CPS 信息物理系统



其实要理解三种网络：

1. Sensor Network(传感器网络) consists of distributed autonomous sensors that monitor physical orenvironmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure andto cooperatively pass their data through the network to a main location forfurther processing.

2. Internet of things(物联网) is a wireless network of sensors to interconnect all things in ourdaily life. It can connect any thins at any time and place with low cost. It isgetting popular as the advent of IPv6 protocol.

3. CPS(信息物理系统) merges computation, communication and control into an intelligent closedfeedback system between the physical world and information world. It exploresthe virtual reality applications in the physical world.

传感器网络和物联网的区别：物联网相对于无线传感器网络而言网络拓扑比较固定；物联网中实体之间的网络组织方式也比无线传感器网络多样，可以是无线的，也可是有线的；从处理能上而言，物联网有较强的数据处理能力。其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，无线传感器网络处理能力较弱，其本身不具有智能数据处理的能力，节点只负责收集数据即可；总之，传感网是物联网的一部分。

物联网和信息物理系统的区别：物联网强调物理对象之间的多样化连接，而CPS强调物理世界中虚拟现实应用的开发和研究。

信息-物理融合系统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、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。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领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。

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）的装置无处不在，CPS系统具有巨大的经济影响力。
如家居、交通控制、安全、高级汽车、过程控制。环境控制、关键基础设施控制（电力、灌溉网络、通信系统）、分布式机器人、防御系统、制造业、智能构造、交通系统能够从智能汽车提高安全性和传送效率中有效地获益。家居技术将提高老人护理并有效控制与日俱增的护理花费。减少国家能源依赖。这很难估计ＣＰＳ为未来生活带来的积极地潜在的价值。但我们都知道ＣＰＳ的价值是巨大的。
微观与宏观的ＣＰＳ材料、受控组件、运行中的医疗装置与系统、下一代电网、未来防务系统、下一代汽车、智能高速公路、灵活的机器人主导的制造、下一代航空器、空域与天域管理系统等。美国国防部预先研究局（DARPA）认为：赛博-实物系统（cyber-physical system，CPS）是指这样的系统：其功能中的很大一部分是从软件与机电系统中导出的。事实上，所有的防务系统（如飞机、航天器、海军舰船、地面载具，等等）和系统的系统，都属于CPS。另外，集成电路、MEMS、NEMS……也属于CPS

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知道下的系统。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。
CPS是可能是一个分布式异构系统，他不仅包含了许多功能不同的字系统，而且这些子系统之间结构和功能各异，而且分布在不同的地理范围内。各个子系统之间要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。物理构建和软件构建必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。比如一个超市安防系统，在加入传感器、摄像头、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统或者停机就可以动态升级。CPS应该是一个智能的有自主行为的系统，ＣＰＳ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。

zhizao4.com认为CPS主要是工厂模型，类似于人类的大脑，在工厂中接收所有数据，处理数据，协调生产等。

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机器人，智能导航等。目前，信息物理系统还是一个比较新的研究领域。

CPS：让地球互联起来

    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》则将信息物理系统（Cyber Physics System，CPS）列为重要的研究项目。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8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。

    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。本质上说，CPS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。控制对于我们并不陌生。从二十世纪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，基本是在人们日常居家生活中，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。CPS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。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。

CPS：通吃物联网？

    当人们还陶醉在物联网能够把物与物连在一起时，没想到CPS又冒了出来，而物联网所擅长的基于RFID的连接，对于CPS来说太过简单。在很多应用中，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求远非RFID能比。以基于CPS的智能交通系统为例，即便是现有的人们认为已经十分复杂的汽车电子系统也无法胜任，现在的汽车电子系统根本无法实现未来智能交通系统对汽车之间的协同能力的要求。事实上，满足CPS要求的汽车电子系统的计算通常都是海量运算，就算现有的汽车电子系统中的嵌入式计算机的性能也相差甚远。海量运算往往是很多CPS接入设备的特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。如果从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物网则可视为超级瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。

    实际上，CPS并不排斥物联网。应该说，物联网是CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。物联网其实就是以物流领域为主的应用。物与物之间的互联无非“各报家门”知道对方“何许人也”这么简单。CPS中的物理设备指的是自然界中的客体，因此不仅指的是冷冰冰的设备，而且还包括活生生的生物。现有互联网的边界是各种终端设备，人们与互联网之间是通过这些终端来进行信息交换的。而在CPS中，人则成为CPS网络的“接入设备”，这种信息的交互可能是通过芯片与人的神经系统直接互联实现的。针对本文开头所说的情形，我们甚至可以做这样的假设，当智能交通系统感知到高速行驶的汽车与将要穿越马路的行人之间存在发生碰撞的机会，通常的做法是系统让汽车来个急刹车，或者告诉行人“留步”，而更直接的方法是通过脑-机接口Brain Machine Interface）让人“不走脑袋”地或者无须思考就来个“立定”，从而避开事故的发生。

    尽管在物联网中也有把RIFD芯片嵌入到人体中，但本质上还是RFID与读写器之间的通信，人并没有介入其中。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，而信息空间则充斥着离散量，或者说数字的。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，从而为信息空间所接受。从这个意义上说，传感器网络也可视为CPS的一部分。
   
CPS：机遇与挑战
    
    如果物联网的市场规模像人们说所的有上万亿元，那么，CPS的市场规模则难以计数，因为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比如说将现有的家电简单地连在一起，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。

    尽管CPS前景无限，但其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。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。
    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先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。而在国内。CPS早已淹没在物联网的喧哗之中，而实际上，国外同行起步也只有两三年的光景，我们为时并不晚。

复杂网络在CPS中的应用

   复杂网络在经历了10年的发展之后，目前正向着各个应用领域前进，CPS的出现给复杂网络领域的研究者带来了无限机遇。CPS最大的特点就在于它是由很多具有通信，计算和决策控制功能的设备组成的智能网络，这些设备可以通过相互作用使得整个系统处于最佳状态。例如在机器人足球比赛中，当某个机器人准备传球时，它会收集每个同伴的信息，然后通过计算得出一个最佳的传球方案，并且将该方案传给所有队员，让队员们配合这个传球过程，通过这种方式可以提高整个球队的水平。该思想同样可以应用于很多其他的系统，如交通系统中车辆之间通过通信和计算得出最佳行车路线，并避免各种交通事故；电力系统中各个站点通过信息传递从而动态调整负荷，避免大规模级联故障等。这些系统的运行其实就是复杂网络的动力学过程，只不过这些过程集合了复杂网络中的信息传播，同步，博弈等多种动力学过程，因此研究的内容更加复杂，具体的研究内容有很多，例如系统规则（或协议）的制定，如何制定规则才能使系统在最短的时间内达到最佳状态，此外还可以研究各种外界因素是如何影响系统运行的等等。