◎中國科學院院士 管曉宏

一、概述

信息科學與技術(shù)的發(fā)展趨勢是“兩化—融合”。其中，兩化是指網(wǎng)絡(luò)化和智能化，網(wǎng)絡(luò)化跨越裝置、地域、甚至跨越天地，智能化體現(xiàn)為裝置和系統(tǒng)控制與決策的高度智能化；融合是指信息物理融合，是信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和人的高度融合。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)定義，信息物理融合系統(tǒng)是計算單元和物理對象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高度集成交互而成的智能系統(tǒng)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，是孕育中的第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展趨勢是無線（5G）與有線主干網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)的融合。在智能時代，物聯(lián)網(wǎng)是信息網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)高度融合的結(jié)果；區(qū)塊鏈、智能移動終端、AR、虛擬數(shù)字服務(wù)等已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)科技應(yīng)用的新方向；量子計算與通信、激光互聯(lián)網(wǎng)等作為具有顛覆性的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)正在快速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)科技將逐步實現(xiàn)無線（5G）與有線主干網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)的融合。

在信息物理系統(tǒng)中，人根據(jù)自身認知進行創(chuàng)造性思維，確定決策目標；信息系統(tǒng)根據(jù)這個決策目標獲取信息，學習知識，作出控制與決策；物理系統(tǒng)進行信息的感知、傳感，并且執(zhí)行決策當中的指令。人工智能的目的不是要用機器徹底代替人，而是把人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)各自的功能重新劃分，明確哪些是需要機器做的，哪些是人做的。

我們對信息系統(tǒng)有什么要求呢？首先，系統(tǒng)要有固有的智能，這個智能要融入在系統(tǒng)當中。其次，系統(tǒng)要能夠優(yōu)化資源和能源消耗，提高系統(tǒng)效率。當前，提高系統(tǒng)效率、降低資源和能源消耗是解決或緩解能源、環(huán)境和經(jīng)濟問題最有效、最無爭議的途徑。過去我們只需要考慮系統(tǒng)的物理安全、故障等，現(xiàn)在由于信息無所不在，信息高度融入了系統(tǒng)，還要考慮信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的綜合安全。

二、典型應(yīng)用

信息物理融合系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括智能制造、智能工廠、智能交通、智慧城市、智能航空航天系統(tǒng)，信息物理融合的能源系統(tǒng)或者能源互聯(lián)網(wǎng)等。

管曉宏院士作主題報告

（一）制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

制造業(yè)的社會化大生產(chǎn)，實際上是100多年前開始的。企業(yè)從自動化走到30年前的信息化，計算機、信息進入人類的生產(chǎn)制造活動，再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化、智能化?？蛻魧χ圃煜到y(tǒng)提出了多樣化、個性化、高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)等新需求，新的制造技術(shù)例如3D打印、激光制造、微納制造等對制造提出了新的定義，政府環(huán)保部門有新的要求，制造業(yè)面臨著巨大的壓力。信息物理融合系統(tǒng)通過云計算可以把用戶、生產(chǎn)商和服務(wù)商通過云平臺聯(lián)系起來，實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化、決策的智能化、協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、過程的綠色化、制造服務(wù)化和產(chǎn)業(yè)生態(tài)化。

現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)字孿生技術(shù)是一個備受關(guān)注的研究方向?；谛畔⑽锢砣诤舷到y(tǒng)泛在的感知，把物理系統(tǒng)當中的信息收集起來，實際上是在計算機上創(chuàng)造了一個虛擬空間，通過在線仿真，基于模型和大數(shù)據(jù)深度分析，實現(xiàn)云計算智能決策、優(yōu)化系統(tǒng)運行以及基于邊緣計算精準的自執(zhí)行，最后將虛擬空間中作出的決策反饋到物理空間。所以，制造系統(tǒng)有兩個空間：一是物理空間，二是虛擬空間，形成了所謂的數(shù)字孿生體。

（二）在服務(wù)型制造中的典型應(yīng)用

以疫苗生產(chǎn)和使用為例。前段時間，我們的疫苗出了問題，這對每個家庭來說是非常嚴重的問題。這次疫苗事件主要是運輸過程中出了問題。因為疫苗運輸對環(huán)境溫度有非常高的要求，如果溫度超高，疫苗就失效了。信息物理融合技術(shù)可以采用RFID系統(tǒng)來實現(xiàn)，RFID非常小，但是可以存儲非常多的信息。有人夸張地說，可以給地球上每個沙子都編上號。這樣，給每一個批次、具體產(chǎn)品都編上號，材料的選擇、生產(chǎn)制造過程中所有參數(shù)和生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)都可以放在里面。由于它本身帶傳感器，可以把運輸過程中所有參數(shù)，包括溫度、濕度等這些疫苗所要求的數(shù)據(jù)放進去。當大夫要給孩子注射時候，通過云平臺系統(tǒng)，實時判斷這盒疫苗是否合格，從而在技術(shù)上解決了疫苗設(shè)計、制造、儲運和服務(wù)過程中遇到的這些問題。

