計(jì)算機(jī)發(fā)展的下一個(gè)主題
——信息-物理融合CPS系統(tǒng)

如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，CPS將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)。——美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)和工程總監(jiān)Branicky

一、CPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

信息—物理融合系統(tǒng)CPS（Cyber-Physical System）是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò) 3C（Com putation、Comm unication、Contro l）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)（見(jiàn)圖1）。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，CPS不僅已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和科技界研究開(kāi)發(fā)的重要方向，預(yù)計(jì)也將成為企業(yè)界優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)杠桿的巨大源泉。2006年2月發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》將信息物理融合系統(tǒng)CPS列為重要的研究項(xiàng)目。2007年8月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位。

開(kāi)展CPS研究與應(yīng)用對(duì)于加快我國(guó)培育推進(jìn)工業(yè)化與信息化融合具有重要意義。國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域辦公室和國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M于2010年1月15日在上海舉辦了“信息—物理融合系統(tǒng)CPS發(fā)展戰(zhàn)略論壇”，重點(diǎn)討論國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域CPS應(yīng)用系統(tǒng)示范及國(guó)家急需的CPS應(yīng)用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局研究。

CPS將引領(lǐng)一場(chǎng)深刻的革命，將整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)絡(luò)—物理系統(tǒng)。這不僅僅是簡(jiǎn)單的增加計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備數(shù)量，而是計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和物理系統(tǒng)的融合，創(chuàng)造新的能力，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

二、CPS的應(yīng)用領(lǐng)域

CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同。CPS系統(tǒng)在數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通、新一代飛行器、公共安全等領(lǐng)域均可適用，小到心臟內(nèi)置起博器，大至國(guó)家電力電網(wǎng)系統(tǒng)，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景（見(jiàn)表1）。

總體來(lái)說(shuō)，我們需要在CPS中投資，因?yàn)樗鼈兪?1世紀(jì)工業(yè)的基礎(chǔ)，開(kāi)展CPS的研究會(huì)使得信息技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)升級(jí)換代中發(fā)揮重要作用。社會(huì)的需要和來(lái)自其它國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)壓力——它們已極大地增加了在CPS相關(guān)研究的投資，要求重新思考我國(guó)研發(fā)的投資戰(zhàn)略。

三、CPS系統(tǒng)組成

CPS需要實(shí)時(shí)通訊底層。CPS復(fù)雜的變遷將把網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)推向一個(gè)新的技術(shù)革命。CPS系統(tǒng)可將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。本質(zhì)上說(shuō)，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

表1 CPS應(yīng)用領(lǐng)域表

CPS系統(tǒng)主要由射頻識(shí)別系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、衛(wèi)星網(wǎng)、移動(dòng)電話網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)等緊密耦合的分布式計(jì)算設(shè)備組成（見(jiàn)圖2）。

四、CPS與物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)和射頻識(shí)別RFID技術(shù)的產(chǎn)品電子代碼EPC系統(tǒng)，利用RFID、天線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的“Internet of things”，即物物相聯(lián)。

然而，CPS系統(tǒng)對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的計(jì)算能力要求遠(yuǎn)高于物聯(lián)網(wǎng)。以基于CPS的智能交通系統(tǒng)為例，現(xiàn)在的汽車(chē)電子系統(tǒng)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能交通系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)之間的協(xié)同能力的要求。事實(shí)上，滿足CPS要求的汽車(chē)電子系統(tǒng)的計(jì)算通常都是海量運(yùn)算。

海量運(yùn)算往往是很多CPS接入設(shè)備的特征，因此，接入設(shè)備通常具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。如果從計(jì)算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應(yīng)用比作胖客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為超級(jí)瘦客戶機(jī)服務(wù)器，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無(wú)法進(jìn)行協(xié)同。

CPS與物聯(lián)網(wǎng)并不對(duì)立。物聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種簡(jiǎn)約應(yīng)用，同時(shí)，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來(lái)。CPS中的物理設(shè)備指的是自然界中的客體，因此不僅指的是冷冰冰的設(shè)備，而且還包括活生生的生物?，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的邊界是各種終端設(shè)備，人們與互聯(lián)網(wǎng)之間是通過(guò)這些終端來(lái)進(jìn)行信息交換的。而在CPS中，人成為CPS網(wǎng)絡(luò)的“接入設(shè)備”，這種信息的交互可能是通過(guò)芯片與人的神經(jīng)系統(tǒng)直接互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。盡管在物聯(lián)網(wǎng)中也有把RIFD芯片嵌入到人體中的情形，但本質(zhì)上還是RFID與讀寫(xiě)器之間的通信，人并沒(méi)有介入其中。

與物聯(lián)網(wǎng)相似，感知在CPS中也十分重要。從自然界物理空間到信息空間的信息流動(dòng)，首先必須通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)變成模擬量，再通過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。從這個(gè)意義上說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可視為CPS的一部分（見(jiàn)圖2）。

五、CPS系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

據(jù)美國(guó)咨詢(xún)研究機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)所帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)形成下一個(gè)萬(wàn)億元級(jí)別的通信業(yè)務(wù)。由此可知，CPS的市場(chǎng)規(guī)模將難以計(jì)數(shù)，因?yàn)镃PS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)的應(yīng)用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡(jiǎn)單地連在一起，而是要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。

下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備無(wú)處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大地提高汽車(chē)、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。CPS不僅會(huì)催生出新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局。

但CPS帶來(lái)的挑戰(zhàn)也是物聯(lián)網(wǎng)所無(wú)法比擬的。這些挑戰(zhàn)很大程度上來(lái)自控制與計(jì)算之間的差異，這種差異將給計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用帶來(lái)基礎(chǔ)性的變革。21世紀(jì)的CPS設(shè)計(jì)，實(shí)施，認(rèn)證技術(shù),統(tǒng)一CPS的語(yǔ)義基礎(chǔ)等均成為CPS科學(xué)的挑戰(zhàn)。CPS系統(tǒng)還需要我們重建計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)理論。

在國(guó)外，CPS的聲音很強(qiáng)勁，歐盟計(jì)劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入約51億歐元（超過(guò)70億美元），以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。2008年NSF基金會(huì)在《網(wǎng)絡(luò)—物理系統(tǒng)行動(dòng)綱要》中指出，美國(guó)若在CPS技術(shù)研究中延后于其他國(guó)家，則其工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力將產(chǎn)生難以逆轉(zhuǎn)的危害。

據(jù)歐盟最新研究發(fā)現(xiàn)，電子工業(yè)產(chǎn)品在終端產(chǎn)品消費(fèi)中的比例急劇增加，至2010年底，電子產(chǎn)品消費(fèi)將占終端產(chǎn)品消費(fèi)的53%。這種變化在汽車(chē)行業(yè)趨勢(shì)尤為明顯：1990年，汽車(chē)電子消費(fèi)在汽車(chē)消費(fèi)中占比為16%，到2003年，這個(gè)比例達(dá)到52%，預(yù)計(jì)今后10年，將增至56%。

在國(guó)內(nèi)，CPS早已淹沒(méi)在物聯(lián)網(wǎng)的喧嘩聲中，而實(shí)際上，國(guó)外同行起步也只有幾年時(shí)間，我們?yōu)闀r(shí)并不晚。杭州作為長(zhǎng)三角著名的“天堂硅谷”，擁有較為發(fā)達(dá)的信息產(chǎn)業(yè)集群，開(kāi)展CPS的研究會(huì)使得信息技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)升級(jí)換代中發(fā)揮重要作用，同樣可為其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展點(diǎn)亮希望之燈。翻譯自《Cyber-Physical Systems Executive Summary》