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　　導(dǎo)讀：21世紀(jì)是信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的時(shí)代，層出不窮的技術(shù)突破與創(chuàng)新正不斷地改變著人類的生態(tài)環(huán)境。Internet技術(shù)改變了人類通信和管理信息的方式；IT技術(shù)使人類管理物理環(huán)境的方式取得改變；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓人類主動(dòng)地全方面感知，實(shí)現(xiàn)智慧的感知生活；而如今CPS新技術(shù)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的互聯(lián)互通與深度融合。CPS與物聯(lián)網(wǎng)的自然銜接，將徹底改變?nèi)祟惖纳娣绞?，使人類真正地進(jìn)入智能星球時(shí)代。因此在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)對CPS技術(shù)的研究。

　　CPS系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

　　CPS(Cyber Physical Systems)中文譯為信息物理融合系統(tǒng)，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3C技術(shù)——即計(jì)算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)——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)。通過計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)更加可靠和高效。

　　它是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式檢測或者控制一個(gè)物理實(shí)體。其本質(zhì)就是以“人-機(jī)-物”的融合為目標(biāo)的計(jì)算技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)人的控制在時(shí)間、空間等方面的延伸。人們又將CPS稱為“人-機(jī)-物”融合系統(tǒng)。

　　與物聯(lián)網(wǎng)相比，CPS在物與物互聯(lián)的基礎(chǔ)上，還強(qiáng)調(diào)對物的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的信息控制與信息服務(wù)。何積豐院士認(rèn)為，CPS的意義在于將物理設(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)和自治五大功能。

　　與軟件系統(tǒng)相比，軟件系統(tǒng)是一組狀態(tài)轉(zhuǎn)換的序列，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變換數(shù)據(jù)。而CPS更加注重功能性需求，最終目標(biāo)是協(xié)調(diào)物理進(jìn)程，即實(shí)現(xiàn)信息處理和物理控制，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、私密性、可適應(yīng)性等。

　　與嵌入式系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)側(cè)重在處理器上運(yùn)行，是一種在有限資源環(huán)境下的優(yōu)化技術(shù)。CPS是計(jì)算與物理成分的集成，相當(dāng)于嵌入式系統(tǒng)+網(wǎng)絡(luò)+控制，是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。CPS將計(jì)算和通信能力嵌入到傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)之中，導(dǎo)致了計(jì)算對象的變化。它將計(jì)算對象從數(shù)字的變?yōu)槟M的，從離散的變?yōu)檫B續(xù)的，從靜態(tài)的變?yōu)閯?dòng)態(tài)的。它作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。

　　CPS系統(tǒng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

　　從上述中，我們不難看到，CPS系統(tǒng)的價(jià)值與當(dāng)前炙手可熱的物聯(lián)網(wǎng)一樣，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如可用在智能交通系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)、能源保護(hù)、環(huán)境監(jiān)控、航空航天軟件、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（電力、水）、普適自適應(yīng)通信、節(jié)能建筑，生物系統(tǒng)等。

　　何積豐院士在有關(guān)會(huì)議上指出CPS的重大意義，他認(rèn)為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。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)備無處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、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)域的競爭力。

　　專家分析都認(rèn)為，到2020年前后，信息技術(shù)將會(huì)遭遇到漸進(jìn)是改進(jìn)難以持續(xù)發(fā)展的重大障礙，而在應(yīng)用當(dāng)中，新的模式所帶來的重大規(guī)模的應(yīng)用技術(shù)和集成性技術(shù)或者是系統(tǒng)集群技術(shù)的突破，CPS技術(shù)概念的應(yīng)用將成為重要突破口。

　　但是，傳統(tǒng)的方法并不能滿足CPS系統(tǒng)的開發(fā)需求。CPS系統(tǒng)的開發(fā)需求包括：輸入/輸出的內(nèi)在聯(lián)系，從執(zhí)行指令到實(shí)現(xiàn)意圖，人與系統(tǒng)交互，信息系統(tǒng)的深度嵌入。傳統(tǒng)的系統(tǒng)預(yù)定 I/O 結(jié)構(gòu)，而CPS系統(tǒng)I/O取決于場景；傳統(tǒng)系統(tǒng)“執(zhí)行指令”，CPS系統(tǒng)“實(shí)現(xiàn)意圖”；傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行信息反饋，CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“物理反饋”；傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開放控制（與物理系統(tǒng)多層次交互）。

　　如何突破發(fā)展的瓶頸，這就需要我們繼續(xù)做一些探索性的研究工作，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。當(dāng)然，這種創(chuàng)新不是標(biāo)新立異，而是以應(yīng)用需求為原動(dòng)力，以科學(xué)理論為奠基石，理論與實(shí)際相結(jié)合。

　　國家科技部高新司副司長楊咸武表示，為了將技術(shù)應(yīng)用造福于社會(huì)、造福于人民，我們不能停留在炒概念上，要面向社會(huì)發(fā)展的需求，利用信息技術(shù)真正解決我們現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中遇到的問題，隨著應(yīng)用量的擴(kuò)大，應(yīng)用場景的變化，應(yīng)用環(huán)境的變化又會(huì)給技術(shù)發(fā)展帶來推動(dòng)作用。

　　CPS系統(tǒng)在中國的進(jìn)展

　　在國外，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54億歐元(超過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年成立的美國CPS指導(dǎo)小組在《CPS執(zhí)行概要》中，把CPS應(yīng)用放在交通、國防、能源、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和大型建筑設(shè)施等方面。除此之外，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和歐洲第七框架(FP7)的大型科研資助計(jì)劃，都投入了大量經(jīng)費(fèi)。

　　在國內(nèi)，CPS技術(shù)還剛剛興起，還需較長時(shí)間的發(fā)展和培育。我國也應(yīng)與一些發(fā)達(dá)國家一樣，盡力搶占未來信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)先機(jī)。何積豐院士表示，CPS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同樣重要。因此在開展物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用的同時(shí)，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)對CPS的科學(xué)研究。

　　中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)副主任、上海嵌入式系統(tǒng)與軟件產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長陳章龍認(rèn)為，可在國民經(jīng)濟(jì)與民生相關(guān)的一些領(lǐng)域，如數(shù)字醫(yī)療、智能交通、智能電網(wǎng)等，通過“政產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合，進(jìn)行CPS技術(shù)研發(fā)和布局。

　　目前，上海已在智能交通領(lǐng)域開展類似試點(diǎn)，通過車載信息終端，將汽車電子各個(gè)部件的信息實(shí)時(shí)監(jiān)視和收集，通過無線通信與后臺(tái)信息服務(wù)系統(tǒng)相連，組成網(wǎng)絡(luò)化的汽車遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)。這不但可以實(shí)現(xiàn)車況實(shí)時(shí)監(jiān)測、運(yùn)行狀態(tài)控制、實(shí)時(shí)路況動(dòng)態(tài)導(dǎo)航，甚至可以進(jìn)行車輛故障的在線診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)與控制等。（文/頑石）