信息物理融合系统研究导论

张茜

[摘要]信息物理融合系统（Cyber-physlcal？Systes，cPs）是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统，即通过3c（Cospeta-tion，Conlnication，Control）技术，由计算核心通过通信网络动态控制能被实时感知的物理实体运行的智能系统。本文首先介绍了CPS的概念，之后简介了国内外研究现状及一些现有研究，最后对CPS的的发展进行了总结与展望。

[关键词]信息物理融合系统 电力 航天 铁路

1研究背景及意义

CPS是涉及信息系统和物理系统交互与融合的一个新的研究领域。根据美国国家科学基金会（NsF）的定义，CPS是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统。具体来讲，CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。CPS应具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。CPS与物联网的都强调了物理实体的互联，但物联网侧重对物理世界感知，CPS是在感知物理世界的基础上进一步实现对各种物理实体的整体综合化的最优控制。因此，CPS被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命，Internet改变了人与人之间的交互方式，CPS将会改变人与物理环境之间的交互方式。继蒸汽技术革命（第一次工业革命），电力技术革命（第二次工业革命），信息技术革命（第三次工业革命）之后，工业4.0被称之为第四次工业革命，它是基于信息、物理融合系统，基于大数据和物联网传感器融合的系统，在生产中大规模使用。

2国内外研究现状

考虑到CPS对于国民经济和社会发展的重大意义，美国總统科学技术咨询委员会（PCAST）在2007年向美国总统提交的报告中明确建议将CPS列为美国联邦政府研究投入的第一优先领域，这使得美国迅速掀起了CPS研究热潮。在欧盟，Rammig提出了将生物系统理论和智能计算方法与CPS技术相结合的思想，实现了系统计算性能的优化。于2008年启动了ARTEMIS（Advanced re-search and technology for embedded intelligence and systems）等项目，并创办了CPS专刊“International Journal 0f Cyber-PhysicalSYstems”。在日韩等国，CPS从2008年左右开始备受关注。中国对CPS研究也相当重视，国家自然科学基金、科技部973计划和863计划都已将CPS列为重点资助领域。国内学者也已经进行了一些相当有意义的CPS前沿技术研究，并取得了一些研究基础。

3现有研究简介

文献研究了电力物理信息融合系统，探讨了信息物理融合系统模型的建模方法——从单个CP模块出发整合多个cP模块以形成CP集成模块以至于CPS系统模型。并运用上述方法建立了光伏、储能以及光伏储能的协调控制中各自的物理模型和静态信息模型，再将两者融合。最后搭建了物理信息融合的仿真平台，通过仿真实验验证了融合模型的可行性。

文献分析与设计了航天物理信息融合系统。在物理建模方面使用下一代多领域统一建模语言Modelica对月球车信息物理融合系统进行扩展与分析，在软件建模方面使用了AADL对月球车信息物理融合系统进行了设计与建模，分别对测量系统、控制系统、执行系统进行建模，并提供了分系统数据交换的接口。最后阐述了Modelica和AADL是如何相互配合一起完成月球车信息物理融合系统的扩展与分析。

文献分析与设计了铁路信息物理融合系统，文章使用体系结构分析和设计语言AADL对之进行分析建模。文章的创新之处在于对AADL进行了有效的扩展，改善了之前AADL不支持对物理世界，空间方面和动态联系性方面的建模的特性。

4结束语

CPS是一个崭新的，前景广阔的研究领域，在这第四次工业革命中，中国首次与发达国家站在同一起跑线上。由于CPS应具有自组织、自适应、易于扩展等特征，CPS在物理设备、通信协议、编程语言、软硬件接口等方面都必须遵循相应的行业标准。然而，国内外对CPS的研究均刚刚起步，尚不存在该领域通行的国际标准，因此对中国CPS产业而言，这既是一个挑战，又是一个难得的机遇。如果国内CPS学术界和产业界能够率先提出CPS的相关行业标准，就可望在这一场新的技术革命中把握先机。