智能時(shí)代的信息物理融合系統(tǒng)

◎中國科學(xué)院院士 管曉宏

一、概述

信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是“兩化—融合”。其中，兩化是指網(wǎng)絡(luò)化和智能化，網(wǎng)絡(luò)化跨越裝置、地域、甚至跨越天地，智能化體現(xiàn)為裝置和系統(tǒng)控制與決策的高度智能化；融合是指信息物理融合，是信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)和人的高度融合。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)定義，信息物理融合系統(tǒng)是計(jì)算單元和物理對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高度集成交互而成的智能系統(tǒng)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，是孕育中的第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展趨勢(shì)是無線（5G）與有線主干網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)的融合。在智能時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)是信息網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)高度融合的結(jié)果；區(qū)塊鏈、智能移動(dòng)終端、AR、虛擬數(shù)字服務(wù)等已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)科技應(yīng)用的新方向；量子計(jì)算與通信、激光互聯(lián)網(wǎng)等作為具有顛覆性的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)正在快速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)科技將逐步實(shí)現(xiàn)無線（5G）與有線主干網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)的融合。

在信息物理系統(tǒng)中，人根據(jù)自身認(rèn)知進(jìn)行創(chuàng)造性思維，確定決策目標(biāo)；信息系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)決策目標(biāo)獲取信息，學(xué)習(xí)知識(shí)，作出控制與決策；物理系統(tǒng)進(jìn)行信息的感知、傳感，并且執(zhí)行決策當(dāng)中的指令。人工智能的目的不是要用機(jī)器徹底代替人，而是把人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)各自的功能重新劃分，明確哪些是需要機(jī)器做的，哪些是人做的。

我們對(duì)信息系統(tǒng)有什么要求呢？首先，系統(tǒng)要有固有的智能，這個(gè)智能要融入在系統(tǒng)當(dāng)中。其次，系統(tǒng)要能夠優(yōu)化資源和能源消耗，提高系統(tǒng)效率。當(dāng)前，提高系統(tǒng)效率、降低資源和能源消耗是解決或緩解能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題最有效、最無爭(zhēng)議的途徑。過去我們只需要考慮系統(tǒng)的物理安全、故障等，現(xiàn)在由于信息無所不在，信息高度融入了系統(tǒng)，還要考慮信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的綜合安全。

二、典型應(yīng)用

信息物理融合系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括智能制造、智能工廠、智能交通、智慧城市、智能航空航天系統(tǒng)，信息物理融合的能源系統(tǒng)或者能源互聯(lián)網(wǎng)等。

管曉宏院士作主題報(bào)告

（一）制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

制造業(yè)的社會(huì)化大生產(chǎn)，實(shí)際上是100多年前開始的。企業(yè)從自動(dòng)化走到30年前的信息化，計(jì)算機(jī)、信息進(jìn)入人類的生產(chǎn)制造活動(dòng)，再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化、智能化?？蛻魧?duì)制造系統(tǒng)提出了多樣化、個(gè)性化、高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)等新需求，新的制造技術(shù)例如3D打印、激光制造、微納制造等對(duì)制造提出了新的定義，政府環(huán)保部門有新的要求，制造業(yè)面臨著巨大的壓力。信息物理融合系統(tǒng)通過云計(jì)算可以把用戶、生產(chǎn)商和服務(wù)商通過云平臺(tái)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化、決策的智能化、協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、過程的綠色化、制造服務(wù)化和產(chǎn)業(yè)生態(tài)化。

現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)字孿生技術(shù)是一個(gè)備受關(guān)注的研究方向?；谛畔⑽锢砣诤舷到y(tǒng)泛在的感知，把物理系統(tǒng)當(dāng)中的信息收集起來，實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)造了一個(gè)虛擬空間，通過在線仿真，基于模型和大數(shù)據(jù)深度分析，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算智能決策、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行以及基于邊緣計(jì)算精準(zhǔn)的自執(zhí)行，最后將虛擬空間中作出的決策反饋到物理空間。所以，制造系統(tǒng)有兩個(gè)空間：一是物理空間，二是虛擬空間，形成了所謂的數(shù)字孿生體。

