張茜

[摘要]信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physlcal？Systes，cPs）是將計(jì)算與物理資源緊密結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)，即通過(guò)3c（Cospeta-tion，Conlnication，Control）技術(shù)，由計(jì)算核心通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)控制能被實(shí)時(shí)感知的物理實(shí)體運(yùn)行的智能系統(tǒng)。本文首先介紹了CPS的概念，之后簡(jiǎn)介了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及一些現(xiàn)有研究，最后對(duì)CPS的的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

[關(guān)鍵詞]信息物理融合系統(tǒng) 電力 航天 鐵路

1研究背景及意義

CPS是涉及信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)交互與融合的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NsF）的定義，CPS是將計(jì)算與物理資源緊密結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)。具體來(lái)講，CPS是集成了計(jì)算系統(tǒng)、大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的新型互聯(lián)系統(tǒng)。CPS應(yīng)具有對(duì)大規(guī)?；ヂ?lián)物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、仿真、分析和控制的功能，最終目標(biāo)是使未來(lái)的物理系統(tǒng)具有目前尚不具備的靈活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。CPS與物聯(lián)網(wǎng)的都強(qiáng)調(diào)了物理實(shí)體的互聯(lián)，但物聯(lián)網(wǎng)側(cè)重對(duì)物理世界感知，CPS是在感知物理世界的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理實(shí)體的整體綜合化的最優(yōu)控制。因此，CPS被普遍認(rèn)為是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)史上的下一次革命，Internet改變了人與人之間的交互方式，CPS將會(huì)改變?nèi)伺c物理環(huán)境之間的交互方式。繼蒸汽技術(shù)革命（第一次工業(yè)革命），電力技術(shù)革命（第二次工業(yè)革命），信息技術(shù)革命（第三次工業(yè)革命）之后，工業(yè)4.0被稱之為第四次工業(yè)革命，它是基于信息、物理融合系統(tǒng)，基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器融合的系統(tǒng)，在生產(chǎn)中大規(guī)模使用。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

考慮到CPS對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大意義，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)咨詢委員會(huì)（PCAST）在2007年向美國(guó)總統(tǒng)提交的報(bào)告中明確建議將CPS列為美國(guó)聯(lián)邦政府研究投入的第一優(yōu)先領(lǐng)域，這使得美國(guó)迅速掀起了CPS研究熱潮。在歐盟，Rammig提出了將生物系統(tǒng)理論和智能計(jì)算方法與CPS技術(shù)相結(jié)合的思想，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)計(jì)算性能的優(yōu)化。于2008年啟動(dòng)了ARTEMIS（Advanced re-search and technology for embedded intelligence and systems）等項(xiàng)目，并創(chuàng)辦了CPS?？癐nternational Journal 0f Cyber-PhysicalSYstems”。在日韓等國(guó)，CPS從2008年左右開始備受關(guān)注。中國(guó)對(duì)CPS研究也相當(dāng)重視，國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部973計(jì)劃和863計(jì)劃都已將CPS列為重點(diǎn)資助領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)學(xué)者也已經(jīng)進(jìn)行了一些相當(dāng)有意義的CPS前沿技術(shù)研究，并取得了一些研究基礎(chǔ)。

3現(xiàn)有研究簡(jiǎn)介

文獻(xiàn)研究了電力物理信息融合系統(tǒng)，探討了信息物理融合系統(tǒng)模型的建模方法——從單個(gè)CP模塊出發(fā)整合多個(gè)cP模塊以形成CP集成模塊以至于CPS系統(tǒng)模型。并運(yùn)用上述方法建立了光伏、儲(chǔ)能以及光伏儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制中各自的物理模型和靜態(tài)信息模型，再將兩者融合。最后搭建了物理信息融合的仿真平臺(tái)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了融合模型的可行性。

文獻(xiàn)分析與設(shè)計(jì)了航天物理信息融合系統(tǒng)。在物理建模方面使用下一代多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica對(duì)月球車信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展與分析，在軟件建模方面使用了AADL對(duì)月球車信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與建模，分別對(duì)測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行建模，并提供了分系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的接口。最后闡述了Modelica和AADL是如何相互配合一起完成月球車信息物理融合系統(tǒng)的擴(kuò)展與分析。

文獻(xiàn)分析與設(shè)計(jì)了鐵路信息物理融合系統(tǒng)，文章使用體系結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)語(yǔ)言AADL對(duì)之進(jìn)行分析建模。文章的創(chuàng)新之處在于對(duì)AADL進(jìn)行了有效的擴(kuò)展，改善了之前AADL不支持對(duì)物理世界，空間方面和動(dòng)態(tài)聯(lián)系性方面的建模的特性。

4結(jié)束語(yǔ)

CPS是一個(gè)嶄新的，前景廣闊的研究領(lǐng)域，在這第四次工業(yè)革命中，中國(guó)首次與發(fā)達(dá)國(guó)家站在同一起跑線上。由于CPS應(yīng)具有自組織、自適應(yīng)、易于擴(kuò)展等特征，CPS在物理設(shè)備、通信協(xié)議、編程語(yǔ)言、軟硬件接口等方面都必須遵循相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)CPS的研究均剛剛起步，尚不存在該領(lǐng)域通行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)中國(guó)CPS產(chǎn)業(yè)而言，這既是一個(gè)挑戰(zhàn)，又是一個(gè)難得的機(jī)遇。如果國(guó)內(nèi)CPS學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界能夠率先提出CPS的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，就可望在這一場(chǎng)新的技術(shù)革命中把握先機(jī)。