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摘要：信息物理融合系统（CPS）作为计算进程与物理过程的结合体，是集传感、通信、计算与控制于一身的下一代智能系统。本文介绍了CPS的定义、特点及国内外研究现状，分析了我国发展CPS现今与未来将面临的机遇与挑战。并以CPS在智能交通、智能家居为典型代表的两方面应用为例，阐明CPS对我国社会经济生活的重大影响。
【关键词】：信息物理融合系统，智能交通，智能家居
21世纪是信息技术产业迅猛发展的年代，如雨后春笋般不断涌现的的技术突破与创新，正使人类生活的环境与方式发生着翻天覆地的变化，尤其是以嵌入式计算设备为主体的信息系统在社会生活各方面的应用为主。传统的嵌入式设备往往是一步成型，对外界而言是封闭的，远远不能满足当下对物理设备可控制、可交互、可通信、可扩展等众多应用需求。因此，在环境感知基础上，实现人、机、物的互联互通与深度融合的信息物理融合系统（cyber-physical system， CPS）不仅已成为国内外学术界研究开发的重要方向，也将成为企业界优先投资发展的重点领域。同时，对于加速推进我国工业化和信息化的融合也具有重要意义。
1. CPS简介
1.1. CPS定义
CPS中文译为信息物理融合系统，是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。其概念最早是由美国国家自然基金委员会与200 年提出的。它将计算进程与物理进程良好的结合到一起，有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次产业浪潮。它的核心概念是3C（Computation、Communication、Control），即通过人机交互接口来实现与物理进程的交互，使用网络（往往是传感器网络）以实时的、可靠的、远程的、安全的方式监控一个物理实体的具体动作行为。
1.2. CPS特点
人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统，其本质是实现人类在时间、空间方面的延伸控制。
（1）与嵌入式系统相比。CPS作为物理设备与计算技术的融合体，使得计算对象经历了由数字到模拟、由离散到连续、由静态到动态、由分布到统一的转变，形同网络、控制与嵌入式系统的动态重组与整合。
（2）与物联网相比。CPS在物理实体互联后实现感知的基础上，更注重对实体设备进行实时、动态的信息控制与信息服务。
（3）与软件系统相比。CPS侧重的是对各个物理进程的实时控制与反馈。强调了信息处理与交互的动态响应。
1.3. 国内外研究现状
国外关于信息物理融合系统的研发开始较早，首先是美国于200 年提出，并作为重要研究项目之一。时隔一年，美国总统科学技术顾问委员会，把CPS放在与软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会生活等并称八大关键信息技术的首位。与此同时，美国国家自然科学基金委员会（NSF），常年致力于资助针对CPS研发的科研工作组，已达数十个之多。在欧洲，欧盟计划投入 年时间54亿欧元成为智能电子系统的世界领先地位。
在我国，尽管相对于当下呼声较高的物联网而言，CPS还资历尚浅。但是国家已经于“十二.五”计划中将其提出，作为未来我国信息技术产业发展的重要方向之一。相应的，“913”、“8 3”与国家自然科学基金也纷纷提出相应科研方案以适应国家未来的战略倾向。
1.4. 相关技术与挑战
由于实时系统、传感器网络、普适计算等信息技术的迅猛发展，CPS的领域将愈加拓宽。单个传感设备在CPS中意义很小，因此网络通信技术必不可少。自组织（Ad hoc）网络、Internet和更灵活的IP都需要重新改写。而对于硬件，无论是传感设备、通信设备、计算设备还是控制设备，都要求具备低能耗、短延迟、小规模、易装载与低价格的特点。而基于硬件基础上的软件与嵌入式操作系统，则重点在实时性与安全性的要求上
2. 应用领域
信息物理融合系统在诸多工业领域都有着广泛的应用前景，现仅就智能交通、智能家居、两个方面给出相应介绍。
2.1. 智能交通
原油价格持续飙升与温室气体大量排放造成的全球变暖使得智能交通领域的革新迫在眉睫。无论是从用户驾驶还是交通管理的角度，都可以对目前的交通形式进行优化。
随着用户对汽车操控性及安全性等不断提出的新要求，越来越多的汽车生产商采用了种类繁多的嵌入式电子设备。如将电子标签装在车前部或底部，而无线射频收发装置分布于道路上。我们就可以通过CPS系统有效地实现机动车辆违章检测、定位跟踪、人车交互语音导航、ETC电子自助收费、前方路况预报、前方车辆行人预警、交通路口智能化管理、停车无人防盗等诸多智能化管理。
基于上述技术的发展，智能交通可以大幅度提高道路使用效率，有效减少交通拥堵情况，大幅降低汽车能耗，使温室气体排放量减少25%~30%。同时交通事故不再频繁发生，可使每年因交通事故造成的死亡人数预期下降30%~10%。
2.2. 智能家居
作为新兴行业，家居智能化代表了社会发展的一种主流趋势，有望成为新一轮经济增长点。在我国，已有多家电子数码企业投资发展了单户型智能家居的配套设施。就目前的发展趋势，未来几年中，世界将有近上亿家庭拥有智能、高效、舒适的家居生活。智能家居涵盖家庭生活的方方面面，其中包括：
（1）智能安防系统：可视对讲、指纹（虹膜、语音等）门禁、周界入侵报警及连续拍摄、红外摄像视频监控、110联动等。
（2）智能厨房：手感应水龙头、网络微波炉、网络热水器、直接饮水机、垃圾处理器、燃气泄漏报警、火灾报警等。
（3）智能电器控制：智能空调控制、智能窗帘控制、智能电视机、洗衣机、智能机器人佣人、养植物养宠物等。
（4）智能照明系统：随时间灯光调节、随心情颜色改变、自动节能省电等
（5）智能卫生间：人感应开关灯、感应式坐便器、按摩淋浴浴缸等
（ ）智能音响设备：定时开关机、随场景变化节奏、配合安防系统制造气氛、分区播放免打扰等。
3. 结束语
信息物理融合系统作为全球信息技术与信息产业的新增长点，对我国诸多传统固有的工业模式具有突破性的重大影响。无论是美国还是欧洲发达国家，对信息物理融合系统的研究与开发都还处于起步阶段。只要国内意识到它在推动产业改革、技术升级换代、调整经济体制等方面的巨大效益，大力度扶持相关科学技术部门的研发与创造，必将对于提升我国总体竞争力具有深远意义。
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发表于 2020-5-28 17:32:26
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