智能系统 第5章 信息物理系统
信息物理系统
信息物理系统标题：信息物理系统：融合信息与物理的新时代摘要：信息物理系统以信息和物理的融合为核心，具有广泛的应用前景和研究价值。
本文将全面介绍信息物理系统的概念、特征、应用领域以及前景展望，探索信息物理系统对社会经济发展和科技进步的深远影响。
第一章：引言信息物理系统，即物理世界与信息世界的融合，是近年来新兴的跨学科领域。
信息物理系统以信息技术和物理技术为基础，将传感器、数据存储和处理、通信网络等相互关联起来，实现人与环境之间的智能连接和智能交互。
本章将介绍信息物理系统的背景和研究意义，为后续内容的展开做好铺垫。
第二章：信息物理系统的特征信息物理系统具有多个显著特征，包括高度集成化、实时性、自适应性、协同性和安全性。
本章将详细介绍这些特征，并通过实际案例解释其重要性和优势。
第三章：信息物理系统的应用领域信息物理系统在各行各业都有广泛的应用，本章将从农业、工业、交通、医疗等领域出发，展示信息物理系统的应用场景和具体实例。
特别强调信息物理系统在解决现实问题和提升生产力方面的巨大潜力。
第四章：信息物理系统的发展趋势信息物理系统在科技发展和社会进步中将扮演重要角色，本章将分析信息物理系统的发展趋势和前景，并探讨其可能带来的变革和挑战。
同时，提出在政策、技术和人才培养等方面应采取的举措。
第五章：信息物理系统对社会经济发展的影响信息物理系统的应用广泛，其深远的影响不仅局限于技术层面，还涉及社会经济发展和人类生活的各个方面。
本章将从多个维度分析信息物理系统对社会经济的影响，包括经济增长、产业升级、人类生活质量等。
第六章：总结与展望本章将对全文进行总结，并对未来信息物理系统的发展进行展望。
强调信息物理系统在人类社会发展中的重要作用，同时指出信息物理系统仍然面临的挑战和需要解决的问题。
结论：信息物理系统是信息和物理紧密结合的新时代产物，具有广泛的应用领域和研究价值。
通过不断推动信息技术和物理技术的交叉融合，信息物理系统将在未来为社会经济发展和科技进步提供强大支持，引领我们进入一个更加智能化、高效和可持续发展的未来。
信息物理系统 国家政策
信息物理系统国家政策信息物理系统（CPS, Cyber-Physical Systems）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、Control）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。
信息物理系统包含了将来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上如设备互联，物联传感，智能家居，机器人，智能导航等。
信息物理系统的主旨是将物理设备和软件相集成，以实现更高效、更智能、更可靠的系统。
通过实时感知、传输、计算、控制和优化，信息物理系统可以优化生产过程、提高安全性和效率、降低能源消耗和环境污染等。
信息物理系统在各个领域都有广泛的应用，其中智能制造是最为重要的一种。
在智能制造领域，信息物理系统可以实现自动化生产、智能化工厂、自动化物流等，提高生产效率和质量，减少生产成本和资源浪费。
国家非常重视信息物理系统的发展，出台了一系列相关政策。
其中，《“十四五”数字经济发展规划》中明确提出推进信息物理系统关键技术研发及产业化。
此外，各地政府也出台了相关政策，支持信息物理系统的研发和产业化。
例如，2023年6月24日，深圳市人民政府发布的《关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见》，将信息物理系统列为未来产业的重要发展方向之一，并提出要加强核心技术攻关，推动产业化发展。
除了上述提到的国家政策，还有一些其他相关的国家政策涉及到信息物理系统的不同方面。
《中国制造2025》：作为中国的国家级战略，该政策强调了制造业的转型升级，并提出了通过发展智能制造、工业互联网等手段提高制造业的竞争力。
信息物理系统CPS
信息物理系统
信息物理系统（Cyber Physical System，CPS），也有人称为信息物理融合系统。
CPS概念最早是由美国国家基金委员会在2006年提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后，世界信息技术的第三次浪潮，其核心是3C（Computation、Communication、Control）的融合。
2008年美国加利福尼亚大学的E.Lee在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成，嵌入式计算机和网络监测、控制物理过程，系统通常具有物理过程影响计算、计算也影响物理过程的反馈循环。
从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的核，以及物理环境中的结构所监测和控制。
华东师范大学何积丰院士在2010年6月《中国计算机学会通讯》发表综述CPS的文章，指出：“CPS从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、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、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。
CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。
”。
工业自动化中的信息物理系统与智能制造
通信技术
实现设备间的信息交互和远程 控制，包括有线和无线通信技
术。
云计算技术
提供大规模数据处理和分析能 力，支持远程监控和智能决策
。
信息物理系统在工业自动化实时监测和预测，提高生产效率和产品 质量。
提高工业安全性和可靠性
通过实时监测和预警，降低事故风险和设备 故障率。
工业自动化中的信息物理系统与 智能制造
目录
• 信息物理系统概述 • 智能制造概述 • 信息物理系统在智能制造中的应用 • 工业自动化中的信息物理系统面临的挑战
与解决方案 • 信息物理系统与智能制造的未来发展趋势
01
信息物理系统概述
信息物理系统的定义
信息物理系统（CPS）：一种新型的智能系统，通过集成计算、通信和控制技术， 实现物理世界与信息世界的深度融合。
人工智能与信息物理系统的深度融合
智能感知与决策
利用人工智能技术，实现生产过程中的智能感知 、预测和决策，提高生产效率和产品质量。
自主学习与优化
通过人工智能技术，实现生产过程的自主学习和 持续优化，降低能耗和减少排放。
人机协作与安全
借助人工智能技术，实现人机协作和安全保障， 提高生产安全性和人机交互体验。
样化需求，提升市场竞争力。
工业互联网的融合发展
设备互联互通
通过工业互联网平台，实 现生产设备、物料、人员 等要素的互联互通，提高 生产协同效率。
数据驱动决策
利用大数据分析技术，实 现数据驱动的决策支持， 优化生产过程，降低成本 。
远程监控与维护
通过远程监控技术，实时 掌握设备运行状态，实现 预防性维护和远程故障诊 断。
CPS通过传感器和执行器与物理环境进行交互，实现实时监测、预测和优化控制。
信息物理系统CPS
信息物理系统CPS在当今科技飞速发展的时代，信息物理系统（CPS）正逐渐成为推动各领域创新和变革的关键力量。
或许对于很多人来说，“信息物理系统”这个名词还稍显陌生，但实际上它已经在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
那么，究竟什么是信息物理系统呢？简单来说，信息物理系统是一个将计算、通信和控制技术深度融合的系统，它实现了物理世界和信息世界的交互与协同。
想象一下，一辆自动驾驶汽车，它不仅能够感知周围的环境，还能根据实时数据进行决策和控制，从而安全、高效地行驶。
在这个过程中，车辆上的各种传感器收集物理世界的信息，如道路状况、车辆位置和速度等，然后通过网络将这些信息传输到计算中心进行处理和分析，计算中心再根据分析结果向车辆的控制系统发送指令，实现车辆的加速、减速、转向等操作。
这就是一个典型的信息物理系统。
信息物理系统的核心在于“融合”。
它打破了传统上物理系统和信息系统之间的界限，使得两者能够紧密结合、协同工作。
在工业生产中，信息物理系统可以实现生产设备的智能化监控和管理。
通过在设备上安装传感器，实时采集设备的运行状态、温度、压力等数据，并将这些数据传输到控制中心，工作人员可以及时发现设备的故障隐患，提前进行维护和修理，从而大大提高生产效率，降低生产成本。
在医疗领域，信息物理系统可以为患者提供更加精准、个性化的医疗服务。
例如，智能血糖仪可以实时监测患者的血糖水平，并将数据自动传输到医生的电脑上，医生可以根据这些数据调整治疗方案，更好地控制患者的病情。
信息物理系统的发展离不开一系列关键技术的支持。
首先是传感器技术，它是信息物理系统获取物理世界信息的“眼睛”和“耳朵”。
传感器的精度和可靠性直接影响到系统的性能。
其次是通信技术，高效、稳定的通信网络是确保信息快速、准确传输的关键。
5G 技术的出现，为信息物理系统的发展提供了更强大的通信支持，使得海量数据能够在瞬间传输。
此外，云计算和大数据技术为信息物理系统提供了强大的计算和数据分析能力，人工智能技术则可以帮助系统实现智能化的决策和控制。
信息物理系统概述
当人们还 陶 醉 在 物 联 网能 够 把 物 与物 连 在 一
起 时 ， 想 到 Ｃ Ｓ又 冒了 出来 ， 物联 网所 擅 长 的 没 Ｐ 而
基于 Ｒ Ｉ ＦＤ的连 接 ， 于 Ｃ Ｓ来 说 太 过 简 单 。从 计 对 Ｐ
算 性能 的角度 出发 ， 一些 高端 的 Ｃ Ｓ应 用 比作 胖 把 Ｐ
Ｃ Ｓ系统具有巨大 的经济影 响力。例如， Ｐ 在交通系
而信息空 间数据则具有离散性。那么从物理空 间
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
到信 息空 间 的信 息 流动 ， 首先 必 须通 过 各 种 类 型 的
上， 这是 因为 Ｃ Ｓ强 调 的分 布 式应 用 系统 中物 理设 Ｐ
统 或者停 机就 可 以动 态升 级 。Ｃ Ｓ应 该是 一个 智 能 Ｐ
的有 自主行 为 的系 统 ， Ｐ Ｃ Ｓ不 仅 能够 从 环 境 中获 取
数据 ， 进行数据融合 ， 提取有效信息 ， 并且根据系统
规 则通 过效应 器作用 于环 境 。
算 与通 信深深 地嵌 入 实 物 过 程 、 之与 实 物 过程 密 使 切 互动 ， 而给 实 物 系统 添 加 新 的能 力 。这 种 Ｃ Ｓ 从 Ｐ 系统小 如心 脏起 搏 器 ， 如 国家 电 网。 由 于计 算 机 大 增 强 的 （ ｏ ｕｅ—ｕｍ ｎｅ ） 置 无 处 不 在 ， 得 ｃｍｐｔ ａｇ ｅｔ 装 ｒ ｄ 使
摘
