信息物理系统概述

０ 引 言
２０ ０ ５年 ５月 ， 国 国会 要 求 美 国科 学 院评 估美 美 国 的技术 竞 争力 ， 提 出 维持 和提 高 这 种 竞 争 力 的 并
在 环境 感知 的 基 础 上 ， 度 融 合 计 算 、 信 和 控 制 深 通 能 力 的可控 、 可信 、 扩 展 的 网络 化 物 理 设 备 系 统 ， 可 它 通过计 算 进 程 和 物 理 进 程 相 互 影 响 的反 馈 循 环
不仅 已成 为 国 内 外 学术 界 和 科 技 界 研 究 开 发 的重
信息技术研发》 的报告 中列 出了 ８ 大关键的信 息技 术 ， 中 Ｃ Ｓ 于首位 ， 其 Ｐ列 其余 分别是软件 ， 据 、 数 数
据 存储 与 数 据 流 ， 网络 ， 端 计 算 ， 络 与 信 息 安 高 网
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
品之 间 无 法 进 行 协 同 。在 物 联 网 中 主 要 是 通 过
ＲＩ ＦＤ与读 写器 之 间的通信 ， 人并 没有介 入其 中。感
知在 Ｃ Ｓ中十 分重 要 。众所 周 知 ， Ｐ 自然 界 中各种 物
理量 的变 化绝 大 多 数 是 连 续 的 ， 者 说 是 模 拟 的 ， 或
工作 。
系统 之 间要 通 过 有 线 或 无 线 的 通 信 方 式 相 互 协 调
Ｃ Ｓ 有 自适应 性 、 Ｐ具 自主性 、 高效 性 、 功能性 、 可
靠性 、 全性 等特 点 和要 求 。物 理 构建 和 软 件 构建 安
必须 能够 在不关 机 或停 机 的状 态下 动 态 加 入 系统 ，
２ Ｃ Ｓ与物 联 网 的关 系 Ｐ
备之间的协调是离不开通信的。Ｃ Ｓ Ｐ 在对网络 内部
设 备 的远程 协 调 能 力 、 自治 能 力 、 制 对 象 的种 类 控
和数量 ， 别 是 网 络 规 模 上 远 远 超 过 现 有 的 工 控 特 网络 。
１ ２ Ｃ Ｓ基 本特 征 ． Ｐ
１ ３ Ｃ Ｓ属 性 ． Ｐ
Ｃ Ｓ是 物理过 程 和 计算 过 程 的集 成 系 统 ， 人 Ｐ 是
类通 过 Ｃ Ｓ系统 包 含 的数 字 世 界 和 机 械 设 备 与 物 Ｐ
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 ， 作 用 的客 体 包 而
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
客户机 服务器 架构 的话 ， 么 物联 网则 可视 为 瘦 客 那
海 量运算 是 Ｃ Ｓ接 人 设 备 的普 遍 特 征 ， Ｐ 因此 ， 接 入设 备通 常具 有强大 的计算 能力 。Ｃ Ｓ系统 把计 Ｐ
户机 服务器 ， 为物联 网 中 的物 品不 具 备控 制 和 自 因
治能力 ， 信 也 大 都 发 生 在 物 品 与服 务 器 之 间 ， 通 物
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 。
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 ， 且 ， 信 的功 能 比较 而 通 弱 。而 Ｃ Ｓ则把 通 信 放 在 与 计 算 和 控 制 同 等地 位 Ｐ
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 ， 而 为 信 息 空 间所 接 受 。 从
广泛应用， 使得我们很难估计 Ｃ Ｓ Ｐ 为未来生活带来
从 这个 意 义上说 ， 感 器 网络 也可 视 为 Ｃ Ｓ的一 部 传 Ｐ
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
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 、 征 ， 对 其 未 来的 发 展 给 予 了展 望 。 特 并 关 键 词 ： Ｐ ； 境 感 知 ； 量 运 算 ； 入 式 智 能 Ｃ Ｓ环 海 嵌
１ Ｃ Ｓ概 念 及 特 征 Ｐ
１ １ Ｃ Ｓ基 本概 念 ． Ｐ 信 息 物 理 系 统 （ ｙ ｅ ｐ ｙｉ ｌ ｙｔｍｓ Ｃ Ｓ 是 ｃ ｂｒ ｈ ｓ ａ ｓｓ ｃ ｅ ，Ｐ ）
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 ， 种 涵 盖 并 不仅 这
仅是将现有的设备 简单地连在一起 ， 而是要 催生出
收 稿 日期 ： １—６２ ２ １０ —４ ０
众多具有 计算 、 信 、 通 控制 、 同和 自治 性能 的设 协
一
５ｌ 一
