【学科发展报告】信息物理融合系统

2019 年 1 月 21 日 中国自动化学会

一、引言

计算、控制、通信和网络技术的飞速发展，极大延伸了信息时空演变的尺度和层次，拓展了万物之间泛在互联的方式和规模，逐渐改变了人类对万物世界的认知方式，有力促进了各类物理系统的灵活组织、有机协调与协同进化，从而孕育了信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）这一崭新的技术［1］。CPS 技术通过信息空间中信息的传输、交换、计算和控制来实现对物理空间的多维度、多尺度、多层次的全面感知、高效组织、有机调控与协同进化，以达到信息空间与物理空间无缝融合的目的［2］。这种交融模式具有重大科学意义和应用前景，一方面，它为人类社会认知和改造自然提供了全新的方式和手段；另一方面，其所孕育的许多新的技术、新的应用模式，将从根本上改变人类社会的生产和生活方式［3］。因而，CPS技术逐渐被学术界和工业界认为是继互联网之后信息技术领域的又一项革命性的技术。

CPS 是推动我国产业转型升级，实现绿色、高效、智能工业生产模式的重大战略性信息技术。党的《十八大报告》提出了“推动信息化和工业化深度融合，加快传统产业转型升级”的战略决策，蕴含精准感知、智能分析和安全控制等核心技术于一体的 CPS 技术将使现有工业生产效率提升30%以上（引自德国国家科学与工程学院报告），是我国两化融合战略决策和新一代工业革命（工业 4.0）的使能技术。同时，CPS 研究提供二元空间融合的智能服务技术，将为便捷、舒适、健康的社会生活提供新的使能技术［4］，为国家城镇化发展战略的实现及老龄化和食品安全等重大社会民生问题的解决奠定技术基础。

二、研究现状与主要成果

（一）CPS 国内外研究现状

目前，美国、德国、日本、韩国、中国和欧盟等国家和地区都已经陆续开展了对CPS 全方位的研究。其中，美国对 CPS 的研究相对较早，例如在 2006 年 2 月发布的《美国竞争力计划》，美国政府就将 CPS 列为未来极为重要的研究项目之一［5］。之后，美国在 2007 年 7 月有关信息技术的前沿报告《挑战下的领先——全球竞争世界中的信息技术研发》中，也将 CPS 列在了未来重要信息技术的首位［6］。德国汉诺威工业博览会召开于2013年4 月，会上提出的重要概念——工业4.0［7］，把CPS作为未来工业发展中最关键的技术之一。同一时期，德国教育与研究部也开始研究如何在智能工厂中运用CPS技术并着手于相关工具的开发。日本、韩国等在 2008年前后开始关注CPS的研究发展，例如，韩国科学技术院等高等教育机构在高等教育中开展了有关CPS的课程。而在日本，东京大学和东京科技大学等高等研究机构，对CPS技术在智慧医疗及人工智能等方面的应用研究也处于世界前列。欧盟在对CPS 的研究中投入了大量资源，例如，欧盟于2007—2013年这7年间仅在嵌入智能与系统的先进研究与技术上就投入了超过50亿欧元［8］。

我国在CPS提出的初期就开展了大量有关CPS的研究。2010年在上海举办的信息物理系统发展战略论坛上，国家“863”计划信息技术领域办公室和专家组一致对CPS给予了高度关注和肯定。2012 年，浙江大学、清华大学、上海交通大学这三所高等院校联合成立了赛博（Cyber）协同创新中心，首先提出了工业信息物理融合系统（iCPS），并开展了其中的理论和技术研究。同时，国家工业和信息化部出台了一系列政策和指导意见，提到CPS作为最关键的基础技术之一，其发展推动了整个智能制造业的发展。我国CPS的快速发展，离不开国家相关政策的大力支持和资助。

