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摘 要：信息物理融合系统CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。本文主要阐述CPS的基本概念，对CPS系统的现有研究成果进行分析，总结我国CPS系统发展中的问题，并指明今后的发展方向。
关键词：信息物理融合系统 实时感知 动态控制
随着计算科学、数据处理等技术的发展，物理过程中的计算过程、通信过程已经实现了高度集中和物理装置的网络化、神经化、信息化，由此产生了信息物理融合系统，简称CPS系统。CPS系统可以对物理信息（反映环境、性质等状态的参数）的实时感知、动态处理与反馈机制，可实现对物理过程的自动化控制，达到类人的智能效果。
一、CPS的基本概念与来源
自二十世纪六十年代以来，电子技术，计算技术和网络技术等取得了飞速发展，特别是网络技术的革新成为了这场方兴未艾的伟大IT革命的重要动力源泉。网络的规模及其新应用领域正日益得到扩展，其最引人举目的是新网络技术和物理设备系统的结合。随着传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、各种消费类和工程类电子设备等物理设施的大量接入，新型计算机化和网络化的物理设备系统网络的规模得以急剧膨胀。同时，随着国家大型电力网络、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗与社区医保网络、海洋搜寻与救援网络等大型或者特大型网络物理设备系统的蓬勃发展，以及网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、心房脉冲产生器、纳米级制造控制系统等小型或者微型网络物理设备系统的出现，突破了传统物理领域中的网络应用形式，使得用联网计算方式来整合物理系统和计算系统以实现物理设备的功能扩展成为物理系统发展的新趋势，并由此导致出现了新一代的并由此导致出现了新一代的工程系统：信息物理融合系统。CPS网络在工业生产与国民经济生活中的基础性、全局性作用正日益增强。
CPS，从广义上来理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和實时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。CPS的终极目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。
二、CPS系统的特征
CPS系统把计算与通信深深地嵌入实物过程，使之与实物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。CPS系统的规格形状是多种多样的，小如心脏起搏器，大如国家电网。由于计算机增强的（computer-augmented）的装置无处不在，CPS系统具有巨大的经济影响力。CPS的研究与应用将会改变了人类与自然物理世界的交互方式，在健康医疗设备与辅助生活、智能交通控制与安全、先进汽车系统、能源储备、环境监控、航空电子、防御系统、基础设施建设、加工制造与工业过程控制、智能建筑等领域均有着广泛的应用前景。如家居、交通控制、安全、高级汽车、过程控制。环境控制、关键基础设施控制（电力、灌溉网络、通信系统）、分布式机器人、防御系统、制造业、智能构造、交通系统能够从智能汽车提高安全性和传送效率中有效地获益。家居技术将提高老人护理并有效控制与日俱增的护理花费。减少国家能源依赖。这很难估计CPS为未来生活带来的积极地潜在的价值。但我们都知道CPS的价值是巨大的。
微观与宏观的CPS材料、受控组件、运行中的医疗装置与系统、下一代电网、未来防务系统、下一代汽车、智能高速公路、灵活的机器人主导的制造、下一代航空器、空域与天域管理系统等。美国国防部预先研究局认为：赛博-实物系统（cyber-physical system，CPS）是指这样的系统：其功能中的很大一部分是从软件与机电系统中导出的。事实上，所有的防务系统（如飞机、航天器、海军舰船、地面载具，等等）和系统的系统，都属于CPS。另外，集成电路、MEMS、NEMS……也属于CPS
CPS是物理过程和计算过程的集成系统，是人类通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的主体既包括人类自身也包括在人的意图知道下的系统。而作用的客体包括真实世界的各方面：自然环境、建筑、机器、同时也包括人类自身等。
CPS是可能是一个分布式异构系统，他不仅包含了许多功能不同的子系统，而且这些子系统之间结构和功能各异，而且分布在不同的地理范围内。各个子系统之间要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。物理构建和软件构建必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。比如一个超市安防系统，在加入传感器、摄像头、监视器等物理节点或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机就可以动态升级。CPS应该是一个智能的有自主行为的系统，CPS不仅能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信息，并且根据系统规则通过效应器作用于环境。
