從祖國轉錄之博客文
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信息物理系統(cyber physical systems,簡稱CPS)作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控
制於一體的下一代智能系統。信息物理系統通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間以遠程
的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控一個物理實體。
信息物理系統包含了將來無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系
統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。它注重計算資源與物理資源的緊密結合與協調，主要用
於一些智能系統上如機器人，智能導航等。目前，信息物理系統還是一個比較新的研究領域。
CPS：讓地球互聯起來
2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，並提出維持和提高這種競爭力的建議。5個
月後，基於此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上於2006年2 月發佈的《美國競爭力計劃》則將
信息物理系統（Cyber Physics System，CPS）列為重要的研究項目。到了2007年7月，美國總統科學技術顧問
委員會（PCAST）在題為《挑戰下的領先——競爭世界中的信息技術研發》的報告中列出了8大關鍵的信息技
術，其中CPS位列首位，其餘分別是軟件，數據、數據存儲與數據流，網絡，高端計算，網絡與信息安全，人
機界面，NIT與社會科學。
CPS的意義在於將物理設備聯網，特別是連接到互聯網上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠
程協調和自治等五大功能。本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別於現有的控制系統。控制
對於我們並不陌生。從二十世紀40年代麻省理工學院發明了數控技術到如今基於嵌入式計算系統的工業控制系
統遍地開花，工業自動化早已成熟，基本是在人們日常居家生活中，各種家電具有控制功能。但是，這些控制
系統基本是封閉的系統，即便其中一些工控應用網絡也具有聯網和通信的功能，但其工控網絡內部總線大都使
用的都是工業控制總線，網絡內部各個獨立的子系統或者說設備難以通過開放總線或者互聯網進行互聯，而
且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調的分佈式應用系統中
物理設備之間的協調是離不開通信的。CPS對網絡內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數
量，特別是網絡規模上遠遠超過現有的工控網絡。在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學基金會
（NSF）認為，CPS將讓整個世界互聯起來。如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世
界的互動。
CPS：通吃物聯網？
當人們還陶醉在物聯網能夠把物與物連在一起時，沒想到CPS又冒了出來，而物聯網所擅長的基於RFID的
連接，對於CPS來說太過簡單。在很多應用中，CPS對接入網絡的設備的計算能力的要求遠非RFID能比。以基於
CPS的智能交通系統為例，即便是現有的人們認為已經十分複雜的汽車電子系統也無法勝任，現在的汽車電子
系統根本無法實現未來智能交通系統對汽車之間的協同能力的要求。事實上，滿足CPS要求的汽車電子系統的
計算通常都是海量運算，就算現有的汽車電子系統中的嵌入式計算機的性能也相差甚遠。海量運算往往是很多
CPS接入設備的特徵，因此，接入設備通常具有強大的計算能力。如果從計算性能的角度出發，把一些高端的
CPS 應用比作胖客戶機/服務器架構的話，那麼物網則可視為超級瘦客戶機服務器，因為物聯網中的物品不具
備控制和自治能力，通信也大都發生在物品與服務器之間，因此物品之間無法進行協同。
實際上，CPS並不排斥物聯網。應該說，物聯網是CPS的一種簡約應用，或者說，CPS讓物聯網的定義和概
念明晰起來。物聯網其實就是以物流領域為主的應用。物與物之間的互聯無非「各報家門」知道對方「何許人
也」這麼簡單。CPS中的物理設備指的是自然界中的客體，因此不僅指的是冷冰冰的設備，而且還包括活生生
的生物。現有互聯網的邊界是各種終端設備，人們與互聯網之間是通過這些終端來進行信息交換的。而在CPS
中，人則成為CPS網絡的「接入設備」，這種信息的交互可能是通過芯片與人的神經系統直接互聯實現的。針
對本文開頭所說的情形，我們甚至可以做這樣的假設，當智能交通系統感知到高速行駛的汽車與將要穿越馬路
的行人之間存在發生碰撞的機會，通常的做法是系統讓汽車來個急剎車，或者告訴行人「留步」，而更直接的
方法是通過腦-機接口Brain Machine Interface）讓人「不走腦袋」地或者無須思考就來個「立定」，從而避
開事故的發生。
儘管在物聯網中也有把RIFD芯片嵌入到人體中，但本質上還是RFID與讀寫器之間的通信，人並沒有介入其
中。感知在CPS中十分重要。眾所周知，自然界中各種物理量的變化絕大多數是連續的，或者說是模擬的，而
信息空間則充斥著離散量，或者說數字的。那麼從物理空間到信息空間的信息流動，首先必須通過各種類型的
傳感器將各種物理量轉變成模擬量，再通過模擬/數字轉換器變成數字量，從而為信息空間所接受。從這個意
義上說，傳感器網絡也可視為CPS的一部分。
CPS：機遇與挑戰
如果物聯網的市場規模像人們說所的有上萬億元，那麼，CPS的市場規模則難以計數，因為CPS涵蓋了小到
智能家庭網絡大到工業控制系統乃至智能交通系統等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋並不
僅僅是比如說將現有的家電簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設
備。 下一代工業將建立在CPS之上，隨著CPS技術的發展和普及，使用計算機和網絡實現功能擴展的物理設備
無處不在，並將推動工業產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業自動化、健康/醫
療設備、重大基礎設施等主要工業領域的競爭力。CPS不僅會催生出新的工業，甚至會重新排列現有產業佈
局。
儘管CPS前景無限，但其帶來的挑戰也是物聯網所無法比擬的。這些挑戰很大程度上來自控制與計算之間
的差異。通常，控制領域是通過微分方程和連續的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數學的基礎上；
控制對時間和空間都十分敏感，而計算則只關心功能的實現。通俗地說，搞控制的人和搞計算機的人沒有「共
同語言」。這種差異將給計算機科學和應用帶來基礎性的變革。
在國外，CPS的聲音很強勁，歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統的先進研究與技術（ARTMEIS）
上投入54億歐元（超過70億美元），以其在2016年成為智能電子系統的世界領袖。而在國內。CPS早已淹沒在
物聯網的喧嘩之中，而實際上，國外同行起步也只有兩三年的光景，我們為時並不晚。
複雜網絡在CPS中的應用
複雜網絡在經歷了10年的發展之後，目前正向著各個應用領域前進，CPS的出現給複雜網絡領域的研究者帶
來了無限機遇。CPS最大的特點就在於它是由很多具有通信，計算和決策控制功能的設備組成的智能網絡，這
些設備可以通過相互作用使得整個系統處於最佳狀態。例如在機器人足球比賽中，當某個機器人準備傳球時，
它會收集每個同伴的信息，然後通過計算得出一個最佳的傳球方案，並且將該方案傳給所有隊員，讓隊員們配
合這個傳球過程，通過這種方式可以提高整個球隊的水平。該思想同樣可以應用於很多其他的系統，如交通系
統中車輛之間通過通信和計算得出最佳行車路線，並避免各種交通事故；電力系統中各個站點通過信息傳遞從
而動態調整負荷，避免大規模級聯故障等。這些系統的運行其實就是複雜網絡的動力學過程，只不過這些過程
集合了複雜網絡中的信息傳播，同步，博弈等多種動力學過程，因此研究的內容更加複雜，具體的研究內容有
很多，例如系統規則（或協議）的制定，如何制定規則才能使系統在最短的時間內達到最佳狀態，此外還可以
研究各種外界因素是如何影響系統運行的等等。
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初步心得:
感覺不論是CPS還是IOT都很像許多現有技術用新名字整合，不過這篇文章說的有點神就是了(有攻殼世界的影子XD)
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