（二）主要成果

目前，CPS技术已经在人类社会的许多领域得到应用，例如制造业［9］、电力［10］、交通［11］、医疗［12］等，在其他各个领域的应用研究也都已经全面开展［13］。本文将简要介绍CPS在智能制造、智能电网、智能交通和智慧医疗四个领域的典型应用研究。

1. CPS在智能制造领域的应用研究

习近平总书记曾指出：“制造业是实体经济的重要组成部分。要采取有力措施，振兴我国制造业。”正因为制造业是实体经济的主体，也是国民经济的支柱，所以CPS在智能制造领域应用最受关注。CPS技术能够通过分布式网络化的方式将传统的集中式控制模式转变为分布式控制模式［14］，这将逐步消除传统的行业界限，进而促进传统制造业产业链分工的更新换代。例如，新一代的智能工厂既包括了智能的生产、管理和控制过程，也包括了智能化的生产设施，并且这些生产设施将在物联网的架构下被智能化管理［15］, 最终有效实现了信息技术与物理系统的深度融合。

2. CPS 在智能电网领域的应用研究

有关 CPS 在智能电网的应用研究相对比较成熟。智能电网规模大且内部复杂，包含所有电网运行的信息过程和物理过程。CPS技术能够提供一种监控电网的有效手段，协助电网管理者对电网进行实时分析和动态调度等。同时，CPS技术也提供了一种全面、智能的方式，能够融合信息过程和物理过程，进而优化和提升智能电网的性能［16］。CPS技术使得电网设备和能源的利用率得到进一步提高，而且电网的运行也将更安全稳定。在混成自动机的建模和验证方法上，Susuki 等研究了单发电机送电的瞬时可靠性，该可靠性的验证为电网安全运行提供了保障，并且有更大的操作灵活性［17］。在CPS应用于电网的分布式能源研究中，Ilic等结合支持向量机、马尔科夫状态控制等方法，实现了分布式电能存储与调度的最优策略，使得在风能等新能源并网的情形下，电网稳定性也能得到极大提升［18］。

3. CPS 在智能交通领域的应用研究

目前在交通运输上存在的问题还有很多，例如交通拥堵、交通事故和道路运输效率低等。而基于CPS技术的未来交通系统着眼于解决或缓解这些问题。例如，可以将基于CPS的智能传感器布置于道路、交通工具以及人身上，这些智能传感器既可以实时感知交通信息，又可以实时进行信号传递和处理，并且帮助人和车做出最优的策略，实现车辆动态调度。对于城市管理者来说，这些传感器收集的信息能够对交通流和交通行为进行实时分析与预测，有效减轻城市交通压力；而对于个人来说，则能提高汽车行驶的安全性和节能性，为人们出行提供最大的便利。在对汽车系统的研究中，自动泊车系统等技术是CPS研究的最新方向［19］。Cartwright等将现代交通运输系统建模成CPS系统，并进行全面的研究［20］。Madden等利用CPS技术，对车辆进行交通信息实时通知，从而实现整个交通系统对车辆进行实时、有效的控制［21］。Li等在CPS 的视角下，根据交通系统提出了交通优化的启发式算法，该算法充分考虑了CPS背景下的人机特点，如驾驶员对调度的影响等［22］。

4. CPS 在智慧医疗领域的应用研究

在生物的智慧医疗方面，结合物联网技术的 CPS 系统能够实现对医疗技术、医疗器械等的灵活应用，也能够通过各医疗单元之间的实时通信与控制，辅助医务人员决策与操作，实施精准医疗，为患者的生命安全提供强大保障。例如通过远程诊断与手术治疗等方法，不仅能为患者提供及时的医疗，也有效促进了医疗资源的灵活使用［23］。另外，目前许多便携式医疗设备都是基于 CPS 技术设计的，这些设备使用方便而且造价低廉，不仅能够让医务人员更全面地了解记录患者的生活习惯，也能及时发现并预防潜在危险。这些便携式医疗设备若能得到普及，将大大提高人们的健康水平和生活质量。Li 等着重研究了关于激光气管切开术中的 CPS 建模，例如即插即用的医疗设备等［24］。Lee等根据闭环医学设备系统，提出了验证安全性的全新方法［25］。LifeSync、Wellcore和飞利浦等公司正在进行体域网相关产品的开发［26］，如化疗输液控制系统等。

