信息世界和物理世界的深度融合--浅谈CPS及其应用

摘　要：信息物理融合系统（CPS）是一种融合了计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统，系统中计算过程和物理过程在开放的环境下持续交互、深度融合与相互作用，一体化的实现开放嵌入式计算、网络化实时通信与远程精确控制等先进功能。本文先介绍了CPS的概念及特性，然后分析CPS的典型应用场景：林业监控、精准农业、智能医疗等领域，在文章的最后部分对CPS的未来进行展望并指出发展方向。

关键词：信息物理融合系统；林业监控；精准农业； 智能医疗

1. 什么是CPS
　　信息物理融合系统，简称CPS，是一个包含了精确计算、网络以及动态的物理环境的复杂系统，通过计算、通信和控制等相关技术的相互协作，实现信息世界和物理世界的深度融合，实现大型系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS强调的信息世界和物理世界的深度融合，尽量减少了人的参与，它可以自动的收集需要的信息，并传递给控制中心进行分析处理，再根据所作的决策，指挥传感器终端，做出响应，从而对物理环境进行改变。这就是CPS区别于现有的系统的一个主要特点：反馈控制，接受物理世界的信息，经过处理后，再影响或改变物理世界。

2. CPS的应用
2.1林业检测
　　2008年，由香港科技大学启动了一个项目，其目标是在一个野外的真是环境，部署超过1000个节点的无线传感网系统，连续运转一年以上。该系统能够为实现大规模林业监控提供技术支持和实践经验，系统的主要功能包括：一方面，通过传感器收集包括温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等多种数据，采集的信息为多种重要应用提供支持，如森林监测、森林观测和研究、火灾风险评估、野外救援等；另一方面，是无线传感器网络研究领域就建立长期大规模无线传感器网络系统而进行的前瞻研究与探索。希望能够探索潜在的研究空间，提供可能的科学解决方案，特别是针对在原始森林中部署1000多个节点且需要持续工作一年以上的无线传感器网络系统所面临的研究和工程挑战，展开探索。此项目是将CPS的概念应用到林业中的一个项目，在科研和工程上都有很大的意义。
2.2精准农业
　　精准农业PA是二十世纪八十年代初发展起来的一门新兴的跨学科综合技术，是当今农业发展的新潮流，是由信息技术支持的定位、定时、定量地实施一整套现代化农业操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据农作物生长的土壤性状，调节对农作物的投入，即一方面跟踪掌握土壤的变化，另一方面根据农作物的生产目标，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
　　精准农业包括全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。CPS系统的环境感知、控制决策、闭环反馈等机制，对应了精准农业中的三个步骤：感知土壤环境、根据生产目标决策、调整生产策略。我国当前农业问题面临着资源匮乏、污染严重等许多问题，国际竞争日益激烈，而农业是关系国计民生的，因此，在我国实施精准农业的研究具有重要的战略意义。将目前的研究热点CPS与精准农业的结合，是未来有前景的研究方向之一。
2.3智能医疗
　　以数字化病历和电子处方系统为基础，整合成为个人电子健康档案，然后进行联网，在扩展到更大范围内的医疗信息共享，就可以实现"区域医疗信息网络"和"医疗协作平台"。2008年，有上海市的区域医疗信息整合平台的研究与应用，通过验收。该项目通过数据整合和交换平台、应用支撑平台及信息资源目录服务平台的研发，实现了区域健康档案应用共享子系统、区域诊疗信息应用共享子系统、区域医学影像应用共享子系统、社区综合健康卫生服务子系统、社区全科团队服务管理子系统、社区居民健康档案互动服务子系统等，并通过3T Net网络实现区域内16家医疗机构、42个卫生服务站互联，构建了一整套区域医疗信息整合解决方案。通过区域医疗信息整合平台，实现了医疗机构之间的信息共享。该项目是智能医疗领域的有益的尝试，为我国医疗协同系统的研发和实现带来了有益的启示。
3. CPS的未来
 信息世界和物理世界相互影响，是未来的发展趋势之一。将信息世界中计算机精确强大的计算能力、大规模的数据处理能力应用于物理世界中，从而达到无所不在的智能，将是继计算机、互联网之后的信息技术发展方向之一。真正的"智能"不需要人们刻意的感知，它于不知不觉中改变人们的生活。
　　除了本文上面介绍的林业、农业、医疗等领域的应用，CPS在智能交通、智能电网、智能家居等领域也具有非常广泛的应用前景。我们可以设想，在不远的将来，我们的家庭将变得更加智能。出门在外，您可以通过电话、电脑来远程遥控您的家居各智能系统，回到家里，您可以方便地控制房间内各种电器设备，可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景；在公司上班时，家里的情况还可以显示在办公室的电脑或手机上，随时查看；门口机具有拍照留影功能，家中无人时如果有来访者，系统会拍下照片供您回来查询......
　　CPS目前的前景如此美好，但是目前发展仍然面临着一系列的问题。例如，标准化问题：目前CPS的发展尚处于初级阶段，国际与国内都没有统一的标准，在研发的过程中，也是各自有一套指标，因此，按照一定的标准制定通用的指标，将有效的促进其国内与国际产业协同与模块化快速发展；监管和政策方面，CPS的研发和应用将会跨行业、跨部门，因此在推进产业与应用发展时通常会遇到一些问题，此时政策驱动尤为重要，需要有相关的政策等来扶植和培育CPS的发展。相信在各方面的共同努力下，我国的CPS研究事业将会迅速发展，在国际上具备一定的竞争力。