备 。下一 代工 业将 建立 在 Ｃ Ｓ之 上 ， Ｐ 随着 Ｃ Ｓ技 术 Ｐ 的发展 和普及 ， 用计 算 机 和 网络实 现 功 能 扩展 的 使 物 理设 备无处 不 在 ， 并将 推 动 工 业 产 品 和技 术 的升 级 换代 ， 大 地 提 高 国 家 在 汽 车 、 空航 天 、 防 、 极 航 国 工 业 自动化 、 康／ 健 医疗 设 备 、 大基 础 设 施 等 主要 重 工业领 域 的竞 争 力 。Ｃ Ｓ不 仅 会 催 生 出 新 的工 业 ， Ｐ 甚至会 重新 排列 现有 产业 布局 。 从 基础 科学 问 题 来 看 ， 管 Ｃ Ｓ前 景 无 限 ， 尽 Ｐ 但 挑战也 是 巨大 的 。通 常 ， 制领 域 是 通 过微 分 方 程 控 和连续 的边 界条 件 来处 理 问题 ， 计 算 则建 立 在 离 而 散数学 的基 础 上 ； 制对 时 间 和 空 间 都 十分 敏 感 ， 控 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 ２ 纪 ４ Ｏ世 ０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 ， 业 自动 化 早 已成 熟 ， 在 人 们 日 工 其
同时保证 满 足 系 统需 求 和 服 务 质 量 。 比如 一 个 超
常居家生 活 中， 得各种 家 电具 有 控制功 能。但 使
是， 这些 控制 系统 基 本 是 封 闭 的系 统 ， 便 其 中一 即
市 安 防系统 ， 在加 入传 感 器 、 像 头 、 摄 监视 器 等 物 理
节 点或者 进 行 软 件 升 级 的过 程 中不 需 关 掉 整 个 系
括真 实世界 的 各 方 面 ： 自然 环 境 、 筑 、 器 ， 时 建 机 同 也包 括人类 自身 等 。
Ｃ Ｓ 能是 一个 分 布 式 异构 系统 ， Ｐ可 它不 仅 包 含
了许 多功 能不 同的子 系统 ， 且 这些 子 系 统 之 间结 而
构 和功能各 异 ， 布在 不 同的地 理 范 围 内。各 个 子 分
ห้องสมุดไป่ตู้
要方 向 ， 计也 将 成 为 企 业 界优 先 发 展 的产 业 。开 预 展 Ｃ Ｓ研究 与 应 用 对 于 推 进 我 国 工业 化 与 信 息 化 Ｐ 融合 具有 重要 意义 。
从 产业 角度 看 ， Ｐ Ｃ Ｓ涵盖 了小 到智 能 家庭 网络 ，
互 动一样 ， Ｐ 将 会 改变 我们 与物 理世 界 的互 动 。 ＣＳ
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
全 ， 机界 面 ， Ｉ 人 Ｎ Ｔ与社会 科 学 。
Ｃ Ｓ的意 义在 于 将 物 理 设 备 联 网 ， 别 是 连 接 Ｐ 特 到互 联 网上 ， 得 物 理设 备 具 有 计 算 、 信 、 确 控 使 通 精
制、 远程 协 调 和 自治 等 五 大 功 能 。 Ｃ Ｓ本 质 上 是 一 Ｐ 个 具有 控 制属性 的 网络 ， 它 又 有 别 于 现有 的控 制 但 系统 。美 国 国家 科 学 基 金 会 （ Ｓ ） 为 ， Ｐ ＮＦ 认 Ｃ Ｓ将 让 整个 世 界 互 联 起 来 。如 同互 联 网 改 变 了人 与 人 的
实 现深 度融 合 和实 时 交 互来 增 加 或 扩 展 新 的功 能 ，
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 ２０ ０ ６年 ２月发 布 的《 国竞 争 美 力 计 划》 将信 息 物 理 系 统 （ Ｐ ） 为 重要 的研 究 则 ＣＳ列 项 目。２ ０ ０７年 ７月 ， 国 总统 科学 技 术 顾 问委 员会 美 （ＣＳ ） Ｐ Ａ Ｔ 在题 为 《 战 下 的领 先— — 竞 争 世界 中 的 挑
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ —８ ４ ２ １ ．４ ０ ３ ：０ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ １ ２ ．０ ０ ． １ ｓ ３ １
信 息 物 理 系统 概 述
张 若庚 高 宇 ，
（． １ 辽宁沈阳炮 兵学 院 自行火炮指挥系 ， 沈阳 １０ ６ ２ 江苏省邮电规划设计院有限公 司 北京分公司 ， １ １２；． 北京 １０ ６ ） ０ ０ ８
以安全 、 靠 、 可 高效 和 实 时 的方 式 检 测 或 者 控 制 一
个 物理 实体 。
Ｃ Ｓ是 一个综 合 计 算 、 络 和 物 理 环境 的 多 维 Ｐ 网
复杂 系统 ， 过 ３ （ｏ ｐ ｔｉ ，ｏ ｕ ｉ ｔ ｎ ｃｎ 通 Ｃ ｃｍ ｕａｏ ｃｍｍ ｎｃ ｉ ，ｏ— ｔｎ ａｏ ｔ １技术 的有机 融 合 与深 度 协作 ， 现 大 型工 程 系 ｒ） ｏ 实 统 的实 时感 知 、 态 控 制 和信 息 服 务 。Ｃ Ｓ实 现计 动 Ｐ 算、 通信 与 物 理 系 统 的一 体 化设 计 ， 可使 系 统 更 加 可靠 、 效 、 时 协 同 ， 有 重 要 而 广 泛 的 应 用 前 高 实 具 景 。Ｃ Ｓ无处 不在 的环境感 知 、 入 式计 算 、 Ｐ 嵌 网络通 信 和 网络 控 制 等 系 统 工 程 ， 物 理 系统 具 有 计 算 、 使 通信 、 确 控 制 、 程 协 作 和 自治 功 能 。它 注 重 计 精 远 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 ， 机 器 人 、 能 导 航 等 。 近 年 来 ， Ｐ 如 智 ＣＳ