三、CPS系统与智能物联网的联系
智能物联网是智能科学与物联网交叉的产物，是下一代物联网系统。随着物联网覆盖面的增加，对数据存储和计算量的需求也将带来对“云计算”能力和全球卫星通信的要求，因此智能物联、云物联、卫星物联也将成为下一代物联网系统的特点。物联网系统在常态下应该与公用云系统相连，但是在非常态下应该及时接入移动云终端、组建专用云，使其具有智能传感与感知功能。
信息物理融合系统是“互联网+”在过程工业中的表现形式，它将工业过程与互联网相连，从而逐步实现智能工厂的最终目标。物理信息融合系统的研究需要从计算机科学，控制科学，和网络安全等方面进行。物理信息融合系统的最大挑战是控制系统的安全防护。
四、结语
近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。对CPS系统的研究还有以下主要方向，CPS 科学基础及其关键技术、国民经济领域CPS应用系统示范及国家急需的CPS应用系统战略布局，并就3G与CPS融合、智能电网的CPS应用、CPS技术发展与智能交通、CPS技术在数字医疗、数字农业、公共安全等领域 。
CPS内容博大精深，它大到包括整个工业体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的核心；不能正确理解它，，就难于理解智能制造。因此，在我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用。同时也要时刻认识到，根据目前人工智能的进展，技术非常重要。
在当前科学技术发展的基础上，信息物理融合技术是综合计算、网络以及物理环境的多维复杂系统，在进行计算、通信以及控制等方面能够有效的对大型工程设备进行控制、感知以及动态化的调节等，在未来社会、科技等行业发展过程中具有广阔的发展前景，是值得推广和普及的。
参考文献：
[1] 郭庆来，辛蜀骏，孙宏斌，王剑辉. 电力系统信息物理融合建模与综合安全评估：驱动力与研究构想[J]. 中国电机工程学报，2016，06：1481-1489.
[2] 胡明，邓宗全等. 基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真. 哈尔滨工业大学学报，2007，39（1）；28-31.
[3] 朱敏，李必信等。基于微分动态逻辑的CPS建模与属性验证. 电子学报，2012，40（6）：1126-1132.
[4] 杨志斌，皮磊等. 复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言：AADL. 软件学报，2010，21（5）：899-915.
[5] 赵俊华等. 电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架 [J]. 电力系统自动化. 2011，35（16）：1-8.
关键词：信息物理融合系统 实时感知 动态控制
随着计算科学、数据处理等技术的发展，物理过程中的计算过程、通信过程已经实现了高度集中和物理装置的网络化、神经化、信息化，由此产生了信息物理融合系统，简称CPS系统。CPS系统可以对物理信息（反映环境、性质等状态的参数）的实时感知、动态处理与反馈机制，可实现对物理过程的自动化控制，达到类人的智能效果。
一、CPS的基本概念与来源
自二十世纪六十年代以来，电子技术，计算技术和网络技术等取得了飞速发展，特别是网络技术的革新成为了这场方兴未艾的伟大IT革命的重要动力源泉。网络的规模及其新应用领域正日益得到扩展，其最引人举目的是新网络技术和物理设备系统的结合。随着传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、各种消费类和工程类电子设备等物理设施的大量接入，新型计算机化和网络化的物理设备系统网络的规模得以急剧膨胀。同时，随着国家大型电力网络、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗与社区医保网络、海洋搜寻与救援网络等大型或者特大型网络物理设备系统的蓬勃发展，以及网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、心房脉冲产生器、纳米级制造控制系统等小型或者微型网络物理设备系统的出现，突破了传统物理领域中的网络应用形式，使得用联网计算方式来整合物理系统和计算系统以实现物理设备的功能扩展成为物理系统发展的新趋势，并由此导致出现了新一代的并由此导致出现了新一代的工程系统：信息物理融合系统。CPS网络在工业生产与国民经济生活中的基础性、全局性作用正日益增强。
CPS，从广义上来理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和實时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。CPS的终极目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。
二、CPS系统的特征
