信息世界和物理世界的深度融合淺談CPS及其應(yīng)用的論文
摘要：信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是一種融合了計(jì)算、通信與控制的新型復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)中計(jì)算過程和物理過程在開放的環(huán)境下持續(xù)交互、深度融合與相互作用，一體化的實(shí)現(xiàn)開放嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)通信與遠(yuǎn)程精確控制等先進(jìn)功能。本文先介紹了CPS的概念及特性，然后分析CPS的典型應(yīng)用場(chǎng)景：林業(yè)監(jiān)控、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療等領(lǐng)域，在文章的最后部分對(duì)CPS的未來進(jìn)行展望并指出發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng)；林業(yè)監(jiān)控；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)； 智能醫(yī)療
1. 什么是CPS
信息物理融合系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CPS，是一個(gè)包含了精確計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及動(dòng)態(tài)的物理環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，通過計(jì)算、通信和控制等相關(guān)技術(shù)的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的深度融合，實(shí)現(xiàn)大型系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS強(qiáng)調(diào)的信息世界和物理世界的深度融合，盡量減少了人的參與，它可以自動(dòng)的收集需要的信息，并傳遞給控制中心進(jìn)行分析處理，再根據(jù)所作的決策，指揮傳感器終端，做出響應(yīng)，從而對(duì)物理環(huán)境進(jìn)行改變。這就是CPS區(qū)別于現(xiàn)有的系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)：反饋控制，接受物理世界的信息，經(jīng)過處理后，再影響或改變物理世界。
2. CPS的應(yīng)用
2.1林業(yè)檢測(cè)
2008年，由香港科技大學(xué)啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，其目標(biāo)是在一個(gè)野外的真是環(huán)境，部署超過1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一年以上。該系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)大規(guī)模林業(yè)監(jiān)控提供技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的主要功能包括：一方面，通過傳感器收集包括溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等多種數(shù)據(jù)，采集的信息為多種重要應(yīng)用提供支持，如森林監(jiān)測(cè)、森林觀測(cè)和研究、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、野外救援等；另一方面，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域就建立長(zhǎng)期大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而進(jìn)行的前瞻研究與探索。希望能夠探索潛在的研究空間，提供可能的科學(xué)解決方案，特別是針對(duì)在原始森林中部署1000多個(gè)節(jié)點(diǎn)且需要持續(xù)工作一年以上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所面臨的研究和工程挑戰(zhàn)，展開探索。此項(xiàng)目是將CPS的概念應(yīng)用到林業(yè)中的一個(gè)項(xiàng)目，在科研和工程上都有很大的意義。
2.2精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)PA是二十世紀(jì)八十年代初發(fā)展起來的一門新興的跨學(xué)科綜合技術(shù)，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的定位、定時(shí)、定量地實(shí)施現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)農(nóng)作物的投入，即一方面跟蹤掌握土壤的變化，另一方面根據(jù)農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)包括全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)。CPS系統(tǒng)的環(huán)境感知、控制決策、閉環(huán)反饋等機(jī)制，對(duì)應(yīng)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的三個(gè)步驟：感知土壤環(huán)境、根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)決策、調(diào)整生產(chǎn)策略。我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)問題面臨著資源匱乏、污染嚴(yán)重等許多問題，國際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，而農(nóng)業(yè)是關(guān)系國計(jì)民生的，因此，在我國實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究具有重要的戰(zhàn)略意義。將目前的研究熱點(diǎn)CPS與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的結(jié)合，是未來有前景的研究方向之一。
2.3智能醫(yī)療
以數(shù)字化病歷和電子處方系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合成為個(gè)人電子健康檔案，然后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，在擴(kuò)展到更大范圍內(nèi)的醫(yī)療信息共享，就可以實(shí)現(xiàn)"區(qū)域醫(yī)療信息網(wǎng)絡(luò)"和"醫(yī)療協(xié)作平臺(tái)"。2008年，有上海市的區(qū)域醫(yī)療信息整合平臺(tái)的研究與應(yīng)用，通過驗(yàn)收。該項(xiàng)目通過數(shù)據(jù)整合和交換平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)及信息資源目錄服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域健康檔案應(yīng)用共享子系統(tǒng)、區(qū)域診療信息應(yīng)用共享子系統(tǒng)、區(qū)域醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用共享子系統(tǒng)、社區(qū)綜合健康衛(wèi)生服務(wù)子系統(tǒng)、社區(qū)全科團(tuán)隊(duì)服務(wù)管理子系統(tǒng)、社區(qū)居民健康檔案互動(dòng)服務(wù)子系統(tǒng)等，并通過3T Net網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)16家醫(yī)療機(jī)構(gòu)、42個(gè)衛(wèi)生服務(wù)站互聯(lián)，構(gòu)建了一整套區(qū)域醫(yī)療信息整合解決方案。通過區(qū)域醫(yī)療信息整合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間的信息共享。該項(xiàng)目是智能醫(yī)療領(lǐng)域的有益的嘗試，為我國醫(yī)療協(xié)同系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)帶來了有益的啟示。
3. CPS的未來
信息世界和物理世界相互影響，是未來的.發(fā)展趨勢(shì)之一。將信息世界中計(jì)算機(jī)精確強(qiáng)大的計(jì)算能力、大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力應(yīng)用于物理世界中，從而達(dá)到無所不在的智能，將是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的信息技術(shù)發(fā)展方向之一。真正的"智能"不需要人們刻意的感知，它于不知不覺中改變?nèi)藗兊纳睢?/p>
除了本文上面介紹的林業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，CPS在智能交通、智能電網(wǎng)、智能家居等領(lǐng)域也具有非常廣泛的應(yīng)用前景。我們可以設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，我們的家庭將變得更加智能。出門在外，您可以通過電話、電腦來遠(yuǎn)程遙控您的家居各智能系統(tǒng)，回到家里，您可以方便地控制房間內(nèi)各種電器設(shè)備，可以通過智能化照明系統(tǒng)選擇預(yù)設(shè)的燈光場(chǎng)景；在公司上班時(shí)，家里的情況還可以顯示在辦公室的電腦或手機(jī)上，隨時(shí)查看；門口機(jī)具有拍照留影功能，家中無人時(shí)如果有來訪者，系統(tǒng)會(huì)拍下照片供您回來查詢......
CPS目前的前景如此美好，但是目前發(fā)展仍然面臨著一系列的問題。例如，標(biāo)準(zhǔn)化問題：目前CPS的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，國際與國內(nèi)都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在研發(fā)的過程中，也是各自有一套指標(biāo)，因此，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)制定通用的指標(biāo)，將有效的促進(jìn)其國內(nèi)與國際產(chǎn)業(yè)協(xié)同與模塊化快速發(fā)展；監(jiān)管和政策方面，CPS的研發(fā)和應(yīng)用將會(huì)跨行業(yè)、跨部門，因此在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用發(fā)展時(shí)通常會(huì)遇到一些問題，此時(shí)政策驅(qū)動(dòng)尤為重要，需要有相關(guān)的政策等來扶植和培育CPS的發(fā)展。相信在各方面的共同努力下，我國的CPS研究事業(yè)將會(huì)迅速發(fā)展，在國際上具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力。
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