什么是信息物理系统？ 信息物理系统 (CPS) 是实现物理世界与信息技术虚拟世界无缝连接的技术基础。
简介
在数字化和第四次工业革命（即工业4.0）时代，信息物理系统 (CPS) 发挥着绝对核心的作用。此类系统是实现物理世界与信息技术虚拟世界无缝连接的技术基础。然而这一术语背后有何内涵，这些复杂系统又为未来的工业及其他领域发掘了哪些潜力应用？
CPS：定义
信息物理系统（通常缩写为CPS）是将机械和电子元件与现代信息技术和软件相结合的智能系统。此类系统能够采集物理世界的数据，对其进行数字化处理、分析，进而据此信息控制或影响物理过程。
这些嵌入式系统通过传感器收集信息，经由执行器干预物理世界。先进信息物理系统具有自组织和适应不断变化环境的能力，由此在各领域复杂应用的发展中发挥了决定性影响。
连接数字世界与物理世界
信息物理系统工作机制的核心是其集成方式。系统可实现连续信息流和控制，打破了数字与物理世界之间的传统分隔状况。传感器记录温度、压力和位置等物理变量，并将其转换为数字数据。此类数据通过无线或有线网络传输到中央或分布式计算单元。
该单元通常配有人工智能，负责信息的处理和分析。随后利用所获取的信息，通过执行器（如电机、阀门）直接干预物理过程。
CPS与 物联网：有何区别？
- 信息物理系统 (CPS)：CPS远不止纯粹的联网和数据交换。该系统将物理过程深度集成到数字化控制层。CPS不仅支持联网，还能对收集到的数据做出自主反应，并主动控制和优化物理过程。
- 物联网 (IoT)：为收集和交换数据，物联网主要侧重于将日常物品和设备联网。物联网旨在实现“联网对象”的相互通信，并提供相关信息。通过App控制照明和供暖的智能家居就是一个典型物联网用例。
应用领域
信息物理系统的应用领域多种多样，从工业生产到日常基础设施均有涵盖。
工业4.0（智慧工厂）中的CPS
在工业4.0中，CPS是智慧工厂的核心支柱。CPS助力工厂实现了生产过程的全面数字化和网络化。设备、产品和物流系统支持相互通信和状态信息交换，实现了全面的自主控制。
- 智能生产线：设备可自行配置和调整以便生产不同产品。
- 预测性维护：传感器监测机械组件的状态，并提前预警紧急故障。
- 自主运输系统：自动导引车系统在工厂内运送物料和产品。
智能基础设施（智能电网、智能家居）
CPS为关键基础设施的效率和安全做出了重大贡献：
- 智能电网：CPS利用智能电网动态控制和优化发电、配电以及用电，例如通过集成可再生能源。
- 智能家居：尽管通常被归类为物联网，但支持智能自适应控制供暖、通风和安全系统的复杂智能家居系统，亦可视为CPS。
自主系统和移动
在移动和机器人领域，CPS不可或缺：
- 自动驾驶汽车：自动驾驶汽车和卡车通过各种传感器感知周围环境，基于自主决策来实现安全导航。
- 工业机器人：机器人不仅可执行所设定的任务，还能对环境变化做出反应并相应调整动作。
电子健康
在医疗保健领域，CPS实现了全新形式的病人护理和监测：
- 智能医疗设备：设备持续监测病人生命体征，并在出现异常时自动发出警报或给药。
- 远程医疗：系统可助力医生远程监测和治疗病人。
工业4.0的机遇和潜力
- 效率和生产力：自动化和过程优化可提高资源利用率，增加产量。
- 灵活性：CPS系统支持动态重构，能够快速适应市场变化和客户需求。
- 商业模式：网络化产品和服务为基于数据的服务及新方案创造了条件。
- 决策：实时数据为决策提供确切依据。
- 减少人工干预：自主系统接管危险或重复性任务。
- 稳健性：支持自我监测、错误检测和故障排除，提高了故障安全性能。
摘要
信息物理系统是推动工业和社会变革的驱动力。此类系统实现了物理过程与计算机网络的无缝连接，助力构建新一代智能联网的自主系统，有望从根本上改善社会环境。