CPS系统把计算与通信深深地嵌入实物过程，使之与实物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。CPS系统的规格形状是多种多样的，小如心脏起搏器，大如国家电网。由于计算机增强的（computer-augmented）的装置无处不在，CPS系统具有巨大的经济影响力。CPS的研究与应用将会改变了人类与自然物理世界的交互方式，在健康医疗设备与辅助生活、智能交通控制与安全、先进汽车系统、能源储备、环境监控、航空电子、防御系统、基础设施建设、加工制造与工业过程控制、智能建筑等领域均有着广泛的应用前景。如家居、交通控制、安全、高级汽车、过程控制。环境控制、关键基础设施控制（电力、灌溉网络、通信系统）、分布式机器人、防御系统、制造业、智能构造、交通系统能够从智能汽车提高安全性和传送效率中有效地获益。家居技术将提高老人护理并有效控制与日俱增的护理花费。减少国家能源依赖。这很难估计CPS为未来生活带来的积极地潜在的价值。但我们都知道CPS的价值是巨大的。
微观与宏观的CPS材料、受控组件、运行中的医疗装置与系统、下一代电网、未来防务系统、下一代汽车、智能高速公路、灵活的机器人主导的制造、下一代航空器、空域与天域管理系统等。美国国防部预先研究局认为：赛博-实物系统（cyber-physical system，CPS）是指这样的系统：其功能中的很大一部分是从软件与机电系统中导出的。事实上，所有的防务系统（如飞机、航天器、海军舰船、地面载具，等等）和系统的系统，都属于CPS。另外，集成电路、MEMS、NEMS……也属于CPS
CPS是物理过程和计算过程的集成系统，是人类通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的主体既包括人类自身也包括在人的意图知道下的系统。而作用的客体包括真实世界的各方面：自然环境、建筑、机器、同时也包括人类自身等。
CPS是可能是一个分布式异构系统，他不仅包含了许多功能不同的子系统，而且这些子系统之间结构和功能各异，而且分布在不同的地理范围内。各个子系统之间要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。物理构建和软件构建必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。比如一个超市安防系统，在加入传感器、摄像头、监视器等物理节点或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机就可以动态升级。CPS应该是一个智能的有自主行为的系统，CPS不仅能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信息，并且根据系统规则通过效应器作用于环境。
三、CPS系统与智能物联网的联系
智能物联网是智能科学与物联网交叉的产物，是下一代物联网系统。随着物联网覆盖面的增加，对数据存储和计算量的需求也将带来对“云计算”能力和全球卫星通信的要求，因此智能物联、云物联、卫星物联也将成为下一代物联网系统的特点。物联网系统在常态下应该与公用云系统相连，但是在非常态下应该及时接入移动云终端、组建专用云，使其具有智能传感与感知功能。
信息物理融合系统是“互联网+”在过程工业中的表现形式，它将工业过程与互联网相连，从而逐步实现智能工厂的最终目标。物理信息融合系统的研究需要从计算机科学，控制科学，和网络安全等方面进行。物理信息融合系统的最大挑战是控制系统的安全防护。
四、结语
近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。对CPS系统的研究还有以下主要方向，CPS 科学基础及其关键技术、国民经济领域CPS应用系统示范及国家急需的CPS应用系统战略布局，并就3G与CPS融合、智能电网的CPS应用、CPS技术发展与智能交通、CPS技术在数字医疗、数字农业、公共安全等领域 。
CPS内容博大精深，它大到包括整个工业体系，小到一个简单的PLC控制器，这些是一切智能系统的核心；不能正确理解它，，就难于理解智能制造。因此，在我国推进智能制造的进程中，一定要重视CPS的核心作用。同时也要时刻认识到，根据目前人工智能的进展，技术非常重要。
在当前科学技术发展的基础上，信息物理融合技术是综合计算、网络以及物理环境的多维复杂系统，在进行计算、通信以及控制等方面能够有效的对大型工程设备进行控制、感知以及动态化的调节等，在未来社会、科技等行业发展过程中具有广阔的发展前景，是值得推广和普及的。
参考文献：
[1] 郭庆来，辛蜀骏，孙宏斌，王剑辉. 电力系统信息物理融合建模与综合安全评估：驱动力与研究构想[J]. 中国电机工程学报，2016，06：1481-1489.
[2] 胡明，邓宗全等. 基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真. 哈尔滨工业大学学报，2007，39（1）；28-31.
[3] 朱敏，李必信等。基于微分动态逻辑的CPS建模与属性验证. 电子学报，2012，40（6）：1126-1132.
[4] 杨志斌，皮磊等. 复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言：AADL. 软件学报，2010，21（5）：899-915.
[5] 赵俊华等. 电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架 [J]. 电力系统自动化. 2011，35（16）：1-8.