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   “將來(lái)有一天，當(dāng)你邁步準(zhǔn)備橫穿馬路時(shí)，你的鞋子會(huì)提醒你暫時(shí)不要過(guò)馬路，因?yàn)檎幸惠v汽車高速駛來(lái)。”中科院院士何積豐在2009中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)上做主題演講時(shí)表示，“你可能覺(jué)得這是天方夜譚，但這確實(shí)是美國(guó)智能交通系統(tǒng)制定的目標(biāo)。”

　　早在2001年，記者在微軟中國(guó)研究院舉辦的“二十一世紀(jì)的計(jì)算”大會(huì)上曾經(jīng)獨(dú)家專訪過(guò)來(lái)自微軟美國(guó)研究院的Lampson，當(dāng)問(wèn)及到當(dāng)前研究的興趣時(shí)，這位曾經(jīng)在IT產(chǎn)業(yè)的圣地——施樂(lè)PARK實(shí)驗(yàn)室工作的圖靈獎(jiǎng)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?。?dāng)時(shí)記者覺(jué)得這不是一般的不靠譜，畢竟汽車沒(méi)有長(zhǎng)眼睛，于是也沒(méi)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(shí)起來(lái)。

　　CPS：讓地球互聯(lián)起來(lái)

　　2005年5月，美國(guó)國(guó)會(huì)要求美國(guó)科學(xué)院評(píng)估美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，并提出維持和提高這種競(jìng)爭(zhēng)力的建議。5個(gè)月后，基于此項(xiàng)研究的報(bào)告《站在風(fēng)暴之上》問(wèn)世。在此基礎(chǔ)上于2006年2月發(fā)布的《美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃》則將信息物理系統(tǒng)(Cyber Physics System，CPS)列為重要的研究項(xiàng)目。

　　到了2007年7月，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)(PCAST)在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競(jìng)爭(zhēng)世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報(bào)告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)、高端計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機(jī)界面、NIT與社會(huì)科學(xué)。

　　何積豐院士認(rèn)為，CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。

　　本質(zhì)上說(shuō)，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

　　控制對(duì)于我們并不陌生。從20世紀(jì)40年代麻省理工學(xué)院發(fā)明了數(shù)控技術(shù)到如今基于嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開(kāi)花，工業(yè)自動(dòng)化早已成熟，其在人們?nèi)粘＞蛹疑钪?，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(yīng)用網(wǎng)絡(luò)也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)或者說(shuō)設(shè)備難以通過(guò)開(kāi)放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，而且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計(jì)算和控制同等地位上，這是因?yàn)镃PS強(qiáng)調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開(kāi)通信的。

　　CPS在對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對(duì)象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。

　　在資助CPS研究上扮演重要角色的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)認(rèn)為，CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái)。“如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，CPS將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)。”NSF計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)和工程總監(jiān)Branicky表示。

　　CPS：通吃物聯(lián)網(wǎng)?

　　當(dāng)人們還陶醉在物聯(lián)網(wǎng)能夠把物與物連在一起時(shí)，沒(méi)想到CPS又冒了出來(lái)，而物聯(lián)網(wǎng)所擅長(zhǎng)的基于RFID的連接，對(duì)于CPS來(lái)說(shuō)太過(guò)簡(jiǎn)單。在很多應(yīng)用中，CPS對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的計(jì)算能力的要求遠(yuǎn)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(rèn)為已經(jīng)十分復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)也無(wú)法勝任，現(xiàn)在的汽車電子系統(tǒng)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能交通系統(tǒng)對(duì)汽車之間的協(xié)同能力的要求。事實(shí)上，滿足CPS要求的汽車電子系統(tǒng)的計(jì)算通常都是海量運(yùn)算。

　　海量運(yùn)算往往是很多CPS接入設(shè)備的特征，因此，接入設(shè)備通常具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。如果從計(jì)算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應(yīng)用比作胖客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為超級(jí)瘦客戶機(jī)服務(wù)器，因?yàn)槲锫?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(wù)器之間，因此物品之間無(wú)法進(jìn)行協(xié)同。

　　實(shí)際上，CPS并不排斥物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)該說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種簡(jiǎn)約應(yīng)用，或者說(shuō)，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)就是以物流領(lǐng)域?yàn)橹鞯膽?yīng)用。物與物之間的互聯(lián)遠(yuǎn)非“各報(bào)家門(mén)”，知道對(duì)方“何許人也”這么簡(jiǎn)單。

　　CPS中的物理設(shè)備指的是自然界中的客體，因此不僅指的是冷冰冰的設(shè)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(shè)備，人們與互聯(lián)網(wǎng)之間是通過(guò)這些終端來(lái)進(jìn)行信息交換的。而在CPS中，人成為CPS網(wǎng)絡(luò)的“接入設(shè)備”，這種信息的交互可能是通過(guò)芯片與人的神經(jīng)系統(tǒng)直接互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)本文開(kāi)頭所說(shuō)的情形，我們甚至可以做這樣的假設(shè)：當(dāng)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(jī)會(huì)時(shí)，通常的做法是系統(tǒng)讓汽車來(lái)個(gè)急剎車，或者告訴行人“留步”，而更直接的方法是通過(guò)腦-機(jī)接口(Brain Machine Interface)讓人“不走腦子”就來(lái)個(gè)“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(zhì)上還是RFID與讀寫(xiě)器之間的通信，人并沒(méi)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(shuō)是模擬的，而信息空間則充斥著離散量，或者說(shuō)是數(shù)字的。從物理空間到信息空間的信息流動(dòng)，首先必須通過(guò)各種類型的傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)變成模擬量，再通過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。從這個(gè)意義上說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可視為CPS的一部分。

　　CPS：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　如果物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模像人們所說(shuō)的有上萬(wàn)億元，那么，CPS的市場(chǎng)規(guī)模則難以計(jì)數(shù)，因?yàn)镃PS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)的應(yīng)用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡(jiǎn)單地連在一起，而是要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設(shè)備。

　　“下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備無(wú)處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大地提高汽車、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。”何積豐表示，“CPS不僅會(huì)催生出新的工業(yè)，甚至?xí)匦屡帕鞋F(xiàn)有產(chǎn)業(yè)布局。”

　　但CPS帶來(lái)的挑戰(zhàn)也是物聯(lián)網(wǎng)所無(wú)法比擬的。這些挑戰(zhàn)很大程度上來(lái)自控制與計(jì)算之間的差異。通常，控制領(lǐng)域是通過(guò)微分方程和連續(xù)的邊界條件來(lái)處理問(wèn)題，而計(jì)算則建立在離散數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上;控制對(duì)時(shí)間和空間都十分敏感，而計(jì)算則只關(guān)心功能的實(shí)現(xiàn)。通俗地說(shuō)，搞控制的人和搞計(jì)算機(jī)的人沒(méi)有“共同語(yǔ)言”。這種差異將給計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用帶來(lái)基礎(chǔ)性的變革。

　　在國(guó)外，CPS的聲音很強(qiáng)勁，歐盟計(jì)劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)(ARTMEIS)上投入54億歐元(超過(guò)70億美元)，以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。

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

　　CPS定義

　　CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式檢測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。