境。三、cps系統(tǒng)與智能物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系智能物聯(lián)網(wǎng)是智能科學與物聯(lián)網(wǎng)交叉的產(chǎn)物，是下一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)覆蓋面的增加，對數(shù)據(jù)存儲和計算量的需求也將帶來對“云計算”能力和全球衛(wèi)星通信的要求，因此智能物聯(lián)、云物聯(lián)、衛(wèi)星物聯(lián)也將成為下一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特點。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在常態(tài)下應該與公用云系統(tǒng)相連，但是在非常態(tài)下應該及時接入移動云終端、組建專用云，使其具有智能傳感與感知功能。信息物理融合系統(tǒng)是“互聯(lián)網(wǎng)+”在過程工業(yè)中的表現(xiàn)形式，它將工業(yè)過程與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而逐步實

9、現(xiàn)智能工廠的最終目標。物理信息融合系統(tǒng)的研究需要從計算機科學，控制科學，和網(wǎng)絡安全等方面進行。物理信息融合系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)是控制系統(tǒng)的安全防護。四、結(jié)語近年來，cps不僅已成為國內(nèi)外學術界和科技界研究開發(fā)的重要方向，預計也將成為企業(yè)界優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領域。開展cps研究與應用對于加快我國培育推進工業(yè)化與信息化融合具有重要意義。對cps系統(tǒng)的研究還有以下主要方向，cps 科學基礎及其關鍵技術、國民經(jīng)濟領域cps應用系統(tǒng)示范及國家急需的cps應用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局，并就3g與cps融合、智能電網(wǎng)的cps應用、cps技術發(fā)展與智能交通、cps技術在數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字農(nóng)業(yè)、公共安全等領域 。cps內(nèi)容博大精深，它大

10、到包括整個工業(yè)體系，小到一個簡單的plc控制器，這些是一切智能系統(tǒng)的核心；不能正確理解它，就難于理解智能制造。因此，在我國推進智能制造的進程中，一定要重視cps的核心作用。同時也要時刻認識到，根據(jù)目前人工智能的進展，技術非常重要。在當前科學技術發(fā)展的基礎上，信息物理融合技術是綜合計算、網(wǎng)絡以及物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，在進行計算、通信以及控制等方面能夠有效的對大型工程設備進行控制、感知以及動態(tài)化的調(diào)節(jié)等，在未來社會、科技等行業(yè)發(fā)展過程中具有廣闊的發(fā)展前景，是值得推廣和普及的。參考文獻：1 郭慶來，辛蜀駿，孫宏斌，王劍輝. 電力系統(tǒng)信息物理融合建模與綜合安全評估：驅(qū)動力與研究構(gòu)想j. 中國電機工程學報，2016，06：1481-1489.2 胡明，鄧宗全等. 基于adams的六輪月球車動力學建模與仿真. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（1）；28-31.3 朱敏，李必信等?；谖⒎謩討B(tài)邏輯的cps建模與屬性