1.3　信息物理系统

信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS），或称“虚实集成系统”，是一个结合计算机运算领域以及传感器和制动器设备的集成控制系统。目前，某些领域已出现类似于CPS的电子控制集成系统，如航空、汽车、化学制程、基础建设、能源、健康、制造、交通控制、娱乐和消费性电子产品，但这些系统通常都是嵌入式系统，强调机器的计算能力，而CPS更强调各个实体设备和计算机运算网络的连接。

1.3.1　CPS的概念及其发展背景

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上，2006年2月发布的《美国竞争力计划》将CPS列为重要研究项目。到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了九大关键信息技术，其中CPS居首位，其余分别是软件、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与社会科学。欧盟则从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以使其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

CPS是一种将计算、通信和控制功能紧密集成到物理系统中的技术。CPS通过实现物理世界和数字世界的互联互通，为各种领域提供高效、智能的解决方案。CPS是一类具有计算、通信和控制能力的智能系统，其内部包含物理组件和数字组件。这些系统能够实现对物理设备的实时监控、数据分析和控制，从而提高系统性能、安全性和可靠性。CPS作为一种跨学科领域的技术，涉及计算机科学、通信技术、控制理论、物理学等多个领域。

CPS的发展是由多个方面的技术进步驱动，主要包括计算能力的提升、通信技术的革新、传感器技术的突破以及大数据和AI的发展等。这些技术的进步为CPS的实现奠定了坚实的基础。随着全球竞争的加剧和资源环境压力的增大，产业界对提高生产效率、降低能耗、实现可持续发展等方面的需求日益迫切。CPS作为一种具有巨大潜力的技术，正逐渐成为各个产业发展的重要驱动力。在数字化、网络化和智能化背景下，人们的生活和工作方式发生了深刻变革。CPS作为一种将数字世界与现实世界相互融合的技术，有助于实现更加智能、便捷和安全的社会生活方式。为了应对技术变革和产业升级的挑战，各国政府纷纷出台了一系列政策措施，以支持CPS等新一代信息技术的研究、开发和应用。这些政策为推动CPS的发展提供了有力的支持。

总之，CPS的概念及其发展是在技术进步、产业需求、社会变革和政策推动等多重因素的共同作用下形成的，CPS技术的发展为人类社会带来了巨大的机遇和挑战。

1.3.2　CPS的主要特点

CPS借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，CPS系统的本质就是人、机、物的融合计算。和传统的嵌入式系统不同，一个完整的CPS被设计成一个实体设备的交互网络，而不仅仅是一个单独运作的设备。这个概念类似于机器人网络和无线感测网络。据推测，接下来的数年在科学和工程上的进步会使计算与物理实体单元更紧密地结合，从而使CPS的适应性、自动化、效率、功能、可靠性、安全性和可用性大幅提升。科技进展也让CPS在多个方面应用的可能性变大。CPS的主要特点如下。

（1）深度集成。CPS将计算、通信和控制功能紧密集成到物理系统中，实现了物理世界和数字世界的无缝连接。这种深度集成使得CPS具备高度智能化和自主化的能力。

（2）实时性。CPS具有实时数据采集、处理和控制的能力。通过实时监控物理系统的状态，CPS能够快速响应环境变化和系统需求，提高系统的响应速度和执行效率。

（3）自适应性。CPS具备强大的自适应能力，能够根据实时数据和预测模型动态调整系统的运行状态。这种自适应性使CPS能够应对不确定性、变化性和复杂性更高的环境与任务。

（4）可预测性。CPS利用先进的数据分析和AI技术，能够对系统的未来状态进行预测和推测。这种可预测性有助于实现更加精确和高效的系统控制，降低故障率和运维成本。

综上所述，CPS的主要特点包括深度集成、实时性、自适应性、可预测性等。这些特点使CPS具有巨大的潜力，可广泛应用于工业制造、智能交通、能源管理、医疗健康等多个领域。

1.3.3　CPS的应用领域

如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元，那么CPS的市场规模则难以计数，因为CPS涵盖了小到智能家庭网络，大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更重要的是，这种涵盖不是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。中国科学院院士何积丰表示，“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康／医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力”。

CPS可以用于智能制造、自动化生产线、工业机器人等工业领域，提高生产效率，降低生产成本，并提升产品质量。CPS还可以应用于智能交通管理、自动驾驶汽车、无人机等交通领域，提高道路利用率，减少交通事故，并降低能耗。同时，CPS可以用于智能电网、可再生能源管理、环境监测等领域，实现能源的高效利用，降低排放，并保护生态环境。另外，CPS可以应用于智能建筑、城市基础设施管理等领域，用于远程医疗、智能健康管理、康复辅助等医疗领域，用于精准农业、农业物联网、食品安全监管等领域，用于智能仓储、物流自动化、供应链优化等领域，用于智能安防、应急通信、灾害预警等领域等。随着技术的不断发展和创新，CPS的应用范围将不断扩大，为各个行业带来更多的机遇和挑战。

1.3.4　CPS的发展趋势与前景

为加快推动工业互联网产业发展，促进工业和信息通信领域的沟通交流、深度融合，在工业和信息化部的指导下，由中国信息通信研究院牵头联合各领域产学研用相关单位，共同建设工业互联网产业联盟（Alliance of Industrial Internet，AII），打造工业互联网产业生态。AII以融合、开放、创新、共赢的理念，组织全体成员单位，组建工作组14个、特设任务组15个、垂直行业领域16个、分联盟6个，分别从顶层设计、需求、技术标准、网络、平台、安全、测试床、产业发展、国际合作、政策法规与投融资、人才等多方面开展工作，形成产业共识，推动产业发展。通过组织工业互联网大会（原工业互联网峰会）等大型活动，持续宣传工业互联网最新发展成效，提升AII国内外影响力。截至2021年6月，AII成员单位数量已近2000家，发布了近百份白皮书、研究报告、联盟标准，包含《工业互联网体系架构》《工业互联网平台白皮书》等。遴选出测试床66个及应用案例和解决方案200余个，并在工业互联网网络、标识、平台、安全等方面，结合新的技术与应用，探索开展联盟实验室和联盟实训基地建设。

随着AI、物联网、大数据、云计算等技术的不断发展和融合，CPS将实现更高的智能化、自主化和实时性，提升系统性能和应用效果。CPS将继续拓展在工业制造、智能交通、能源管理、医疗健康等领域的应用，为各行业带来更高效、可持续的解决方案。为促进CPS技术的广泛应用和发展，未来将出现更多开放平台和生态系统，以支持企业与开发者快速构建、部署和管理CPS应用。随着CPS应用的普及和规模的扩大，行业标准和互操作性将成为关键问题。未来，各个领域将努力制定统一的标准和规范，以确保CPS系统间的顺畅协作。随着CPS在各个领域的广泛应用，系统安全和隐私保护将成为越来越重要的议题。未来，CPS系统将采用更加严密的安全措施和技术，以保障系统稳定运行和用户隐私。CPS的发展和应用得到全球范围的合作与政策支持，各国政府、企业和研究机构将加强合作，共同推进CPS技术的研究、发展和应用。为应对CPS技术的快速发展和广泛应用，未来将需要大量具备相关技能的人才。教育和培训将成为关键环节，以确保人才供应和技能提升。

综上所述，CPS的发展趋势及前景包括技术融合与创新、跨领域应用拓展、开放平台与生态系统建设、标准化与互操作性、安全与隐私保护、全球合作。