信息物理系統

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信息物理系統(cyber physical system,CPS)

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什麼是信息物理系統

  信息物理系統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能系統。信息物理系統通過人機交互介面實現和物理進程的交互,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。CPS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。它註重計算資源與物理資源的緊密結合與協調,其涉及應用領域非常廣泛,包括智能交通系統遠程醫療智能電網,航空航天等多個領域。如果說Internet的普及給人類社會帶來了翻天覆地的變化,那麼CPS的普及將給人類帶來的一次工業革命。目前,CPS的研究才剛剛起步,對研究者來說機遇與挑戰並存。

信息物理系統的特點

  從二十世紀40年代麻省理工學院發明瞭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,基本是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,即便其中一些工控應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互聯網進行互聯,其通信距離很短,通信功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上,這是因為CPS強調的分散式應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,如同互聯網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。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8大關鍵的信息技術,其中CPS位列首位。

信息物理系統面臨的挑戰

  CPS所面臨的挑戰主要來自以下幾個方面:

  (1)計算速度,由於很多CPS需要海量運算,當前嵌入式系統的計算速度還無法滿足這一要求,可以想象在智能交通系統中高速運動的汽車長時間等待一條指令的情況下時將會發生什麼危險事情。

  (2)網路通信效率,就目前的互聯網來說,在網路擁堵的情況下點擊一個頁面出現幾秒鐘延遲是常見的事情,然而在CPS中,如果一輛汽車需要立刻採取剎車措施時遲遲得不到指令是很危險的。

  (3)研究條件,從CPS的特點我們已經知道它是一個橫跨多個學科的領域,儘管人們已經意識到學科交叉的重要性,但在目前的教育和評價體制下,學科之間的融合顯得缺乏動力。由於工業界和學術界對科研成果的評價指標不一致,使得高校和科研機構不願投入時間和資源來研究和弄懂工業界所遇到的實際問題。


物聯網與CPS的關係

  信息物理系統是計算、通信與物理過程的綜合,如下圖所示。CPS的目標是使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程合作和自治等能力,通過互聯網組成各種相應自治控制系統和信息服務系統,完成現實社會與虛擬空問的有機協調。CPS與物聯網有類似的能力,但CPS更強調迴圈反饋,要求系統能夠在感知物理世界之後通過通信與計算再對物理世界起到反饋控制作用。

Image:信息物理系统.jpg

  lnternet將朝著可信、移動、物聯到泛在發展,即註重信息接入的高可用性與可信性的可信互聯網、具有移動性的普適計算並實現隨時隨地的無縫接入的移動互聯網 、實時接人物理世界信息並跨越物理與Cyber空間的物聯網,以及動態信息接入自治連網的泛在網。Intemet正朝著寬頻化、移動化、泛在化發展,同時註重網路的安全性、可用性和可信性 。

  歐洲智能系統集成技術平臺(European platformon smart systems,EPoSS)於2008年在報告《Internetof Things in 2020》中預測了4個發展階段:

  1)2010年前,基於RFID技術實現低功耗、低成本的單個物體間的互聯,併在物流零售、製藥等領域進行局部應用。

  2)2010-2015年,利用感測器網路及無所不在的RF1D標簽實現物與物之間的廣泛互連,針對特定產業制定技術標準,並完成部分網路融合

  3)2015-2020年,具有可執行指令的標簽被廣泛應用,物體進入半智能化,完成網間交互標準制定,網路具有超高速傳輸能力。

  4)2020年後,物體具有完全智能的響應行為,異質系統能夠協同交互,強調產業整合,實現人、物、服務網路的深度融合。同時各個國家和地區都出台了對物聯網的規劃。

  美國國家智能理事會將物聯網作為2025年對美國潛在影響最重要的6項技術之一。2009年,歐盟執委會發表《Internet of Things-An action plan for Europe),提出要加強對物聯網的管理、完善隱私和個人數據保護、提高物聯網的可信度、推廣標準化、推廣物聯網應用等行動建議。南韓通信委員會於2009年出台了《物聯網基礎設施構建基本規劃》。2009年,日本政府IT戰略本部制定了日本新一代的信息化戰略《i-Japan戰略2015》,該戰略旨在到2015年讓數字信息技術如同空氣和水一般融入每一個角落。

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