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   “將來有一天，當你邁步準備橫穿馬路時，你的鞋子會提醒你暫時不要過馬路，因為正有一輛汽車高速駛來。”中科院院士何積豐在2009中國計算機大會上做主題演講時表示，“你可能覺得這是天方夜譚，但這確實是美國智能交通系統(tǒng)制定的目標。”

　　早在2001年，記者在微軟中國研究院舉辦的“二十一世紀的計算”大會上曾經(jīng)獨家專訪過來自微軟美國研究院的Lampson，當問及到當前研究的興趣時，這位曾經(jīng)在IT產業(yè)的圣地——施樂PARK實驗室工作的圖靈獎獲得者表示，他正在研究如何讓交通事故造成的死亡率變?yōu)榱?。當時記者覺得這不是一般的不靠譜，畢竟汽車沒有長眼睛，于是也沒有深究下去。

　　隨著近幾年信息物理系統(tǒng)的崛起，這研究卻變得現(xiàn)實起來。

　　CPS：讓地球互聯(lián)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，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上于2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計劃》則將信息物理系統(tǒng)(Cyber Physics System，CPS)列為重要的研究項目。

　　到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術顧問委員會(PCAST)在題為《挑戰(zhàn)下的領先——競爭世界中的信息技術研發(fā)》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡、高端計算、網(wǎng)絡與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。

　　何積豐院士認為，CPS的意義在于將物理設備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)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(wǎng)絡，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

　　控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發(fā)明了數(shù)控技術到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟，其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(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng)，即便其中一些工控應用網(wǎng)絡也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡內部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡內部各個獨立的子系統(tǒng)或者說設備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，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強調的分布式應用系統(tǒng)中物理設備之間的協(xié)調是離不開通信的。

　　CPS在對網(wǎng)絡內部設備的遠程協(xié)調能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)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(lián)起來。“如同互聯(lián)網(wǎng)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。”NSF計算機與信息科學和工程總監(jiān)Branicky表示。

　　CPS：通吃物聯(lián)網(wǎng)?

　　當人們還陶醉在物聯(lián)網(wǎng)能夠把物與物連在一起時，沒想到CPS又冒了出來，而物聯(lián)網(wǎng)所擅長的基于RFID的連接，對于CPS來說太過簡單。在很多應用中，CPS對接入網(wǎng)絡的設備的計算能力的要求遠非RFID能比。以基于CPS的智能交通系統(tǒng)為例，即便是現(xiàn)有的人們認為已經(jīng)十分復雜的汽車電子系統(tǒng)也無法勝任，現(xiàn)在的汽車電子系統(tǒng)根本無法實現(xiàn)未來智能交通系統(tǒng)對汽車之間的協(xié)同能力的要求。事實上，滿足CPS要求的汽車電子系統(tǒng)的計算通常都是海量運算。

　　海量運算往往是很多CPS接入設備的特征，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(fā)，把一些高端的CPS應用比作胖客戶機/服務器架構的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為超級瘦客戶機服務器，因為物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務器之間，因此物品之間無法進行協(xié)同。

　　實際上，CPS并不排斥物聯(lián)網(wǎng)。應該說，物聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種簡約應用，或者說，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來。物聯(lián)網(wǎng)其實就是以物流領域為主的應用。物與物之間的互聯(lián)遠非“各報家門”，知道對方“何許人也”這么簡單。

　　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?，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的邊界是各種終端設備，人們與互聯(lián)網(wǎng)之間是通過這些終端來進行信息交換的。而在CPS中，人成為CPS網(wǎng)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(jīng)系統(tǒng)直接互聯(lián)實現(xiàn)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(tǒng)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(fā)生碰撞的機會時，通常的做法是系統(tǒng)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“不走腦子”就來個“立定”，從而避免事故的發(fā)生。

　　盡管在物聯(lián)網(wǎng)中也有把RIFD芯片嵌入到人體中的情形，但本質上還是RFID與讀寫器之間的通信，人并沒有介入其中。

　　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(shù)是連續(xù)的，或者說是模擬的，而信息空間則充斥著離散量，或者說是數(shù)字的。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(shù)字轉換器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。從這個意義上說，傳感器網(wǎng)絡也可視為CPS的一部分。

　　CPS：機遇與挑戰(zhàn)

　　如果物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模像人們所說的有上萬億元，那么，CPS的市場規(guī)模則難以計數(shù)，因為CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設備。

　　“下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術的發(fā)展和普及，使用計算機和網(wǎng)絡實現(xiàn)功能擴展的物理設備無處不在，并將推動工業(yè)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(yè)自動化、健康/醫(yī)療設備、重大基礎設施等主要工業(yè)領域的競爭力。”何積豐表示，“CPS不僅會催生出新的工業(yè)，甚至會重新排列現(xiàn)有產業(yè)布局。”

　　但CPS帶來的挑戰(zhàn)也是物聯(lián)網(wǎng)所無法比擬的。這些挑戰(zhàn)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(xù)的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數(shù)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(xiàn)。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(tǒng)的研究與技術(ARTMEIS)上投入54億歐元(超過70億美元)，以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領袖。

　　在國內，CPS早已淹沒在物聯(lián)網(wǎng)的喧嘩聲中，而實際上，國外同行起步也只有兩三年的光景，我們?yōu)闀r并不晚。

　　CPS定義

　　CPS是在環(huán)境感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡化物理設備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。