要： 继物联 网、 云计算等概念之后 ， 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 信
信息物理系统
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
CPS发展
• 到了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 中列出了八大关键的信息技术， 其中CPS位列首位，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。欧盟计划从2007 年到2013年在嵌入智能与系统 的先进研究与技术（ARTMEIS）
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
CPS的特征
• 感知在CPS中十分重要。众所周 知，自然界中各种物理量的变化
绝大多数是连续的，或者说是模
拟的，而信息空间数据则具有离
散性。那么从物理空间到信息空
间的信息流动，首先必须通过各
种类型的传感器将各种物理量转 变成模拟量，再通过模拟/数字 转换器变成数字量，从而为信息
• 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都是工业控制总 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。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
•
21世纪是信息产业突飞
猛进的时代，层出不穷的技术
突破与创新正不断地改变着人
类的生态环境。互联网技术改
《信息物理系统》PPT课件(47页)
信息物理系统（CyberPhysical Systems,CPS）PPT课件第1页：封面信息物理系统（CyberPhysical Systems, CPS）副PPT课件（共47页）作者：[您的名字]日期：[日期]第2页：目录第1部分：引言第2部分：信息物理系统的定义与特征第3部分：信息物理系统的关键技术第4部分：信息物理系统的应用领域第5部分：信息物理系统的挑战与未来展望第3页：引言信息物理系统（CPS）是一种融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统的新兴研究领域。
CPS的目标是将物理世界中的各种设备和系统与计算机系统紧密集成，实现智能化、自主化和协同化。
第4页：信息物理系统的定义与特征信息物理系统是一种通过计算机系统与物理系统的深度融合，实现智能化、自主化和协同化的系统。
跨学科性：融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统等多个学科的知识。
实时性：CPS需要实时处理和分析大量的数据，以实现对物理系统的实时控制。
互联互通性：CPS中的各个设备和系统需要通过网络进行互联互通，实现信息的共享和协同。
可靠性：CPS需要具备高可靠性，以保证物理系统的安全和稳定运行。
第5页：信息物理系统的关键技术CPS涉及多种关键技术，包括：传感器技术：用于感知物理世界中的各种信息。
通信技术：用于实现设备和系统之间的数据传输和共享。
控制算法：用于对物理系统进行实时控制和优化。
计算机系统：用于处理和分析大量的数据，并提供智能化的决策支持。
第6页：信息物理系统的应用领域CPS在各个领域都有广泛的应用，包括：智能交通系统：通过CPS技术实现交通流的优化和管理。
智能家居：通过CPS技术实现家庭设备的智能化控制和自动化。
智能医疗：通过CPS技术实现医疗设备的远程监控和智能诊断。
智能制造：通过CPS技术实现生产过程的智能化控制和优化。
第7页：信息物理系统的挑战与未来展望安全性问题：CPS需要具备高安全性，以防止恶意攻击和数据泄露。
信息物理系统的发展
信息物理系统的发展信息物理系统（CPS）是计算资源（如计算机、传感器、数据等）和物理资源（如设备、机器人、能源等）的集成，通过通信、数据交换和共享，实现复杂系统的高效、智能、自适应和可靠运行。
近年来，信息物理系统的发展取得了显著的进步，为工业自动化、智能制造、智慧城市等领域的发展提供了强有力的支持。
一、信息物理系统的技术进步随着物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展和融合，信息物理系统的技术也在不断进步。
物联网技术：物联网是信息物理系统的基础，通过物联网技术，可以实现物理设备的互联互通，实现数据的实时采集和共享。
云计算技术：云计算为信息物理系统提供了高效的计算和存储资源，可以实现大规模数据的处理和分析，提高系统的响应速度和效率。
大数据技术：大数据技术可以对海量的数据进行处理和分析，挖掘出更多的价值信息，为决策提供更加准确的数据支持。
人工智能技术：人工智能技术可以实现对数据的深度学习和模式识别，实现系统的智能化和自主决策，提高系统的自适应性和可靠性。
二、信息物理系统的发展趋势未来，信息物理系统将会朝着更加智能化、自主化、协同化的方向发展。
智能化：未来的信息物理系统将会更加智能化，通过人工智能等技术，实现系统的自主决策和自我优化，提高系统的效率和可靠性。
自主化：未来的信息物理系统将会更加自主化，通过自动化和智能化的技术，实现系统的自主控制和管理，减少人工干预和操作。