三、国内外发展比较和趋势

自从2006年美国国家科学基金会组织召开第一个信息物理系统相关研讨会以来，此领域下的各项技术及应用已得到长足发展［27，28］。在此我们分别从信息物理系统的设计、实现以及信息物理系统中的其他问题三个方面来介绍其发展趋势。

（一）信息物理系统的设计

普遍提高的计算能力虽然给信息物理系统带来了广阔前景，但是网络的异构性、软件和硬件实体的复杂性以及高度跨学科的系统特点使其设计难度大大增加［29］。因此，构建一套对信息物理系统有效且便捷的设计方法具有重要意义。系统级设计方法为信息物理系统提供了较有前景的设计思路，其中首先需要注重的是系统设计效率。未来的设计将以计算机辅助设计为主，以形成完善的统筹规划及错误自检功能。另外，设计工具还需要具有跨层级访问的能力，能够直接对系统中各个节点参数、布局等变量进行调整，以此来满足对最优设计实现的需求［30，31］。为了更好地实现辅助设计，对用户意图的理解也有着很大需求，未来，语义技术或自然语言处理技术上的研究对于信息物理系统的设计也有着重要作用，可以使设计过程更便捷、更高效。

（二）信息物理系统的实现

各个物理节点互相连接形成网络，各网络又互相结合组成更大的系统，信息物理系统具有极高的复杂度，直接从感知、调度、决策、实时性等方面带来了新的挑战［32］。在感知方面，由于系统中包含有大量且种类不一的传感器，各个传感器具有不同采样率以及数据格式，因此解决数据融合以及从大量数据中根据需求进行数据挖掘提取有效特征是其发展的重要趋势［33］。在调度方面，信息物理系统中存在大量控制器，各个控制器工作的时间粒度级别也不同，需要根据传感器数据和系统目标来对各个控制器建立全面的事件调度表，进行调度以避免无序事件发生，譬如医疗手术信息系统中对不同医疗器械响应顺序的严格控制［34］。对于 Petri 网模型的研究是解决此方面问题的一个趋势。在决策方面，传统的数字控制理论虽然可以实现状态估计和闭环控制，但缺少决策对于回报影响的量化评估，引入强化学习或马尔科夫决策模型等方法是此问题的一个发展方向，通过其中的回报函数，可寻找最佳决策的条件。在实时性方面，信息物理系统中则常含有需要实时性保证的时间敏感应用模块，譬如控制系统。因此，需要合理的进行资源配置以及差异化服务，以期在整个信息物理系统中维持一定的有界端到端延迟，实现系统的统筹调度［35］。

（三）信息物理系统的其他问题

如何将组件节点嵌入物理系统中、如何完善系统通信相关协议及标准以及如何保系统安全是信息物理系统逐步发展的下一步过程中的关键问题［36］。在组件嵌入方面，需要设计功能完备的新式组件，能够检测物理对象的整个状态，同时依靠太阳能、电磁波等其他能量来源实现长期自主运行能力，并与其他组件及网络系统之间保持稳定高质量的通信。在相关协议及标准方面，采用一个统一规范化的标准来满足系统互相连通是至关重要的［37］。当前大多数信息物理系统均仅仅止步于局部方案，缺少应有的跨领域及全局协作能力。在未来的发展中需要形成一套对信息物理系统之间、机器与机器之间以及服务端与客户端之间交互协议的统一标准。使用 Web 服务是此方面较有希望的研究趋势，其与信息物理系统的结合可以更好地完善其功能及扩展性［38］。最后，可以预期到随着信息物理系统的发展，在隐私及安全方面的问题将会日渐突出。与传统云系统不同，由于结合了物理层和网络层，信息物理系统所面对的威胁同时来源于物理层与云层，攻击者可以通过侵入物理传感器基础设施制造虚假数据影响系统运行，也可以袭击云层直接破坏整个网络系统，完善端到端的安全机制可以确保在经受攻击时维持系统中通信交流的完整性，以此维护系统稳定，另外，建立完善的入侵检测机制也是其发展趋势。

