“將來有一天，當你邁步準備橫穿馬路時，你的鞋子會提醒你暫時不要過馬路，因為正有一輛汽車高速駛來。”中科院院士何積豐在2009中國計算機大會上做主題演講時表示，“你可能覺得這是天方夜譚，但這確實是美國智能交通系統制定的目標。”

　　早在2001年，記者在微軟中國研究院舉辦的“二十一世紀的計算”大會上曾經獨家專訪過來自微軟美國研究院的Lampson，當問及到當前研究的興趣時，這位曾經在IT產業的圣地——施樂PARK實驗室工作的圖靈獎獲得者表示，他正在研究如何讓交通事故造成的死亡率變為零。當時記者覺得這不是一般的不靠譜，畢竟汽車沒有長眼睛，于是也沒有深究下去。

　　隨著近幾年信息物理系統的崛起，這研究卻變得現實起來。

　　CPS：讓地球互聯起來

　　2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上于2006年2月發布的《美國競爭力計劃》則將信息物理系統(Cyber Physics System，CPS)列為重要的研究項目。

　　到了2007年7月，美國總統科學技術顧問委員會(PCAST)在題為《挑戰下的領先——競爭世界中的信息技術研發》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數據、數據存儲與數據流、網絡、高端計算、網絡與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。

　　何積豐院士認為，CPS的意義在于將物理設備聯網，特別是連接到互聯網上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。

　　本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別于現有的控制系統。

　　控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發明了數控技術到如今基于嵌入式計算系統的工業控制系統遍地開花，工業自動化早已成熟，其在人們日常居家生活中，各種家電具有控制功能。

　　但是，這些控制系統基本是封閉的系統，即便其中一些工控應用網絡也具有聯網和通信的功能，但其工控網絡內部總線大都使用的都是工業控制總線，網絡內部各個獨立的子系統或者說設備難以通過開放總線或者互聯網進行互聯，而且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調的分布式應用系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。

　　CPS在對網絡內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是網絡規模上遠遠超過現有的工控網絡。

　　在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學基金會(NSF)認為，CPS將讓整個世界互聯起來。“如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。”NSF計算機與信息科學和工程總監Branicky表示。

　　CPS：通吃物聯網?

　　當人們還陶醉在物聯網能夠把物與物連在一起時，沒想到CPS又冒了出來，而物聯網所擅長的基于RFID的連接，對于CPS來說太過簡單。在很多應用中，CPS對接入網絡的設備的計算能力的要求遠非RFID能比。以基于CPS的智能交通系統為例，即便是現有的人們認為已經十分復雜的汽車電子系統也無法勝任，現在的汽車電子系統根本無法實現未來智能交通系統對汽車之間的協同能力的要求。事實上，滿足CPS要求的汽車電子系統的計算通常都是海量運算。

　　海量運算往往是很多CPS接入設備的特征，因此，接入設備通常具有強大的計算能力。如果從計算性能的角度出發，把一些高端的CPS應用比作胖客戶機/服務器架構的話，那么物聯網則可視為超級瘦客戶機服務器，因為物聯網中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發生在物品與服務器之間，因此物品之間無法進行協同。

　　實際上，CPS并不排斥物聯網。應該說，物聯網是CPS的一種簡約應用，或者說，CPS讓物聯網的定義和概念明晰起來。物聯網其實就是以物流領域為主的應用。物與物之間的互聯遠非“各報家門”，知道對方“何許人也”這么簡單。

　　CPS中的物理設備指的是自然界中的客體，因此不僅指的是冷冰冰的設備，而且還包括活生生的生物。現有互聯網的邊界是各種終端設備，人們與互聯網之間是通過這些終端來進行信息交換的。而在CPS中，人成為CPS網絡的“接入設備”，這種信息的交互可能是通過芯片與人的神經系統直接互聯實現的。針對本文開頭所說的情形，我們甚至可以做這樣的假設：當智能交通系統感知到高速行駛的汽車與將要穿越馬路的行人之間存在發生碰撞的機會時，通常的做法是系統讓汽車來個急剎車，或者告訴行人“留步”，而更直接的方法是通過腦-機接口(Brain Machine Interface)讓人“不走腦子”就來個“立定”，從而避免事故的發生。

　　盡管在物聯網中也有把RIFD芯片嵌入到人體中的情形，但本質上還是RFID與讀寫器之間的通信，人并沒有介入其中。

　　感知在CPS中十分重要。眾所周知，自然界中各種物理量的變化絕大多數是連續的，或者說是模擬的，而信息空間則充斥著離散量，或者說是數字的。從物理空間到信息空間的信息流動，首先必須通過各種類型的傳感器將各種物理量轉變成模擬量，再通過模擬/數字轉換器變成數字量，從而為信息空間所接受。從這個意義上說，傳感器網絡也可視為CPS的一部分。

　　CPS：機遇與挑戰

　　如果物聯網的市場規模像人們所說的有上萬億元，那么，CPS的市場規模則難以計數，因為CPS涵蓋了小到智能家庭網絡大到工業控制系統乃至智能交通系統等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設備。

　　“下一代工業將建立在CPS之上，隨著CPS技術的發展和普及，使用計算機和網絡實現功能擴展的物理設備無處不在，并將推動工業產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業自動化、健康/醫療設備、重大基礎設施等主要工業領域的競爭力。”何積豐表示，“CPS不僅會催生出新的工業，甚至會重新排列現有產業布局。”

　　但CPS帶來的挑戰也是物聯網所無法比擬的。這些挑戰很大程度上來自控制與計算之間的差異。通常，控制領域是通過微分方程和連續的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數學的基礎上;控制對時間和空間都十分敏感，而計算則只關心功能的實現。通俗地說，搞控制的人和搞計算機的人沒有“共同語言”。這種差異將給計算機科學和應用帶來基礎性的變革。

　　在國外，CPS的聲音很強勁，歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統的研究與技術(ARTMEIS)上投入54億歐元(超過70億美元)，以期在2016年成為智能電子系統的世界領袖。

　　在國內，CPS早已淹沒在物聯網的喧嘩聲中，而實際上，國外同行起步也只有兩三年的光景，我們為時并不晚。

　　CPS定義

　　CPS是在環境感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。