（二）在服務(wù)型制造中的典型應(yīng)用

以疫苗生產(chǎn)和使用為例。前段時(shí)間，我們的疫苗出了問題，這對(duì)每個(gè)家庭來說是非常嚴(yán)重的問題。這次疫苗事件主要是運(yùn)輸過程中出了問題。因?yàn)橐呙邕\(yùn)輸對(duì)環(huán)境溫度有非常高的要求，如果溫度超高，疫苗就失效了。信息物理融合技術(shù)可以采用RFID系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，RFID非常小，但是可以存儲(chǔ)非常多的信息。有人夸張地說，可以給地球上每個(gè)沙子都編上號(hào)。這樣，給每一個(gè)批次、具體產(chǎn)品都編上號(hào)，材料的選擇、生產(chǎn)制造過程中所有參數(shù)和生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)都可以放在里面。由于它本身帶傳感器，可以把運(yùn)輸過程中所有參數(shù)，包括溫度、濕度等這些疫苗所要求的數(shù)據(jù)放進(jìn)去。當(dāng)大夫要給孩子注射時(shí)候，通過云平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)判斷這盒疫苗是否合格，從而在技術(shù)上解決了疫苗設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)運(yùn)和服務(wù)過程中遇到的這些問題。

（三）在智能家居、智能樓宇、智能交通和智慧城市中的應(yīng)用

在智能家居方面，室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施，所有的家電、設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)連起來，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境和設(shè)備的控制。在智能樓宇方面，樓宇CPS作為基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)基于舒適度的樓宇節(jié)能與安全控制，可以用最節(jié)能的方式為樓宇住戶提供一個(gè)舒適、安全的環(huán)境。

新型的智能交通系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)感知、交互、車路協(xié)同，基于群體智能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)的交通服務(wù)和車路協(xié)同。如果這種新型交通平臺(tái)存在的話，可以避免載重車超載，橋梁翻塌等事故發(fā)生。所有橋的載重，應(yīng)該是清清楚楚的，車過橋的時(shí)候，車載系統(tǒng)就應(yīng)該明確告訴司機(jī)，現(xiàn)在的載重遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了橋的載重，不能通過。交管系統(tǒng)可以通過交通管制、交通警察等方式停止超載汽車的行駛，就不會(huì)發(fā)生那樣的悲劇。

信息物理融合的智慧城市系統(tǒng)作為基礎(chǔ)設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)舒適、安全、節(jié)能、環(huán)保的城市規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行。所有信息進(jìn)入到這個(gè)智能系統(tǒng)中，城市的規(guī)劃和優(yōu)化決策都應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)。

（四）能源電力行業(yè)應(yīng)用

信息物理融合的能源系統(tǒng)也稱為信息物理融合的能源供需系統(tǒng)?？稍偕履茉慈顼L(fēng)能、太陽能都取決于大氣環(huán)境，可以把工業(yè)終端能源需求和家用終端能源需求形成一個(gè)巨大的系統(tǒng)，支持雙向流動(dòng)，以最節(jié)能的方式為人類提供能源。

信息物理融合能源供需系統(tǒng)

基于氫能的信息物理融合的分布式融合系統(tǒng)是我們正在進(jìn)行的研究工作。這項(xiàng)工作可能會(huì)徹底顛覆傳統(tǒng)能源電氣結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源電力市場(chǎng)化，加速能源革命，所以含氫分布式燃料能源系統(tǒng)需要特別關(guān)注。其中，正在突破的技術(shù)有光催化制氫、常溫常壓儲(chǔ)氫技術(shù)等。富氫載體可以利用現(xiàn)有石化燃料的基礎(chǔ)設(shè)施方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售與添加，能夠?qū)崿F(xiàn)氫能驅(qū)動(dòng)冷熱電聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同轉(zhuǎn)化和近零碳排放。如果氫能將來作為主要的二次能源，它既可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以獨(dú)立運(yùn)行，就徹底改變了現(xiàn)有的能源電力結(jié)構(gòu)。氫能儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)形成的供應(yīng)鏈可以當(dāng)成石油化工產(chǎn)品一樣來運(yùn)輸，成本非常低。