协同化：未来的信息物理系统将会更加协同化，通过多系统、多设备的协同工作，实现系统的整体优化和协同控制，提高系统的整体效率和性能。
三、信息物理系统的应用前景信息物理系统具有广泛的应用前景，未来将在工业制造、智慧城市、智能交通、医疗健康等领域得到更广泛的应用。
例如：在工业制造领域，信息物理系统可以实现工厂的自动化和智能化生产，提高生产效率和产品质量；在智慧城市领域，信息物理系统可以实现城市管理的智能化和精细化，提高城市管理和服务水平；在智能交通领域，信息物理系统可以实现交通信号的智能化控制和交通信息的实时共享，提高交通运行效率和安全性；在医疗健康领域，信息物理系统可以实现医疗设备的互联互通和医疗数据的共享利用，提高医疗诊断和治疗水平。
信息物理系统CPS
界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，CPS通过物 理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。
物理层由地理上分布的各种CPS单元组成，这里的CPS单
元可以是一个单独的CPS节点，例如一台手持终端PDA或 移动手机就是一个CPS单元。另外，一个CPS单元也可以 是一组CPS节点集合，如一组探测仓库温度的智能传感器 集合通过一个超级智能传感器组合连接入新一代网络与其 他CPS单元交互，这一组智能传感器被认为是一个CPS单 元，其中每个智能传感器是一个CPS节点。
汇报内容
CPS系统定义 嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系 CPS的发展 技术特点 研究热点 基本功能单元 系统架构 CPS在行业中的应用 研究展望
定义
CPS就是一个在环境感知的基础上，深度融合 了计算、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 监测或者控制一个物理实体。CPS的最终目标是实 现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、 可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从 根本上改变人类构建工程物理系统的方式
CPS在智能电网上的应用
二、CPS在智能电网中的优势 CPS系统中的物理设备强调精确控制，实现远程交互和协
作，同时系统是一个多维度而非单维度的开放式系统，具有 高度的复杂性，能支持建造国家级甚至全球级的大型或者特 大型联网物理设备。这些特点决定了CPS系统在智能电网建 设方面将大有用武之地，通过CPS系统，能够从发电、输电、 变电、配电、用电、调度等方面实现精确控制、远程协作和 自治，从而为社会创造并节约宝贵的能源。
智能制造中的信息物理系统研究
智能制造中的信息物理系统研究随着科技的不断发展，工业生产的模式也在不断变化。
特别是近年来，智能制造已经成为了一个风口行业，引起了广泛的关注。
而在智能制造中，信息物理系统研究是一个关键领域，它的发展对整个智能制造的发展起到了至关重要的作用。
一、信息物理系统的定义何谓信息物理系统呢？它是指将传感器、计算机和通信技术等信息处理技术与物理系统相融合，形成一个新的系统，用于收集、处理、分析和应用物理量及其变化过程中产生的大量信息。
也就是说，信息物理系统是将物理系统和信息系统集成起来，在物理世界中实现实时控制和各种智能应用，以实现高效生产、智能制造和智慧城市建设的目的。
信息物理系统的核心是传感器网络，其将物理空间和虚拟空间连接起来，实现数字和物理世界的融合。
传感器网络通过节点之间的无线通信收集数据，并将其传送到相关设备或计算机中进行处理和分析，以实现对物理过程的最优化控制。
二、信息物理系统在智能制造中的应用智能制造是追求产品质量、生产效率和资源利用率的优化，在实施智能制造的过程中，信息物理系统是一个关键环节。
其应用可以改变繁琐的机械操作，提高生产自动化程度，减少生产过程中的人为错误，并能够实现生产数据的实时监控和分析，进而优化生产过程和提高生产效率。
以工业机器人和智能制造设备为例，这些设备具有非常高的自主性和灵活性，能够根据环境和工作任务的实际情况进行调节和计算。
同时，通过信息物理系统的控制，这些设备还能够实现自适应控制和智能决策，将机器人的自主性和智能化发挥到极致。
三、信息物理系统的发展趋势在信息物理系统的研究和应用中，随着物联网、云计算和人工智能等新兴技术的出现，其发展趋势也在不断变化和突破。
在未来的发展中，信息物理系统将体现出一些新趋势：1. 大数据分析：随着物联网设备的不断普及，信息物理系统将产生大量的数据。
如何对这些数据进行有效地分析，成为信息物理系统发展的重要方向。
2. 云计算技术：云计算技术的出现，使得信息物理系统的计算能力得到了巨大的提升。
信息物理系统(cyber physical systems)及其对网络科学研究的影响
信息物理系统(cyber physical systems)及其对网络科学研究的影响信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一种由物理和计算机系统融合而成的新型计算机系统。
它是由物理实体和计算机之间相互作用的松散或紧密结合而成的，能够收集数据、处理数据、执行控制功能以及互联互通的计算机系统。
这种系统可以结合机器学习、人工智能、网络安全等技术，可以应用于很多方面，包括航空航天、制造业、交通运输、能源等领域，使它们更加智能化，自动化和安全化。
