从感知到感控 CPS人机物的深度融合

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。Internet技术改变了人类通信和管理信息的方式;IT技术使人类管理物理环境的方式取得改变;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;而如今CPS新技术在环境感知的基础上实现人、机、物的互联互通与深度融合。CPS与物联网的自然衔接,将彻底改变人类的生存方式,使人类真正地进入智能星球时代。因此在发展物联网的同时,还应当强调对CPS技术的研究。

CPS系统的定义与特点

CPS(Cyber Physical Systems)中文译为信息物理融合系统,是一个综合计算、网络和物理环境的复杂系统,通过3C技术——即计算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)——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。通过计算、通信与物理系统的一体化设计,以使系统更加可靠和高效。

它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。其本质就是以“人-机-物”的融合为目标的计算技术,以实现人的控制在时间、空间等方面的延伸。人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统。

与物联网相比,CPS在物与物互联的基础上,还强调对物的实时、动态的信息控制与信息服务。何积丰院士认为,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、远程协调和自治五大功能。

与软件系统相比,软件系统是一组状态转换的序列,其目标是实现变换数据。而CPS更加注重功能性需求,最终目标是协调物理进程,即实现信息处理和物理控制,强调实时性、可靠性、安全性、私密性、可适应性等。

与嵌入式系统相比,嵌入式系统侧重在处理器上运行,是一种在有限资源环境下的优化技术。CPS是计算与物理成分的集成,相当于嵌入式系统+网络+控制,是嵌入式系统的发展方向和研究热点。CPS将计算和通信能力嵌入到传统的物理系统之中,导致了计算对象的变化。它将计算对象从数字的变为模拟的,从离散的变为连续的,从静态的变为动态的。它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。

CPS系统的发展与挑战

从上述中,我们不难看到,CPS系统的价值与当前炙手可热的物联网一样,具有广阔的应用领域,如可用在智能交通系统、医疗设备系统、能源保护、环境监控、航空航天软件、关键基础设施(电力、水)、普适自适应通信、节能建筑,生物系统等。

何积丰院士在有关会议上指出CPS的重大意义,他认为CPS不仅会催生出新的工业,甚至会重新排列现有产业布局。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。

专家分析都认为,到2020年前后,信息技术将会遭遇到渐进是改进难以持续发展的重大障碍,而在应用当中,新的模式所带来的重大规模的应用技术和集成性技术或者是系统集群技术的突破,CPS技术概念的应用将成为重要突破口。

但是,传统的方法并不能满足CPS系统的开发需求。CPS系统的开发需求包括:输入/输出的内在联系,从执行指令到实现意图,人与系统交互,信息系统的深度嵌入。传统的系统预定I/O 结构,而CPS系统I/O取决于场景;传统系统“执行指令”,CPS系统“实现意图”;传统系统进行信息反馈,CPS系统实现“物理反馈”;传统系统实现闭环控制,CPS系统实现开放控制(与物理系统多层次交互)。

如何突破发展的瓶颈,这就需要我们继续做一些探索性的研究工作,进行技术创新。当然,这种创新不是标新立异,而是以应用需求为原动力,以科学理论为奠基石,理论与实际相结合。

国家科技部高新司副司长杨咸武表示,为了将技术应用造福于社会、造福于人民,我们不能停留在炒概念上,要面向社会发展的需求,利用信息技术真正解决我们现实生产生活中遇到的问题,随着应用量的扩大,应用场景的变化,应用环境的变化又会给技术发展带来推动作用。

CPS系统在中国的进展

在国外,CPS的声音很强劲。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术(ARTMEIS)上投入54亿欧元(超过70亿美元),以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

2008年成立的美国CPS指导小组在《CPS执行概要》中,把CPS应用放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等方面。除此之外,美国国家科学基金会(NSF)和欧洲第七框架(FP7)的大型科研资助计划,都投入了大量经费。

在国内,CPS技术还刚刚兴起,还需较长时间的发展和培育。我国也应与一些发达国家一样,尽力抢占未来信息技术产业先机。何积丰院士表示,CPS技术与物联网技术同样重要。因此在开展物联网开发应用的同时,还应强调对CPS的科学研究。

中国计算机学会嵌入式系统专业委员会副主任、上海嵌入式系统与软件产业联盟秘书长陈章龙认为,可在国民经济与民生相关的一些领域,如数字医疗、智能交通、智能电网等,通过“政产学研”联合,进行CPS技术研发和布局。

目前,上海已在智能交通领域开展类似试点,通过车载信息终端,将汽车电子各个部件的信息实时监视和收集,通过无线通信与后台信息服务系统相连,组成网络化的汽车远程信息服务系统。这不但可以实现车况实时监测、运行状态控制、实时路况动态导航,甚至可以进行车辆故障的在线诊断、远程维护与控制等。