11 信息物理融合系统
信息物理融合系统（CPS）的概念最早是由美国国家基金委员会在2006年提出，有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第3次浪潮。CPS广泛的感知、控制及计算能力以及“人-机-物”深度的融合是物联网发展的最终目标。
11.1 CPS概述
CPS自提出以来，就得到研究机构、各国政府的普遍关注。2007年，美国总统科学与技术顾问委员会（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信息技术，其中CPS位列首位；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）研究中投入54亿欧元，希望在2016年成为智能电子系统的世界领袖；中国对CPS研究也十分重视，国家自然科学基金、“973”计划和“863”计划都把其作为重点。
CPS是一个综合计算、网络和物理环境的新型多维复杂嵌入式系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制出一个物理实体[8].何积丰院士指出， CPS 的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS 网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。
参照国际电信联盟有关物联网的定义以及PCAST有关CPS定义，可见CPS内涵更为丰富，从专业角度为物联网研究和开发提供了所需要的理论和技术内涵。而物联网展现了CPS应用的一个直观画面，并进一步向CPS核心——信息物理的深度融合方向发展，即实现物理世界、数字虚拟世界和人类感知的高度统一。
11.2 CPS特性
CPS与自动化、传感网络联系紧密，期望通过科学技术的发展进一步加强计算和物理元素的联系，通过虚拟世界的信息交互优化物理世界的物体传递、操作和控制，从而形成一个高效、智能、环保的物理世界。
PCAST咨询报告认为CPS的设计、构造、测试和维护难度较大，通常涉及到无数联网软件和硬件在多个子系统环境下的精细化集成。而物理系统监测控制复杂、变化迅速，这就要求CPS在计算能力、内存和成本等有限资源的约束下，必须可靠和实时地操作。CPS具有以下特性：
（1） CPS将计算能力深度嵌入在各个物理子系统中，追求对物理过程的网络化精确控制，具有计算、通信、控制的深度集成与融合的鲜明特性。
（2） 要求计算技术与控制技术的融合。为了把信息世界与物理连接，CPS系统需要把已有的、与离散事件相关、不关心时间空间的参数的计算技术与现有的、与连续过程相关、注重时间空间的参数的控制技术融合起来。即离散的计算过程与连续的物理过程持续交互，紧密耦合，相互作用和影响。
（3） 自主适应物理环境的动态变化，具有较强的重组织和重构造能力，并易于升级扩展，易于与其他CPS子系统连接。
（4） 呈现多尺度的时空复杂性，要求开放、可信赖、行为可预测的嵌入式系统。CPS中的嵌入式计算系统需要通过网络与其他信息系统进行互联和互操作。同时，CPS已步入与国家基础设施、人们日常生活密切相关的领域，安全敏感性也随之升高，其技术和产品必须具有确定性、高可靠性，进而要求嵌入式系统也具有可靠、确定性。
11.3 面临的技术挑战及问题
CPS融合系统中近所有物理设备都被赋予了计算和通信能力，其功能的丰富性及系统间融合可能使CPS成为规模最大、部署长久的系统之一。要实现CPS规划的愿景，研究领域尚有一些技术挑战和问题。良好的整体工业架构是保持其可扩展性、持久性、丰富性和技术持续创新的关键因素[9]，同时也是研究的基础以及客户投资的关键。
保持CPS未来发展的动力有以下几个原则。首先是架构的稳定性，需要进一步研究以定义稳定的CPS架构；其次是清晰的发展路线规划，根据核心CPS架构组织目标明确、一致的研究；最后是协调发展日程，对技术发展成果进行规划和预期，引导、驱动并平衡自然的发展周期。
同时，CPS发展也面临一系列挑战。一方面是理论基础和应用系统模型的差异性。从科学研究、进一步发展到具体环境部署实施是技术成功的关键。以电力系统为例，其理论基础以连续数学为主，建模工具一般是代数方程组和微分方程组；且出于实时性要求，电力系统模型一般将时间作为一个显式变量来表征物理过程的次序，而一般信息系统不能恰当地适应以上特点。如何既显式表征物理系统的时域信息又能显式表征信息系统的执行次序，以适应电力CPS 连续性与离散性并存的特点是需要解决的问题。另一方面，保持系统架构完整、可靠、安全性[10].外部环境的不确定性和各种潜在的变化要求CPS系统需要自动、自治地对系统随机故障及恶意攻击有快速反应力。与11.2节提到的特征一致，操作系统和架构需要具备在互联的设备层上对冗余资源的管理能力，对用户应用和物理构件错误监测能力以及系统故障的快速恢复力。