四、需求与展望

通过分析CPS研究现状及发展趋势，总结 CPS在各领域研究中所面临的重点、共性问题如下［39，40］：

1. 理论基础挑战

信息物理融合系统需要有机融合信息系统与物理系统。但计算机技术主要以离散数学为理论基础，所以信息系统对物理过程都是以数字化的方式进行计算、传输和控制，进而计算过程关于时间是离散的；而工程主要以连续数学为理论基础，对于物理过程的运行和控制则关于时间是连续的［41］。如何实现连续与不连续的结合与统一，是 CPS 理论基础研究的根本性挑战之一。

2. 实时性挑战

CPS需要实现计算过程与物理过程的统一与交互。CPS的应用具有高实时性的要求［42］，但在实际物理过程中，每一次通信、计算和控制，都会消耗时间，所以目前的信息技术很难保证大型系统的实时性。另一方面，由于通信技术的发展并不完善，拥塞和信道质量差等问题在实际中经常会发生，进而造成数据传输出现延迟和丢包等不可预测因素［43］。这些不稳定因素会严重影响物理系统的性能，甚至导致系统崩溃。

3. 安全性挑战

安全稳定永远是大型复杂系统的首要目标。而CPS的全新特性有许多新的问题，特别是信息安全方面。例如如何保证CPS系统在遭到部分恶意攻击时，还能满足控制系统对实时性的需求，或如何设计关于恶意攻击的防御措施等［44，45］。由于CPS系统的特性，如果攻击者成功地侵入并攻击了 CPS 的控制能力，后果将非常严重，但是现有的计算机安全技术还没有足够的能力保证CPS的全方位安全［46-48］，所以对于CPS系统安全性的研究任重道远。

五、结束语

CPS是一项影响和改变人类社会生产生活方式的战略新兴技术，是工业生产、生态环境、社会民生等领域的核心使能信息技术，具有广阔的应用前景。如何进一步完善CPS理论，开展相关支撑技术的深入研究，实现CPS技术的应用推广，是科学研究工作中的一个难题，更是一大机遇。

参考文献

［1］ Rawung R H，Putrada A G. Cyber physical system：Paper survey［C］// International Conference on ICT for Smart Society. IEEE，2014：273-278.

［2］陈林，石林祥，孔亮亮 . Data Fusion of Cyber Physical Systems［J］．2014 Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence in Industrial Application（CIIA 2014），2014（CIIA2014）.

［3］ Lee E A. The Past，Present and Future of Cyber-Physical Systems：A Focus on Models.［J］．Sensors，2015，15（3）： 4837.

［4］ Wagh A，Li X，Wan J，et al. Human centric data fusion in Vehicular Cyber-Physical Systems［C］// Computer Communications Workshops. IEEE，2011：684-689.

［5］ Council D P. American competitiveness initiative［J］．Office of Science and Technology Policy，2006，16：2007.

［6］ Marburger J H，Kvamme E F，Scalise G，et al. Leadership under challenge：Information technology R&D in a competitive world. An assessment of the federal networking and information technology R&D program［R］．Executive Office of The President Washington DC President’s Council of Advisors on Science and Technology，2007.

［7］ Kagermann H，Helbig J，Hellinger A，et al. Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0：Securing the future of German manufacturing industry；final report of the Industrie 4.0 Working Group［ M ］． Forschungsunion，2013.

［8］ Artemis-ia. Advanced research and technology for embedded intelligence and systems［EB/OL］．https：//artemis- ia.eu.

