问题27：CPS研究对物联网有什么样的启示？

在研究物联网的形成与发展时，我们需要注意与物联网发展密切相关的另一项重要研究计划—信息物理融合系统（Cyber Physical Systems，CPS）研究计划。CPS这一概念于2006年由美国国家科学基金会的Helen Gill提出。理解物联网与CPS研究之间的区别和联系，可以从以下几个方面来考虑。

1. CPS研究提出的背景

随着新型传感器、无线通信、嵌入式计算与自动控制技术的快速发展，CPS的研究引起了学术界广泛的重视。CPS是一个综合计算、网络与物理世界的复杂系统，通过计算技术、通信技术与控制技术的深度融合与协作，可用于智能交通、智能电网、智能医疗、智能环境监控、军事国防、工农业生产中，实现信息世界与物理世界的紧密融合。

2006年2月，针对美国国会对美国技术竞争力评估，以及如何维持和提高竞争力的策略，美国科学院发布《美国竞争力计划》，并将CPS列为重要的研究项目。

2007年7月，美国总统科学与技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先—竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位，以下分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面等。美国国家科学基金会（NSF）的计算机与信息科学和工程总监Branicky认为：如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变人与物理世界的互动。CPS与人类的生活和社会的发展息息相关。CPS研究的对象小到纳米级生物机器人，大到涉及人类基础设施建设的全球能源协调与管理等复杂的大系统。CPS的研究成果可以用于智能交通领域的自主导航汽车、无人机，也可以用于生物医疗领域的远程手术系统、自主计算与感控的植入式生物医疗设备，以及智能环保、智能电网、智能军事之中。

2008年成立的美国CPS指导小组在《CPS执行概要》中提出将CPS应用重点放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等领域。

在国际信息技术领域，CPS正在逐渐成为热点。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术研究中投入54亿欧元，希望在2016年其智能电子系统的技术水平与应用处于世界领先地位。

我国对CPS研究也相当重视，国家自然科学基金、“973计划”和“863计划”都将其作为重点。国家“863计划”信息技术领域办公室和专家组于2010年1月在上海举办了“CPS发展战略论坛”，来自政府、高校、科研院所、企业的专家与代表就这个研究领域做了专题研讨。专家们重点研讨了CPS在智能工业、智能交通、智能医疗、智能电网，以及传统制造业改造中应用的问题。

2. CPS的主要特点

CPS的主要特点表现在以下几个方面：

（1）CPS是“人、机、物”深度融合的系统

物联网突出物与物间的互联，而CPS在物与物互联的基础上，强调对物的实时、动态的信息控制与信息服务。从目前的发展阶段看，物联网偏重工程技术，而CPS则更偏重科学研究。CPS系统的本质就是以“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。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、控制、协调和自治”五大功能。

（2）CPS是3C与物理设备深度融合的系统

CPS是一种综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation，Commu-nication and Control）技术，使计算、通信和控制技术实现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是将计算和通信能力嵌入传统的物理系统中，形成集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。

（3）CPS是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

CPS是在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，扩展新的功能，使系统具有更高的智慧。学术界将CPS系统的功能总结为“感”、“联”、“知”、“控”。

●“感”是指多感知器协同感知物理世界的状态。

●“联”是指连接物理世界与信息世界的各种对象，实现信息交互。

●“知”是指通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认知物理世界。

●“控”是指根据正确的认知，确定控制策略，发出指令，指挥执行器协同控制物理世界。

因此，CPS是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统。图2-29给出了CPS中物理世界与信息世界交互过程的示意图。

（4）CPS将催生很多具有“计算、通信、控制、协调和自治”功能智能系统

从应用的角度来看，CPS试图打破已有的传感器、计算机、机器人等各种系统自成一体、计算设备应用目标单一、缺乏开放性的缺点，更注重多个系统之间的互联、互通与互操作，开发标准的互联协议和解决方案，实现系统的开放性、动态性、可控性的计算与服务支持。通过开发智能计算、通信、控制、新型传感器技术，提供智能化、快速响应，满足用户需求的高质量服务，有效地将CPS技术应用于嵌入式医疗器械、自动导航、汽车自动驾驶、运行车辆间网络辅助安全、灾害紧急救助等领域。CPS技术的发展和普及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、健康与医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS研究给我们的启示是：物联网追求的目标绝不是简单的“物-物相连”，它是要催生很多具有“计算、通信、控制、协调和自治”功能的智能系统与智能服务。

我们在发展物联网应用的同时，必须进一步加强对CPS技术的研究的跟踪，使得物联网应用与CPS研究的发展形成一个自然的衔接和良性的互动。