它对网络科学的研究也产生了很大的影响。
首先，信息物理系统的产生使得网络科学研究内容更加广泛。
信息物理系统不但涉及到计算机技术相关领域的研究，同时也涉及到物理学、电子工程等领域的研究。
由此还可以引申出机器人、虚拟现实以及生物信息学等相关研究领域，丰富了网络科学的研究内容。
在这个过程中，研究人员也产生了更多的交叉学科合作，使得研究成果更加丰富。
其次，信息物理系统的应用将推动网络科学研究向智能化、自动化和安全化上迈进。
信息物理系统是众多技术的集成，通过引入机器学习、人工智能、网络安全等技术，将实现对于实体物体和人的智能感知和智能决策和智能管理等一系列智能化的功能实现。
同时，还将自动化执行原本需要人类进行的任务并提高安全性，这无疑将使得网络科学研究更加有效且具有更好的经济效益。
最后，信息物理系统的研究也带动了网络科学研究方法的转变。
传统的网络科学关注于网络结构的建模与分析，而信息物理系统的研究则侧重于从物理模型、控制模型、人机交互等角度深入分析网络中的物理实体，并通过数据挖掘、机器学习等方法对网络数据进行建模和挖掘。
这种转变不仅丰富了网络科学的研究视角，也为网络科学的研究方法注入了新的活力。
总之，信息物理系统的产生和应用使得网络科学研究的领域更加广泛、向智能化、自动化和安全化方向上发展，以及研究方法也得到了转变。
信息物理系统对网络科学的研究带来了很大的影响，未来随着技术的不断进步，信息物理系统的应用将会在许多领域得到更广泛的应用。
信息物理系统(cyber physical systems)及其对网络科学研究的影响
中图分类号 ：Ｐ ７ Ｔ ６
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：０ ７ ９ １ （０ １０ － １ １ ０ １０ － ４ ６２ １）３ ０ ５ － ２
Ｃ ｂ ｒ ｐ ｙ ｉ ａ ｙ ｔ ｍｓ ａ ｄ ｉｓ ｉ ａ ｔ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｗ ｏ ｋ ｙ ｅ ｈ ｓｃ ｌ ｓ ｓ ｅ ｎ ｔ ｍｐ ｃ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｎ ｔ ｒ
Ｚ ＨＯＵ ｉ ｉ ｇ Ｈａ －ｐ ｎ
（ ｅ ａ ｔ ｅ ｔ ｏ ｏ ｕ ｅ ｃｅ ｃ Ｄ ｐ ｒｍ ｎ ｆ Ｃ ｍｐ ｔｒ Ｓ ｉ ｎ ｅ
Ｇ ｉ ａ ｇ Ｃ ｌ ｇ Ｇ ｉａ ｇ ５ ０ ０ ） ｕ ｙ ｎ ｏｌ ｅ ｅ ｕ ｙ ｎ ５ ０ ５
Ａｂ ｔ ｃ ： ｙ ｅ ｈ ｓｃ ｌ ｙ ｔｍ （ Ｓ ｉ ｈ ｎ ｘ ｇ ｎ ｒｔｏ ｎ ｅｌｇ ｎ ｙ ｔｍ ｓｒ ｔ Ｃ ｂ ｒ ｐ ｙ ｉａ ｓ ｓｅ ＣＰ ） ｓ ｔ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅ ａｉｎ ｉ ｔｌｉｅ ｔ ｓ ｓｅ ｗｈ ｃ ｓ ｎｅ ｒ ｔｄ ｗｉｈ ｏ ｕ ａｉｎ，ｏ ａ ｉｈ ｉ ｉｔ ｇ ａｅ ｔ ｃｍｐ ｔｔｏ ｃｍｍ
・
学 术论 坛 ・
信息物理 系统（ｙ ｅ ｈ ｓ ａ ｙ ｔｍ ） ｃｂ ｒｐ ｙｉ ｌｓｓｅ ｓ及其对 网络 ｃ 科学研究 的影 响
周海 平
（ 阳学院计算机科 学 系 贵 州贵 阳 ５ ０ ０ ） 贵 ５ ０ ５
摘 要 ： 息物理 系统（ ｂｒ ｐｙｉ ｌｓｓ ｍ ， 信 ｃ ｅ ｈｓ ａ ｙｔ ｓ 简称Ｃ Ｓ是 集成 计 算 信 与控 制 于一体 的下一 代智 能 系统 。 系统 由于存 ｙ ｃ ｅ Ｐ） 通 该 在 巨大 的应 用前景 而 日益收 到人 们 的关 注 。 文对介 绍 了 Ｐ 的特 点 ， 对Ｃ Ｓｉ 的机 遇 和挑 战进 行 了 讨 ， 后指 出 了 Ｐ 本 ＣＳ 并 Ｐ ｄ临 ） 探 最 ＣＳ
信息物理系统
机遇与挑战
• 但CPS带来的挑战也是物联网 所无法比拟的。这些挑战很大 程度上来自控制与计算之间的 差异。
机遇与挑战
• 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。通俗 地说，搞控制的人和搞计算 机的人没有“共同语言”。 这种差异将给计算机科学和 应用带来基础性的变革。
CPS应用覆盖了小到智能家庭 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，这 种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连 在一起，而是要催生出众多具有计算、 通信、控制、协同和自治能力的设备。 因此CPS的发展将面临着巨大的挑战， 但机遇也是无限的。
目前，国内从事CPS研究的机构 不多，其中西北工业大学，大连理工 大学，电子科技大学等高校先后成立 了CPS研究组。
CPS深度结合嵌入式实时系统， 集传感，控制，计算及网络技术于一 体，通过网络将信息系统与物理系统 连接在一起，构成一种大型的分布式 实时系统。CPS体系架构可分为：感 知层，网络层，认知层，控制层。
CPS发展
• 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。
CPS发展
• 在资助CPS研究上扮演重要角 色的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。”NSF计算机与信息科学 和工程总监Branicky表示。
