物联网系列报道之三：CPS 从感知网到感控网

“将来有一天，当你迈步准备横穿马路时，你的鞋子会提醒你暂时不要过马路，因为正有一辆汽车高速驶来。”中科院院士何积丰在2009中国计算机大会上做主题演讲时表示，“你可能觉得这是天方夜谭，但这确实是美国智能交通系统制定的目标。”

早在2001年，本报记者在微软中国研究院举办的“二十一世纪的计算”大会上曾经独家专访过来自微软美国研究院的Lampson，当问及到当前研究的兴趣时，这位曾经在IT产业的圣地——施乐PARK实验室工作的图灵奖获得者表示，他正在研究如何让交通事故造成的死亡率变为零。当时记者觉得这不是一般的不靠谱，毕竟汽车没有长眼睛，于是也没有深究下去。

随着近几年信息物理系统的崛起，这研究却变得现实起来。

CPS：让地球互联起来

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统（Cyber Physics System，CPS）列为重要的研究项目。

到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（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，其余分别是软件、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、NIT与社会科学。

何积丰院士认为，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、精确控制、远程协调和自治等五大功能。

本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。

控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，其在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。

但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。

CPS在对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。

在资助CPS研究上扮演重要角色的美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。“如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。”NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示。

CPS：通吃物联网？

当人们还陶醉在物联网能够把物与物连在一起时，没想到CPS又冒了出来，而物联网所擅长的基于RFID的连接，对于CPS来说太过简单。在很多应用中，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求远非RFID能比。以基于CPS的智能交通系统为例，即便是现有的人们认为已经十分复杂的汽车电子系统也无法胜任，现在的汽车电子系统根本无法实现未来智能交通系统对汽车之间的协同能力的要求。事实上，满足CPS要求的汽车电子系统的计算通常都是海量运算。

海量运算往往是很多CPS接入设备的特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。如果从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物联网则可视为超级瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。

实际上，CPS并不排斥物联网。应该说，物联网是CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。物联网其实就是以物流领域为主的应用。物与物之间的互联远非“各报家门”，知道对方“何许人也”这么简单。

CPS中的物理设备指的是自然界中的客体，因此不仅指的是冷冰冰的设备，而且还包括活生生的生物。现有互联网的边界是各种终端设备，人们与互联网之间是通过这些终端来进行信息交换的。而在CPS中，人成为CPS网络的“接入设备”，这种信息的交互可能是通过芯片与人的神经系统直接互联实现的。针对本文开头所说的情形，我们甚至可以做这样的假设：当智能交通系统感知到高速行驶的汽车与将要穿越马路的行人之间存在发生碰撞的机会时，通常的做法是系统让汽车来个急刹车，或者告诉行人“留步”，而更直接的方法是通过脑-机接口（Brain Machine Interface）让人“不走脑子”就来个“立定”，从而避免事故的发生。

尽管在物联网中也有把RIFD芯片嵌入到人体中的情形，但本质上还是RFID与读写器之间的通信，人并没有介入其中。

感知在CPS中十分重要。众所周知，自然界中各种物理量的变化绝大多数是连续的，或者说是模拟的，而信息空间则充斥着离散量，或者说是数字的。从物理空间到信息空间的信息流动，首先必须通过各种类型的传感器将各种物理量转变成模拟量，再通过模拟/数字转换器变成数字量，从而为信息空间所接受。从这个意义上说，传感器网络也可视为CPS的一部分。

CPS：机遇与挑战

如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元，那么，CPS的市场规模则难以计数，因为CPS涵盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。

“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并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/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”何积丰表示，“CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局。”

但CPS带来的挑战也是物联网所无法比拟的。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异。通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上；控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。

在国外，CPS的声音很强劲，欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

在国内，CPS早已淹没在物联网的喧哗声中，而实际上，国外同行起步也只有两三年的光景，我们为时并不晚。

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