信息物理系统学科规划

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1、信息物理系统（CPS：Cyber-physicalsystems）——个新的学科方向1、前言自从1999年MIT首次提出物联网的概念以来，社会各界在较短时间内对物联网产生了极大的关注。许多人相信物联网会对人类社会、人们日常生活产生巨大影响。我国政府也非常重视物联网的发展，提出了“感知中国”的概念。大力发展物联网已经成为中国今后一项具有国家战略意义的重要决策。但在物联网概念热炒的同时，从科学研究的角度看，物联网的研究和开发存在一些值得思考的问题。比如，作为一个新的领域，物联网的科学和理论基础是什么？什么是物联网研究和开发的核心技术？物联网与互联网、传感器网存在哪些

2、本质区别，其创新技术是什么？为了回答这些问题，除了从应用角度分析物联网的社会价值外，还需要从科学的角度分析物联网的本质科学问题。自2011年起，国家教育部将物联网、纳米技术等新领域列为高校的正式本科专业。希望从学科角度建立完善的物联网理论与技术体系。但目前，作为一个新兴学科，尚缺乏系统化、理论化的研究。为了建立物联网的科学和技术体系，一些国外学者提出了CPS的概念，希望将信息与控制领域的理论相融合，形成支撑物联网研究和应用的新的理论和技术和体系。对照国际电信联盟有关物联网的定义以及PCAST咨询报告有关CPS定义，我们认为CPS是物联网的专业称呼，侧重于物联网内

3、部的技术内涵；而物联网是CPS的通俗称呼，侧重于CPS在日常生活中的应用。从专业角度看，CPS提供了物联网研究和开发所需要的理论和技术内涵；从应用角度看，物联网提供了CPS未来应用的一个直观画面，更加适合于普及CPS方面的科学知识。物联网的研究和开发应该从CPS人手和深入，而CPS技术和产品的普及和应用可以从物联网角度介绍和举例[1]。2、CPS的概念和内涵[2]2.1CPS概念信息物理系统(CPS,CyberPhysicalSystems)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

4、）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。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。近年来，CPS已成为国际学术界和科技界研究开发的重要方向。2006年2月发布的《美国竞争力计划》将信息物理系统CPS列为重要的研究项目。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8大关键的信息技术，其中CPS位列首位。欧盟计划从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

5、亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。在我国，随着工业化和信息化进程的不断深入，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。2.2CPS的内涵CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。1)与传统工业控制网络的不同CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。目前的控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或

6、者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。2)与物联网的区别和关系CPS的接入设备通常具有强大的计算能力。从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物联网

7、则可视为瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。在物联网中主要是通过RFID与读写器之间的通信，人并没有介入其中。感知在CPS中十分重要。众所周知，自然界中各种物理量的变化绝大多数是连续的，或者说是模拟的，而信息空间数据则具有离散性。那么从物理空间到信息空间的信息流动，首先必须通过各种类型的传感器将各种物理量转变成模拟量，再通过模拟/数字转换器变成数字量，从而为信息空间所接受。从这个意义上说，传

8、感器网络也可视为CPS的