［9］ Lee J，Bagheri B，Kao H A. A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems［J］． Manufacturing Letters，2015，3：18-23.

［10］ Sridhar S，Hahn A，Govindarasu M. Cyber-physical system security for the electric power grid［J］．Proceedings of the IEEE，2012，100（1）：210-224.

［11］ Gerdes R M，Winstead C，Heaslip K. CPS：an efficiency-motivated attack against autonomous vehicular transportation［C］//Proceedings of the 29th Annual Computer Security Applications Conference. ACM，2013： 99-108.

［12］ Zhang Y，Qiu M，Tsai C W，et al. Health-CPS：Healthcare cyber-physical system assisted by cloud and big data［J］． IEEE Systems Journal，2017，11（1）：88-95.

［13］景博，周伟，黄以锋，等 . 信息物理融合系统及其应用［ J ］．空军工程大学学报：自然科学版，2014， 15（2）：1-6.

［14］缪学勤 . 智能工厂与装备制造业转型升级［J］．自动化仪表，2014，35（3）：1-6.

［15］ Wang S，Wan J，Li D，et al. Implementing smart factory of industrie 4.0：an outlook［J］．International Journal of Distributed Sensor Networks，2016，12（1）：3159805.

［16］ Zhou J，Hu R Q，Qian Y. Scalable distributed communication architectures to support advanced metering infrastructure in smart grid［J］．IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2012，23（9）：1632- 1642.

［17］ Susuki Y，Koo T J，Ebina H，et al. A hybrid system approach to the analysis and design of power grid dynamic performance［J］．Proceedings of the IEEE，2012，100（1）：225-239.

［18］ Ilic M D，Xie L，Khan U A，et al. Modeling of future cyber-physical energy systems for distributed sensing and control［J］．IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics-Part A：Systems and Humans，2010，40（4）： 825-838.

［19］ Broy M，Cengarle M V，Geisberger E. Cyber-physical systems：imminent challenges［C］// Proceedings of the 17th Monterey conference on Large-Scale Complex IT Systems：development，operation and management. Springer-Verlag，2012：1-28.

［20］ Cartwright R，Cheng A，Hudak P，et al. Cyber-physical challenges in transportation system design［C］， National workshop for research on high confidence transportation cyber-physical systems：automotive，aviation & rail. 2008.

［21］ Madden J，McMillin B，Sinha A. Environmental obfuscation of a cyber physical system-vehicle example

［C］，Proceedings of the 34th IEEE Annual on Computer Software and Applications Conference Workshops

（COMPSACW），2010：176-181.

［22］ Li X，Yu X，Wagh A，et al. Human factors-aware service scheduling in vehicular cyber-physical systems［C］， Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Communications. IEEE，2011：2174-2182.

［23］高长奎，田洪莲 . 基于 CPS 的智慧医疗保健系统［J］．科研，2015（14）：155-157.

［24］ Li T，Tan F，Wang Q，et al. From offline toward real time：A hybrid systems model checking and CPS codesign approach for medical device plug-and-play collaborations［ J ］．IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2014，25（3）：642-652.

［25］ Lee I，Sokolsky O，Chen S，et al. Challenges and research directions in medical cyber-physical systems［J］． Proceedings of the IEEE，2012，100（1）：75-90.

［26］ Calhoun B H，Lach J，Stankovic J，et al. Body sensor networks：A holistic approach from silicon to users［ J ］． Proceedings of the IEEE，2012，100（1）：91-106.

［27］ Shi J，Wan J，Yan H，et al. Suo H，“A survey of cyberphysical systems［C］// Wireless Communications and Signal Processing（WCSP），2011 International Conference on. IEEE，2011：1-6.

［28］ Ning H，Liu H，Ma J，et al. Cybermatics：Cyber-physical-social-thinking hyperspace based science and technology［J］．Future Generation Computer Systems，2016，56：504-522.