cps
连接人物体和系统
CPS定义
• 信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)作为计算进程 和物理进程的统一体，是集成 计算、通信与控制于一体的下 一代智能系统。信息物理系统 通过人机交互接口实现和物理 进程的交互，使用网络化空间 以远程的、可靠的、实时的、 安全的、协作的方式操控一个 物理实体。
信息物理系统CPS简介及应用领域探索
信息物理系统（CPS）简介及应用领域探索概述：信息物理系统（（CPS）是指由计算机科学和工程学领域的计算、网络和软件技术与物理学科的传感、控制和嵌入式系统技术相融合的一种新型智能系统。
它将物理系统与信息系统相融合，通过实时感知、分析和响应环境的物理状态来实现智能化的自适应控制和决策。
CPS不仅仅是传感器和执行器的简单连接，而是将各个组件通过网络连接起来，并且通过数据交互来实现互联互通。
应用领域：CPS技术在多个领域都具有广泛应用的潜力。
其中最重要的应用领域之一是智能交通系统。
CPS可以通过实时感知和分析交通状态、优化路线和调整信号灯等方式，提高交通效率、减少交通拥堵。
另一个重要的应用领域是智能制造系统。
CPS 可以实现生产线的自动化和智能化控制，通过实时传感器数据监测和分析，对生产过程进行优化和调整，提高生产效率和产品质量。
此外，CPS还被广泛应用于智能家居、智能健康监测和医疗系统等领域。
挑战与展望：在CPS技术的发展与应用过程中，仍然面临一些挑战。
首先是安全性和隐私保护的问题。
CPS的各个组件都通过网络连接，这给系统的安全性带来了新的挑战。
另外，CPS中涉及到大量的数据收集和处理，如何保护用户的隐私也是一个重要问题。
其次，CPS的复杂性也是一个难以克服的挑战。
CPS涉及到多个学科的交叉，系统的设计和组件的集成非常繁琐和复杂。
然而，CPS技术仍然具有广阔的应用前景。
随着物联网技术的快速发展，CPS将会在更多领域实现应用，从交通、制造到医疗、农业等多个领域都将受益于CPS的智能化控制和决策。
通过CPS的应用，可以实现资源的合理利用、提高生产效率、改善生活质量等目标。
结论：信息物理系统（（CPS）的出现将物理系统与信息系统相融合，通过实时感知、分析和响应环境的物理状态来实现智能化的自适应控制和决策。
CPS的应用领域广泛，涵盖了交通、制造、家居、健康监测等多个领域。
尽管面临一些挑战，CPS技术仍然具有广阔的应用前景，将为我们的生活和工作带来巨大的变革。
《信息物理系统》PPT课件(47页)
《信息物理系统》PPT课件(47页)第一部分：信息物理系统的概述信息物理系统（CyberPhysical Systems, CPS）是将物理过程与计算过程紧密结合的系统，通过感知、计算、通信、控制等技术实现物理世界与信息世界的深度融合。
CPS具有实时性、可靠性、安全性和可扩展性等特点，广泛应用于工业自动化、智能交通、智慧城市、医疗健康等领域。
1. 信息物理系统的定义与特点实时性：CPS能够实时感知物理过程的状态，并做出快速响应。
可靠性：CPS能够保证系统的稳定性和可靠性，即使在异常情况下也能正常运行。
安全性：CPS能够保证系统的安全性，防止恶意攻击和信息泄露。
可扩展性：CPS能够方便地扩展系统的规模和功能，满足不断变化的需求。
2. 信息物理系统的组成物理实体：物理实体是CPS中实际执行任务的物理设备，如传感器、执行器、机器等。
计算系统：计算系统是CPS中负责数据处理、信息融合、决策控制等功能的计算设备，如计算机、嵌入式系统等。
通信网络：通信网络是CPS中连接物理实体和计算系统的通信设备，如无线传感器网络、工业以太网等。
软件系统：软件系统是CPS中负责实现各种功能的软件程序，如操作系统、应用程序、中间件等。
3. 信息物理系统的关键技术信息物理系统的实现需要依赖于多种关键技术，包括：传感器技术：传感器技术用于感知物理世界的信息，并将信息转换为数字信号。
嵌入式系统技术：嵌入式系统技术用于实现CPS中的计算和控制功能。
网络通信技术：网络通信技术用于实现CPS中物理实体和计算系统之间的信息交换。
软件技术：软件技术用于实现CPS中的各种功能和应用。
4. 信息物理系统的应用领域信息物理系统已经在多个领域得到了广泛应用，例如：工业自动化：CPS可以提高工业生产的自动化水平和效率，降低生产成本。
智能交通：CPS可以实现交通流的实时监控和智能调度，提高交通效率和安全性。
智慧城市：CPS可以实现城市基础设施的智能化管理，提高城市运行效率和居民生活质量。
信息物理系统
•
21世纪是信息产业突飞
猛进的时代，层出不穷的技术
突破与创新正不断地改变着人
类的生态环境。互联网技术改
变了人类通信和管理信息的方
式；信息技术使人类管理物理
环境的方式改变；物联网技术
让人类主动地全方面感知，实
现智慧的感知生活；信息物理
系统技术在环境感知的基础上
实现人、机、物的互联与深度
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
CPS发展
• 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。5个月 后，基于此项研究的报告
《站在风暴之上》问世。在 此基础上于2006年2月发布 的《美国竞争力计划》则将