（三）在智能家居、智能樓宇、智能交通和智慧城市中的應(yīng)用

在智能家居方面，室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施，所有的家電、設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)連起來，實現(xiàn)家居環(huán)境和設(shè)備的控制。在智能樓宇方面，樓宇CPS作為基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)基于舒適度的樓宇節(jié)能與安全控制，可以用最節(jié)能的方式為樓宇住戶提供一個舒適、安全的環(huán)境。

新型的智能交通系統(tǒng)需要實現(xiàn)感知、交互、車路協(xié)同，基于群體智能實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)平臺的交通服務(wù)和車路協(xié)同。如果這種新型交通平臺存在的話，可以避免載重車超載，橋梁翻塌等事故發(fā)生。所有橋的載重，應(yīng)該是清清楚楚的，車過橋的時候，車載系統(tǒng)就應(yīng)該明確告訴司機，現(xiàn)在的載重遠遠超過了橋的載重，不能通過。交管系統(tǒng)可以通過交通管制、交通警察等方式停止超載汽車的行駛，就不會發(fā)生那樣的悲劇。

信息物理融合的智慧城市系統(tǒng)作為基礎(chǔ)設(shè)施，可以實現(xiàn)舒適、安全、節(jié)能、環(huán)保的城市規(guī)劃與優(yōu)化運行。所有信息進入到這個智能系統(tǒng)中，城市的規(guī)劃和優(yōu)化決策都應(yīng)該可以實現(xiàn)。

（四）能源電力行業(yè)應(yīng)用

信息物理融合的能源系統(tǒng)也稱為信息物理融合的能源供需系統(tǒng)。可再生新能源如風能、太陽能都取決于大氣環(huán)境，可以把工業(yè)終端能源需求和家用終端能源需求形成一個巨大的系統(tǒng)，支持雙向流動，以最節(jié)能的方式為人類提供能源。

信息物理融合能源供需系統(tǒng)

基于氫能的信息物理融合的分布式融合系統(tǒng)是我們正在進行的研究工作。這項工作可能會徹底顛覆傳統(tǒng)能源電氣結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源電力市場化，加速能源革命，所以含氫分布式燃料能源系統(tǒng)需要特別關(guān)注。其中，正在突破的技術(shù)有光催化制氫、常溫常壓儲氫技術(shù)等。富氫載體可以利用現(xiàn)有石化燃料的基礎(chǔ)設(shè)施方便地實現(xiàn)運輸、儲存、銷售與添加，能夠?qū)崿F(xiàn)氫能驅(qū)動冷熱電聯(lián)供，實現(xiàn)多能協(xié)同轉(zhuǎn)化和近零碳排放。如果氫能將來作為主要的二次能源，它既可以并網(wǎng)運行也可以獨立運行，就徹底改變了現(xiàn)有的能源電力結(jié)構(gòu)。氫能儲運系統(tǒng)形成的供應(yīng)鏈可以當成石油化工產(chǎn)品一樣來運輸，成本非常低。

在2018年綠色能源高峰會議上，我們討論的問題是綠色、分布、市場為標志的能源革命是不是即將到來？由此產(chǎn)生的地緣政治是不是會改變？這都是值得我們關(guān)注的問題。因為世界上很多問題都在中東地區(qū)，石油分布在中東地區(qū)，這是中東地區(qū)地緣政治造成的。

（五）電力系統(tǒng)中的綜合安全

當然信息物理高度融合了以后，并不全是優(yōu)點。因為電力設(shè)備實現(xiàn)了全面信息化，信息系統(tǒng)的開放性、脆弱性也為攻擊者提供了新的技術(shù)途徑，所以它是有可能產(chǎn)生重大損害的，信息攻擊可能導致電網(wǎng)的連鎖式崩潰。我們過去只考慮電網(wǎng)的工程安全和電網(wǎng)故障后產(chǎn)生的安全問題，現(xiàn)在需要考慮綜合安全。

我們在實驗室做了一個IEEE-30母線系統(tǒng)的仿真模擬實驗?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)都有自動保護，如果功率流過線以后要自動保護。這條線如果受到攻擊或者出現(xiàn)工程故障斷了以后，按照能量守恒原理，功率流很快轉(zhuǎn)到其它線路上，可能造成相應(yīng)的線路也過流保護，以此類推，系統(tǒng)線路不斷地斷開，然后發(fā)電機組不斷從系統(tǒng)當中切除，最后形成一個個孤島，系統(tǒng)徹底解鏈，發(fā)電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)徹底崩潰，這是我們通過仿真看到的景象。

