1.1.1　信息物理系统的产生

20世纪数字计算机、通信网络、传感检测等电子信息技术的发展彻底改变了人类生产、生活的方式，甚至进行科学研究的方式。这种情形进入21世纪以来继续强势扩展：通信网络无所不在，海量的移动生活用品、各类设备装置也可互联互通高速通信；数字计算可嵌入任何电子装置中，计算能力呈级数拓展，可全球连接、共享、协作形成巨大的计算空间；各类型传感器体积更小、精度更高、能耗更小，通信连接构成巨大的传感网络，等等。大有信息无所不在、通信无所不联、计算无所不能、数据无所不全、监控无所不及之势。然而，经常看到的现实却是：大量最先进的计算机信息系统、复杂电子装置和高速通信网络等信息技术被快速拿来应用，但大城市的道路交通依然拥堵不堪，国家级电网还很脆弱，各种大型基础设施仍然面临不同风险。显然，要使人类建造的大型工程系统高效、可靠、可信、可控地运行，绝非仅添加大量先进电子计算信息技术装置这样简单，而是对信息科学基础研究的全新挑战。这种挑战既来自信息科学技术发展和应用本身，也来自操控人类建造的大型工程系统运行的客观需求。

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一种通过信息进程（或称计算进程）与物理进程融合，应用计算、通信和控制技术，使大型系统高效、安全、可靠、可信运行的系统构建方法和运行控制理论。

1948年诺伯特·维纳（Norbert Wiener）借用1845年法国安培创造的新词“Cybernetics”命名当时新的学科控制论，发表控制论的奠基之作Cybernetics:or Control and Communication in the Animal and the Machine（《控制论：或关于在动物和机器中控制和通信的科学》）。Cyber-取自Cybernetic的前缀，源自希腊语副词Κυβερνητικός，意思是掌舵技能或操控技能，现多用于表达对系统运动或人类行为有影响（或控制、操纵）作用的“网络化的控制信息”的意思。Cyber表达的是一种互联互通形成的信息“虚拟空间”，这个虚拟空间依赖电子信息系统及通信网络而存在，但不是电子信息系统及通信网络本身。相关研究中将Cyber译成信息，与物理（Physical）对应的表达，即信息与物理之“虚拟”与“实在”的对应表达，Cyber与常用的Information一词不同之处在于其强调虚拟与作用。Cyber-Physical还隐含信息与物理融合的意思，因此根据对Cyber-Physical Systems本义，许多中文文献译成“信息物理融合系统”，突出了融合，随着认知和研究的深入，逐渐不需要中文“融合”二字来表达概念的内涵。同样将Cyberlization称作“信息化”，但与现在常用的信息化（Informatization）表达的意思是不同的。Cyberlization表达的是“以信息形式在虚拟空间中表达原型系统的关键品性”，含有“虚拟化表达”的意思。

CPS的概念最早由美国国家基金委员会在2006年提出。2006年2月，美国科学院发布的《美国竞争力计划》将CPS列为重要的研究项目。美国总统科学与技术顾问委员会（PCAST）于2007年把CPS作为网络与信息技术领域的第一项提案。2008年成立的美国CPS指导小组在《CPS执行概要》中，把CPS应用放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等方面。欧洲联盟2007—2013年在CPS相关的嵌入智能与系统的研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元。除此之外，美国国家科学基金会（NSF）和欧洲第7框架（FP7）的大型科研资助计划，也都投入了大量经费。

从2009年开始，CPS逐渐引起国内有关部门、学者及企业界的广泛关注和高度重视。《国家重点基础研究发展计划、国家重大科学研究计划2010年重要支持方向》中包含了“物联网的演进”（Cyber-Physical Systems）。2010年1月，国家863计划信息技术领域专家组在上海举办了“信息物理融合系统CPS发展战略论坛”，探讨了CPS科学基础及其关键技术、国民经济领域CPS应用系统示范及国家急需的CPS应用系统战略布局，并就3G网络与CPS融合、智能电网的CPS应用、CPS技术发展与智能交通、CPS技术在数字医疗、数字农业、公共安全等领域的应用进行了研讨。

本书重点探讨信息物理系统应用于道路交通系统管理与控制相关理论和方法。