• 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都是工业控制总 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。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
CPS的意义
• CPS的意义在于将物理设备联 网，是连接到互联网上，让物 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。CPS则把 通信放在与计算和控制同等地 位上，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。
信息物理系统
信息物理系统信息物理系统是指将信息技术和物理技术相结合的系统。
在信息物理系统中，信息和物理过程相互交互、影响并共同决定系统的行为和性能。
这种系统在现代科技中得到广泛应用，从智能家居到智能交通系统，都离不开信息物理系统的支持和应用。
信息物理系统的基本原理信息物理系统的基本原理是将传感器、控制器和执行器集成在一起，通过传感器采集环境中的信息，通过控制器进行信息处理和决策，再通过执行器实现控制目标。
这种系统能够通过不断获取和处理信息，实现对环境的感知和控制。
信息物理系统的设计需要充分考虑信息处理和物理控制之间的协作。
其中信息处理涉及到数据采集、传输、存储和分析等，而物理控制则是通过执行器对系统进行干预和控制。
两者之间的协作需要设计合理的通信机制和控制算法，以确保系统的稳定性和效率。
信息物理系统的应用领域信息物理系统在各个领域都有着重要的应用。
在智能家居领域，信息物理系统可以实现对家庭设备的监控和控制，实现智能化的家居生活；在工业自动化领域，信息物理系统可以实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和质量；在农业领域，信息物理系统可以实现对农作物生长环境的监控和管理，提高农业生产的效益。
智能交通系统智能交通系统是信息物理系统在城市交通管理中的应用典范。
通过在城市各个关键节点部署传感器、摄像头等设备，信息物理系统可以采集交通流量、车辆位置等信息，再通过集中控制中心进行信息处理和决策，最终实现对交通信号灯、路况指示等的智能控制和调度，提高交通效率和减少交通拥堵。
信息物理系统在智能交通系统中的应用为城市交通管理带来了全新的可能性，使得交通管理更加精准、高效。
通过实时监测和控制，系统可以根据实际交通情况进行动态调整，提高路网的通行能力和整体交通效率。
结语信息物理系统作为信息技术和物理技术的结合，为现代社会的各个领域带来了巨大的变革和提升。
在未来，随着技术的不断发展，信息物理系统将继续发挥着重要的作用，为人类创造更加智能、便捷的生活环境和工作方式。
信息物理系统名词解释
信息物理系统是指将信息处理与物理过程相结合的系统。
它融合了信息科学和物理科学的原理和方法，旨在通过信息的感知、处理和控制来实现对物理系统的智能化管理和优化。
在信息物理系统中，物理实体与信息处理、通信和决策相互耦合，形成一个紧密集成的整体。
这些系统可以是智能交通系统、智能电网、智能制造系统、智能建筑等，涵盖了多个领域。
信息物理系统的关键特点包括以下几个方面：
1. 多学科交叉：信息物理系统需要结合信息科学、计算机科学、物理学、工程学等多个学科的知识和技术，形成跨学科的研究和应用。
2. 感知与控制：信息物理系统通过感知环境的物理参数和状态，利用信息处理和决策算法实现对系统的智能化控制和优化。
3. 实时性和可靠性：信息物理系统通常需要对实时的物理数据进行快速处理和响应，同时要求系统具备高可靠性，确保对物理过程的准确感知和有效控制。
4. 大数据和人工智能：信息物理系统面临海量的物理数据和信息流，需要借助大数据技术和人工智能方法来进行数据分析、模型建立和决策支持。
信息物理系统的应用领域广泛，包括智能交通、智能能源、智能制造、智能医疗、智能城市等。
通过信息物理系统的建立和应用，可以提高系统的效率、安全性和可持续性，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述 5.1.2 信息物理系统的特征
1.海量运算
海量运算是信息物理系统接入设备的基本特征，因此接入设备通常具 有强大的计算能力。从计算性能的角度出发，一些高端的信息物理系统应 用要求较高的计算能力，物联网中的终端设备不具备控制和自治能力，通 信大都发生在终端设备与服务器之间，终端设备之间无法进行协同，因此 物联网可以看作信息物理系统的一种简约应用。在物联网中，采用短距离 通信技术（如蓝牙）或远距离通信技术（如NB-IoT）实现终端设备和平 台之间的通信。
3 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 2.感知
5.1 信息物理系统概述
感知在信息物理系统中十分重要。自然界中物理量的变化基本上是连 续的，是模拟量，而信息空间数据则具有离散性的特征。从物理空间到信 息空间的信息流转，首先必须通过传感器将物理量转换成模拟量，再通过 A/D（模拟/数字）转换器转换成数字量，成为信息空间所能识别的数据 格式。基于此，传感器网络也可作为信息物理系统的组成部分。
5 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 4. 软件定义
5.1 信息物理系统概述
