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信息物理系统概述

时间:2011-10-22作者:来源:中国论文库
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  摘要:继物联网、云计算等概念之后,信息物理系统又被提出来并引起了信息界的广泛关注和认可。信息物理系统是应用于大型工业系统中的具有环境感知、嵌入式计算、网络通信

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  摘要:继物联网、云计算等概念之后,信息物理系统又被提出来并引起了信息界的广泛关注和认可。信息物理系统是应用于大型工业系统中的具有环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等功能的多维系统。介绍了信息物理系统的基本概念、特征,并对其未来的发展给予了展望。

  关键词:CPS;环境感知;海量运算;嵌入式智能

  0引言

  2005年5月,美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力,并提出维持和提高这种竞争力的建议。基于此项研究的报告《站在风暴之上》随后发布。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统(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列于首位,其余分别是软件,数据、数据存储与数据流,网络,高端计算,网络与信息安全,人机界面,NIT与社会科学。

  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。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。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。

  1 CPS概念及特征

  1.1 CPS基本概念信息物理系统(cyber physical systems,CPS)是在环境感知的基础上,深度融合计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。

  CPS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,con-trol)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。CPS无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程,使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调,主要用于一些智能系统,如机器人、智能导航等。近年来,CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向,预计也将成为企业界优先发展的产业。开展CPS研究与应用对于推进我国工业化与信息化融合具有重要意义。

  从产业角度看,CPS涵盖了小到智能家庭网络,大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是,这种涵盖并不仅仅是将现有的设备简单地连在一起,而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。下一代工业将建立在CPS之上,随着CPS技术的发展和普及,使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在,并将推动工业产品和技术的升级换代,极大地提高国家在汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS不仅会催生出新的工业,甚至会重新排列现有产业布局。

  从基础科学问题来看,尽管CPS前景无限,但挑战也是巨大的。通常,控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题,而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感,而计算则只关心功能的实现。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花,工业自动化早已成熟,其在人们日常居家生活中,使得各种家电具有控制功能。但是,这些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是工业控制总线,网络内部各个独立的子系统或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。而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在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。

  1.2 CPS基本特征

  海量运算是CPS接入设备的普遍特征,因此,接入设备通常具有强大的计算能力。CPS系统把计算与通信深深地嵌入实物过程、使之与实物过程密切互动,从而给实物系统添加新的能力。这种CPS系统小如心脏起搏器,大如国家电网。由于计算机增强的(computer-augmented)装置无处不在,使得CPS系统具有巨大的经济影响力。例如,在交通系统中能够从智能汽车提高安全性和传送效率中有效地获益,而在家居技术中将提高老人护理质量并有效控制与日俱增的护理花费。在各个行业中的广泛应用,使得我们很难估计CPS为未来生活带来的积极的潜在价值,但我们知道CPS的价值是巨大的。

  1.3 CPS属性

  CPS是物理过程和计算过程的集成系统,是人类通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互,这种交互的主体既包括人类自身也包括在人的意图指导下的系统,而作用的客体包括真实世界的各方面:自然环境、建筑、机器,同时也包括人类自身等。转贴于中国论文库 http://www.lwkoo.com

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