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2022-06-23
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CPS 与物联网
CPS 与物联网
机器的崛起（Rise of the Machines）是 2003 年上映的阿诺·史瓦
辛格主演的科幻动作片“终结者 3：机器的崛起（Terminator 3:
Rise of the Machines）”的主题，至此以后，“机器的崛起”成为一
个常被人提起的话题。电影里说的机器主要是指“机器人”以及它们发展
到一定程度不能再被人驯服后对人类产生的危害，好在目前机器还没有
真正的“崛起”（而且可能永远也不会“崛起”），它们还在忠心耿耿，任
劳任怨地为人类服务。
据统计，目前全世界大约有 100 万机器人在世界各个角落辛勤工作，
尤其在人类难以胜任的危险环境里。日本是机器人密度最高的国家，每
10 万人就有 295 个机器人（下图）。
机器人属于一种叫 CPS（Cyber Physical System，可翻译成“信息物理
融合系统”）的系统，有时也叫“物理计算”（Physical Computing））理
念或课题, 是 2004 年美国 NSF（国家自然科学基金）的 Helen Gill 女
士在一个 HCSS（High Confidence Software and Systems, 高信誉度
的软件和系统）的研讨会上提出来的，从 2006 年开始被 NSF 列为重
点支持的研究课题，2007 年被美国总统科学技术顾问委员会
（PCAST，President’s Council of Advisors on Science and
Technology）的一个报告列为 8 大关键的信息技术之首， 2010 年
PCAST 提出了一个美国国会必须讨论的 40 亿美元的
NITRD（Networking and Information Technology Research
and Development) 研究经费资助提案，CPS 也被列为五大重点资助
领域之一， CPS 成为近几年美国高校和科研机构的研究热点课题。
CPS 和物联网一样，有很多不同的定义，下图中列出了一个比较有代
表性的定义。 CPS 是一个以通讯和计算为核心的集成的监控和协调行
动的工程化物理系统， 是计算、通讯和控制的融合，具备很高的可靠
性、安全性和执行效率，是一个从纳米世界到基于大规模广域网的系统
的系统，如下图所示。
大家最熟知的典型 CPS 系统就是机器人，如第一章中展示的机器狗，
其他主要应用范围如下图所示， 包括汽车、飞机、医疗和军事领域。
例如，中国目前在世界领先的高速列车就可以说是一个 CPS 系统， 德
国 Siemens 公司的 Achatz 在 2007 年曾指出，BMW 汽车就是“一个
计算机的网络"。
CPS 包含了基于嵌入式系统和网络通信和控制的人工智能、泛在计
算、环境感知（AmI）等功能（下图）,它是集通信与控制和集成计算
于一体的下一代智能系统，通过人机交互接口实现和物理世界的交互的
一个紧凑的物理实体。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。
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