工程故障會導致巨大問題。2003年8月14日，美國東北部的一處電網(wǎng)出現(xiàn)了一個機組故障和一個線網(wǎng)故障，再加上能源管理系統(tǒng)報警失靈，20多分鐘內(nèi)五大電網(wǎng)崩潰，500多臺機組從系統(tǒng)當中解鏈，5千萬人受到影響。這純粹是由于工程故障，造成了連鎖式的故障，不是受到了信息攻擊。

組網(wǎng)：從太空研究地球磁場（歐空局SWARM項目）

（六）航天工程中的應(yīng)用

微型化、網(wǎng)絡(luò)化、商業(yè)化的航天服務(wù)是未來的發(fā)展趨勢。SpaceX公司準備發(fā)射1萬多顆衛(wèi)星甚至更多衛(wèi)星在太空中組網(wǎng)，促使經(jīng)濟性、可持續(xù)性、靈活性、智能化等需求的提出。它和5G的通信網(wǎng)絡(luò)無縫對接，所以在太空當中分布式組網(wǎng)技術(shù)受到異常關(guān)注。上圖是一個典型的信息物理融合的太空通信系統(tǒng)。

三、面臨的問題和挑戰(zhàn)

下面從系統(tǒng)工程角度來分析一下信息物理融合系統(tǒng)面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。

一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模型。信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)高度融合之后，需要考慮微觀與宏觀的信息物理融合，包括定量化連續(xù)離散和混合系統(tǒng)的描述，以及信息共生、數(shù)字孿生的非數(shù)學描述。我們用關(guān)聯(lián)多重網(wǎng)絡(luò)模型描述了多種能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間的關(guān)系和拓撲轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其中的耦合關(guān)系用節(jié)點模型描述，描述節(jié)點能量平衡和多種能源介質(zhì)動態(tài)轉(zhuǎn)化，最后用流量模型描述能量傳輸平衡和信息關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過分析能量流-信息流時空多尺度耦合特性，提出了多種能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間的拓撲關(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系建模方法，為CPES優(yōu)化理論與方法研究提供基礎(chǔ)。

二是含智能的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計理論和方法。一個具有智能的系統(tǒng)，需要計算智能的定量描述和人工智能的非定量描述、機器智能和人在系統(tǒng)中的智能，同時還需要智能體之間的溝通與理解。舉個例子，幾年前，世界上最好的男聲合唱團俄羅斯亞歷山大紅旗合唱團的近百位世界頂級藝術(shù)家乘坐的飛機起飛幾分鐘后就墜入了黑海。黑匣子打撈上來后發(fā)現(xiàn)飛機沒有故障，是飛行員在起飛不久把爬行狀態(tài)改成著陸狀態(tài)，于是飛機高速接近海面，最后解體。唯一的解釋就是飛行員疲勞駕駛。以飛機駕駛系統(tǒng)為例，如果它具有智能，就應(yīng)該提醒駕駛員正在做什么，是什么狀態(tài)。所以，飛機系統(tǒng)如果具有智能的話，很大程度上就能避免這樣的悲劇發(fā)生。

三是信息物理融合系統(tǒng)的整體控制、決策、優(yōu)化和運營理論。它們包括相關(guān)的優(yōu)化理論、控制理論、天地之間系統(tǒng)控制、多時間尺度的控制決策理論、多智能體之間的控制決策和博弈等問題。

四是信息物理融合系統(tǒng)的綜合安全。需要解決安全模型、多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系、工程安全和網(wǎng)絡(luò)信息安全異構(gòu)管理的數(shù)據(jù)、基于CPS綜合安全機理與數(shù)據(jù)的監(jiān)控和防衛(wèi)等問題?？傊畔⑾到y(tǒng)和物理系統(tǒng)高度融合以后，信息無所不在，需要保證它的綜合安全。

四、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化、智能化和信息物理融合是信息科學與技術(shù)的發(fā)展趨勢，是國際科學前沿，也是國家的重大需求。智能時代信息物理融合系統(tǒng)的關(guān)鍵理論和技術(shù)，在即將到來的新工業(yè)革命、新技術(shù)革命和新能源革命中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。解決信息物理融合系統(tǒng)微觀、宏觀系統(tǒng)的關(guān)鍵科學和技術(shù)問題，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型，系統(tǒng)智能性的規(guī)劃設(shè)計，系統(tǒng)整體的控制、決策、優(yōu)化、運營理論與方法，系統(tǒng)綜合安全等，對建立信息物理融合系統(tǒng)的理論體系，推動重大應(yīng)用并取得效益是至關(guān)重要的。