1.1.4　信息物理系统与电子信息技术

电子信息技术创立与广泛应用开发始于20世纪，在21世纪得以高速发展。电子信息技术的广泛大规模应用已经从工业生产自动化设备、装置与系统延伸到人类社会生活的细节之处，其功效不只是提高自动化程度和社会生产效率，而是正在逐步影响人类生活的方式，甚至影响现代社会的发展。对应到交通中的应用，电子信息技术的应用已不再局限于在道路交通系统中安装信号控制装置和交通信息装置，实际上道路交通系统中几乎每辆车、每个出行者都拥有了先进的电子信息装置，信息已经融合渗透交通进程的每个细节。电子信息正在悄悄但是深刻地改变着道路交通系统和人的交通出行。

信息物理系统发展首先是由电子信息技术高速发展引导的，因而研究开发首先围绕相关信息技术。信息物理系统首先是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C——计算（Computation）、通信（Communication）和控制（Control）——有机融合深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，如图1-2所示。

图1-2　信息物理系统与3C技术应用示意图

随着对CPS研究的深入，有学者提出将3C的核心概念逐步向“5C+5Any”的核心概念转换，5C分别是融合（Convergence）、通信（Communication）、计算（Computing）、连接（Connectivity）、内容（Content）；5Any分别是任意时间（Any Time）、任意地点（Any where）、任意服务（Any service）、任意网络（Any Network）和任意对象（Any Object）。通过人机交互接口的实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。

信息物理系统的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治5大功能。本质上说，信息物理系统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。通常所说的控制是系统之间不对称的相互作用，现有的控制系统通常由控制器和被控制对象组成，是封闭的系统，面向有限的工业控制问题，信息的流动封闭，范围有限。而信息物理系统则把通信放在了与计算和控制同等重要的地位上，信息物理系统强调的是分布式计算和协同，电子信息计算设备之间的协调是离不开通信的。

初期相关研究认为，信息物理系统深度结合嵌入式实时系统，集传感、控制、计算及网络技术于一体，通过网络将信息系统与物理系统连接在一起，构成一种大型的、异构的分布式实时系统。因而，从电子信息系统的视角，面向装置、功能、模块和构件将信息物理系统进行了层次划分，主要包括感知层、网络层、认知层和控制层。

（1）感知层由传感器等感知设备组成，负责探测、感知物理世界的某些物理属性，如交通路网流量、路口排队长度、交通出行延误、环境污染参数等，实现多感知器协同感知物理进程状态。

（2）网络层连接信息空间与物理空间的各种对象，实现数据交换，支持协同感知和协同控制的CPS实时网络，为系统提供实时网络服务，保证网络信息的实时传输。

（3）认知层通过对感知数据的处理、计算、分析和推理，正确和深入地认识物理进程。该层分为认知逻辑层、管理逻辑层和认知适配层3个子层。

（4）控制层也叫应用层。控制层根据认知层的认知结果，计算控制策略，发布控制指令，远程指挥各个物理设备终端协同控制物理进程，形成反馈循环控制系统。当物理进程的被控制量偏离规定值时，CPS自动产生相应的控制作用消除偏差。

在实际应用环境中，信息物理系统通过感知智能设备获得客观世界事物的信息，并对感知到的信息进行分析和智能化处理，与通信对象进行交互，完成与应用相关的任务。其中，大量的传感器以无线通信方式协同完成对物理环境或物理对象的监测感知，传感器网络对感知数据做进一步的数据融合处理，将得到的信息通过网络层的基础设施传递给应用层，决策控制单元与执行器通过网络化分别实现协同决策与协同控制。

信息物理系统首先在国家主要工业领域得到应用，包括汽车、电力、水资源、航空航天、国防、工业自动化、健康医疗设备等。例如，在未来的机器人足球比赛中，当某个机器人准备传球时，它会收集每个同伴自身的和检测到的信息，然后通过计算得出一个最佳传球方案，并且将该方案传给所有队员，让队员们配合这个传球过程，通过这种方式可以提高整个球队的水平。实际上，这种方式也可以应用于交通中，道路上的车辆之间通过通信和计算得出最佳行车路线，并避免各种交通事故；同时也可应用于电力系统中，各个站点通过信息传递从而动态调整负荷，避免大规模级联故障，保障电网安全等。这些系统的运行其实就是复杂网络的动力学过程，只不过这些过程集合了复杂网络中的信息传播、同步、博弈等多种动力学过程，因此研究的内容更加复杂，具体的研究内容有很多，如系统规则（或协议）的制定——如何制定规则才能使系统在最短的时间内达到最佳状态，此外还可以研究各种外界因素是如何影响系统运行的等。信息物理系统在这些与电子信息系统密切关联的系统上的应用研究，为其应用到更为复杂的交通系统上探索了基本方法和基本理论。

道路交通系统比其他一些大型工程系统更为复杂，最直接和明显的原因是有人的直接参与。这使得道路交通系统兼具大量特殊的系统特性，因此，有必要以道路交通系统运行面临问题和相关需求作为研究导向和拉动，并展开交通信息物理系统研究。