［29］ Daun M，Brings J，Bandyszak T，et al. Collaborating Multiple System Instances of Smart Cyber-physical Systems： A Problem Situation，Solution Idea，and Remaining Research Challenges［C］// Ieee/acm，International Workshop on Software Engineering for Smart Cyber-Physical Systems. IEEE，2015：48-51.

［30］ Zeng J，Yang L T，Lin M，et al. A survey：Cyber-physical-social systems and their system-level design methodology［J］．Future Generation Computer Systems，2016.

［31］ Krishna P V，Saritha V，Sultana H P. Cyber Physical System Design［J］．Challenges，Opportunities，and Dimensions of Cyber-Physical Systems，2015.

［32］ Zhao J，Wen F，Xue Y，et al. Cyber physical power systems：Architecture，implementation techniques and challenges［J］．Automation of Electric Power Systems，2010，34（16）：1-7.

［33］ Sanislav T，Merza K，Mois G，et al. Cyber-physical system dependability enhancement through data mining［C］// IEEE International Conference on Automation，Quality and Testing，Robotics. IEEE，2016：1-5.

［34］ Hu F，Lu Y，Vasilakos A V，et al. Robust Cyber-Physical Systems：concept，models，and implementation［J］． Future Generation Computer Systems，2016，56：449-475.

［35］ Chaâri R，Ellouze F，Koubâa A，et al. Cyber-physical systems clouds：A survey［J］．Computer Networks， 2016，108：260-278.

［36］ Marwedel P. Embedded System Design：Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems［J］．2011，3

（2）：260.

［37］ Babiceanu R F，Seker R. Big Data and virtualization for manufacturing cyber-physical systems：A survey of the current status and future outlook［J］．Computers in Industry，2016，81：128-137.

［38］ Chang Q，Wan K，Dong Y. Design and implementation of resource-centric web services in smart grid Cyber- Physical Systems［J］．Lecture Notes in Engineering & Computer Science，2014，2210（1）.

［39］ Lee E A. Cyber physical systems：Design challenges［C］，Proceedings of the 11th IEEE International Symposium on Object Oriented Real-time Distributed Computing. IEEE，2008：363-369.

［40］黎作鹏，张天驰，张菁 . 信息物理融合系统（CPS）研究综述［J］．计算机科学，2011，38（9）：25-31.

［41］李仁发，谢勇，李蕊，等 . 信息 - 物理融合系统若干关键问题综述［J］．计算机研究与发展，2012，49（6）： 1149-1161.

［42］ Zimmer C，Bhat B，Mueller F，et al. Intrusion detection for CPS real-time controllers［M］//Cyber Physical Systems Approach to Smart Electric Power Grid. Springer Berlin Heidelberg，2015：329-358.

［43］ Cao X，Liu L，Shen W，et al. Real-time misbehavior detection and mitigation in cyber-physical systems over WLANs［J］．IEEE Transactions on Industrial Informatics，2017，13（1）：186-197.

［44］ Bou-Harb E，Lucia W，Forti N，et al. Cyber Meets Control：A Novel Federated Approach for Resilient CPS Leveraging Real Cyber Threat Intelligence［J］．IEEE Communications Magazine，2017，55（5）：198-204.

［45］ Guo Z，Shi D，Johansson K H，et al. Optimal linear cyber-attack on remote state estimation［J］．IEEE Transactions on Control of Network Systems，2017，4（1）：4-13.

［46］ Arney D，Pajic M，Goldman J M，et al. Toward patient safety in closed-loop medical device systems［C］， Proceedings of the 1st ACM/IEEE International Conference on Cyber-Physical Systems，2010：139-148.

［47］ Zhang H，Shu Y，Cheng P，et al. Privacy and performance trade-off in cyber-physical systems［ J ］．IEEE Network，2016，30（2）：62-66.

［48］ Zhang H，Cheng P，Shi L，et al. Optimal DoS attack scheduling in wireless networked control system［J］．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2016，24（3）：843-852.

内容节选自《控制科学与工程学科发展报告》

往期文章推荐