CPS信息物理系統(tǒng)

老黃兄 2014-10-15

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什么是信息物理系統(tǒng)

　　信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS),，信息物理系統(tǒng)作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體,，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng),。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互,，使用網(wǎng)絡化空間以遠程的、可靠的,、實時的,、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體,。CPS包含了將來無處不在的環(huán)境感知,、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)工程,，使物理系統(tǒng)具有計算,、通信、精確控制,、遠程協(xié)作和自治功能,。它注重計算資源與物理資源的緊密結合與協(xié)調，其涉及應用領域非常廣泛,，包括智能交通系統(tǒng),，遠程醫(yī)療，智能電網(wǎng),，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，那么CPS的普及將給人類帶來的一次工業(yè)革命,。目前,，CPS的研究才剛剛起步，對研究者來說機遇與挑戰(zhàn)并存,。

信息物理系統(tǒng)的特點

　　從二十世紀40年代麻省理工學院發(fā)明了數(shù)控技術到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)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(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng),，即便其中一些工控應用網(wǎng)絡也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡內部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線,，網(wǎng)絡內部各個獨立的子系統(tǒng)或者說設備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián),，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強調的分布式應用系統(tǒng)中物理設備之間的協(xié)調是離不開通信的,。CPS對網(wǎng)絡內部設備的遠程協(xié)調能力、自治能力,、控制對象的種類和數(shù)量,，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。美國國家科學基金會（NSF）認為,，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來,，如同互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)科學技術顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領先——競爭世界中的信息技術研發(fā)》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(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

　　CPS所面臨的挑戰(zhàn)主要來自以下幾個方面：
　?。?）計算速度，由于很多CPS需要海量運算,，當前嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)生什么危險事情。
　?。?）網(wǎng)絡通信效率,，就目前的互聯(lián)網(wǎng)來說，在網(wǎng)絡擁堵的情況下點擊一個頁面出現(xiàn)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采取剎車措施時遲遲得不到指令是很危險的。
　?。?）研究條件,，從CPS的特點我們已經(jīng)知道它是一個橫跨多個學科的領域，盡管人們已經(jīng)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。由于工業(yè)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愿投入時間和資源來研究和弄懂工業(yè)界所遇到的實際問題,。

物聯(lián)網(wǎng)與CPS的關系

　　信息物理系統(tǒng)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(tǒng)具有計算、通信,、精確控制,、遠程合作和自治等能力,，通過互聯(lián)網(wǎng)組成各種相應自治控制系統(tǒng)和信息服務系統(tǒng)，完成現(xiàn)實社會與虛擬空問的有機協(xié)調,。CPS與物聯(lián)網(wǎng)有類似的能力,，但CPS更強調循環(huán)反饋，要求系統(tǒng)能夠在感知物理世界之后通過通信與計算再對物理世界起到反饋控制作用,。
　　lnternet將朝著可信,、移動、物聯(lián)到泛在發(fā)展,，即注重信息接入的高可用性與可信性的可信互聯(lián)網(wǎng),、具有移動性的普適計算并實現(xiàn)隨時隨地的無縫接入的移動互聯(lián)網(wǎng) 、實時接人物理世界信息并跨越物理與Cyber空間的物聯(lián)網(wǎng),，以及動態(tài)信息接入自治連網(wǎng)的泛在網(wǎng),。Intemet正朝著寬帶化、移動化,、泛在化發(fā)展,，同時注重網(wǎng)絡的安全性、可用性和可信性 ,。
　　歐洲智能系統(tǒng)集成技術平臺(European platformon smart systems,，EPoSS)于2008年在報告《Internetof Things in 2020》中預測了4個發(fā)展階段：
　　1)2010年前，基于RFID技術實現(xiàn)低功耗,、低成本的單個物體間的互聯(lián),，并在物流、零售,、制藥等領域進行局部應用,。
　　2)2010-2015年，利用傳感器網(wǎng)絡及無所不在的RF1D標簽實現(xiàn)物與物之間的廣泛互連,，針對特定產(chǎn)業(yè)制定技術標準,，并完成部分網(wǎng)絡融合。
　　3)2015-2020年,，具有可執(zhí)行指令的標簽被廣泛應用,，物體進入半智能化，完成網(wǎng)間交互標準制定,，網(wǎng)絡具有超高速傳輸能力,。
　　4)2020年后，物體具有完全智能的響應行為,，異質系統(tǒng)能夠協(xié)同交互,，強調產(chǎn)業(yè)整合,，實現(xiàn)人,、物,、服務網(wǎng)絡的深度融合。同時各個國家和地區(qū)都出臺了對物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃,。
　　美國國家智能理事會將物聯(lián)網(wǎng)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(zhí)委會發(fā)表《Internet of Things-An action plan for Europe),，提出要加強對物聯(lián)網(wǎng)的管理,、完善隱私和個人數(shù)據(jù)保護、提高物聯(lián)網(wǎng)的可信度,、推廣標準化,、推廣物聯(lián)網(wǎng)應用等行動建議。韓國通信委員會于2009年出臺了《物聯(lián)網(wǎng)基礎設施構建基本規(guī)劃》,。2009年,，日本政府IT戰(zhàn)略本部制定了日本新一代的信息化戰(zhàn)略《i-Japan戰(zhàn)略2015》，該戰(zhàn)略旨在到2015年讓數(shù)字信息技術如同空氣和水一般融入每一個角落,。