软件正和芯片、传感与控制设备等一起对传统的网络、存储、设备等 进行定义，并正在从IT领域向工业领域延伸。工业软件对各类工业生产环 节规律进行代码化，支撑了绝大多数的生产制造过程。作为面向制造业 的信息物理系统，软件就成了实现信息物理系统功能的核心载体之一。 从生产流程的角度看，信息物理系统会全面应用到研发设计、生产制造、 管理服务等方方面面，通过对人、机、物、法、环全面的感知和控制， 实现各类资源的优化配置。这一过程需要依靠对工业技术模块化、代码 化、数字化并不断软件化来被广泛利用。从产品装备的角度看，一些产 品和装备本身就是信息物理系统。软件不但可以控制产品和装备运行， 而且可以把产品和装备运行的状态实时展现出来，通过分析、优化，作 用到产品、装备的运行，甚至是设计环节，实现迭代优化。
6 of 31
5.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述
5.1.2 信息物理系统的特征
5. 泛在连接
网络通信是信息物理系统的基础保障，能够实现信息物理系统内部 单元之间及与其他信息物理系统之间的互联互通。应用到工业生产场景 时，信息物理系统对网络连接的时延、可靠性等网络性能和组网灵活性、 功耗都有特殊要求，还必须解决异构网络融合、业务支撑的高效性和智 能性等挑战。随着无线宽带、射频识别、信息传感及网络业务等信息通 信技术的发展，网络通信将会更加全面深入地融合信息空间与物理空间， 表现出明显的泛在连接特征，实现任何时间、任何地点、任何人、任何 物都能顺畅通信。构成信息物理系统的各器件、模块、单元、企业等实 体都要具备泛在连接能力，并实现跨网络、跨行业、异构多技术的融合 与协同，从而保障数据在系统内的自由流动。泛在连接通过对物理世界 状态的实时采集、传输，以及信息世界控制指令的实时反馈下达，提供 无处不在的优化决策和智能服务。
7 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 6. 虚实映射
5.1 信息物理系统概述
信息物理系统构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够 实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。其以物理实体建模产生的静 态模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实 体的工作状态和工作进展（如采集测量结果、追溯信息等），将物理空 间中的物理实体在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决 策、执行能力的数字孪生（也称为数字化映射、数字镜像、数字双胞 胎）；同时借助信息空间对数据综合分析处理的能力，形成对外部复杂 环境变化的有效决策，并通过虚控实的方式作用到物理实体。在这一过 程中，物理实体与信息虚体之间交互联动，虚实映射，共同作用提升资 源优化配置效率。
4 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 3. 数据驱动
5.1 信息物理系统概述
数据存在于生产制造的各领域，大量的数据是隐性的，没有被充分 利用并发挥其价值。信息物理系统通过构建“状态感知—实时分析—科 学决策—精准执行”的数据自动流转闭环赋能体系，将数据从物理空间 中的隐性形态转换为信息空间的显性形态，并不断迭代优化，形成知识 库。在此过程中，状态感知的结果、实时分析的对象、科学决策的基础 及精准执行的输出都是数据。因此，数据是信息物理系统的核心所在， 数据在自动生成、自动流转、自动分析、自动执行及不断迭代优化中累 积，不断产生更为优化的数据，实现对外部环境的资源优化配置。
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述 5.2 信息物理系统的实现 5.3 研究展望 5.4 案例 5.5 实验 习题
1 of 31
5.1 信息物理系统概述 5.1.1信息物理系统的概念
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述
信息物理系统是集计算、通信与控制于一体的智能系统，信息物理系 统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，通过网络空间以远程的、可 靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。在实际应用中， 信息物理系统是构建网络空间与物理空间之间基于数据自动流转的状态感 知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环系统，可以解决生产制造、应 用过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化， 提高生产效率，提升产能。其中，状态感知通过传感器感知系统中设备的 运行状态，实时分析通过软件系统实现数据可视化，科学决策通过大数据 平台实现异构系统数据的流转并以数据支撑决策，精准执行通过控制器、 执行器等硬件实现对决策的响应，这些功能的实现依赖于一个实时、可靠、 安全的网络。人们把这一闭环系统概括为“一硬”（感知和自动控制）、 “一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和 智能服务平台）。