在2018年綠色能源高峰會(huì)議上，我們討論的問題是綠色、分布、市場(chǎng)為標(biāo)志的能源革命是不是即將到來？由此產(chǎn)生的地緣政治是不是會(huì)改變？這都是值得我們關(guān)注的問題。因?yàn)槭澜缟虾芏鄦栴}都在中東地區(qū)，石油分布在中東地區(qū)，這是中東地區(qū)地緣政治造成的。

（五）電力系統(tǒng)中的綜合安全

當(dāng)然信息物理高度融合了以后，并不全是優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殡娏υO(shè)備實(shí)現(xiàn)了全面信息化，信息系統(tǒng)的開放性、脆弱性也為攻擊者提供了新的技術(shù)途徑，所以它是有可能產(chǎn)生重大損害的，信息攻擊可能導(dǎo)致電網(wǎng)的連鎖式崩潰。我們過去只考慮電網(wǎng)的工程安全和電網(wǎng)故障后產(chǎn)生的安全問題，現(xiàn)在需要考慮綜合安全。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室做了一個(gè)IEEE-30母線系統(tǒng)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在電力系統(tǒng)都有自動(dòng)保護(hù)，如果功率流過線以后要自動(dòng)保護(hù)。這條線如果受到攻擊或者出現(xiàn)工程故障斷了以后，按照能量守恒原理，功率流很快轉(zhuǎn)到其它線路上，可能造成相應(yīng)的線路也過流保護(hù)，以此類推，系統(tǒng)線路不斷地?cái)嚅_，然后發(fā)電機(jī)組不斷從系統(tǒng)當(dāng)中切除，最后形成一個(gè)個(gè)孤島，系統(tǒng)徹底解鏈，發(fā)電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)徹底崩潰，這是我們通過仿真看到的景象。

工程故障會(huì)導(dǎo)致巨大問題。2003年8月14日，美國東北部的一處電網(wǎng)出現(xiàn)了一個(gè)機(jī)組故障和一個(gè)線網(wǎng)故障，再加上能源管理系統(tǒng)報(bào)警失靈，20多分鐘內(nèi)五大電網(wǎng)崩潰，500多臺(tái)機(jī)組從系統(tǒng)當(dāng)中解鏈，5千萬人受到影響。這純粹是由于工程故障，造成了連鎖式的故障，不是受到了信息攻擊。

組網(wǎng)：從太空研究地球磁場(chǎng)（歐空局SWARM項(xiàng)目）

（六）航天工程中的應(yīng)用

微型化、網(wǎng)絡(luò)化、商業(yè)化的航天服務(wù)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。SpaceX公司準(zhǔn)備發(fā)射1萬多顆衛(wèi)星甚至更多衛(wèi)星在太空中組網(wǎng)，促使經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性、靈活性、智能化等需求的提出。它和5G的通信網(wǎng)絡(luò)無縫對(duì)接，所以在太空當(dāng)中分布式組網(wǎng)技術(shù)受到異常關(guān)注。上圖是一個(gè)典型的信息物理融合的太空通信系統(tǒng)。

三、面臨的問題和挑戰(zhàn)

下面從系統(tǒng)工程角度來分析一下信息物理融合系統(tǒng)面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。

一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模型。信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)高度融合之后，需要考慮微觀與宏觀的信息物理融合，包括定量化連續(xù)離散和混合系統(tǒng)的描述，以及信息共生、數(shù)字孿生的非數(shù)學(xué)描述。我們用關(guān)聯(lián)多重網(wǎng)絡(luò)模型描述了多種能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間的關(guān)系和拓?fù)滢D(zhuǎn)換關(guān)系，將其中的耦合關(guān)系用節(jié)點(diǎn)模型描述，描述節(jié)點(diǎn)能量平衡和多種能源介質(zhì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，最后用流量模型描述能量傳輸平衡和信息關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過分析能量流-信息流時(shí)空多尺度耦合特性，提出了多種能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間的拓?fù)潢P(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系建模方法，為CPES優(yōu)化理論與方法研究提供基礎(chǔ)。

二是含智能的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)理論和方法。一個(gè)具有智能的系統(tǒng)，需要計(jì)算智能的定量描述和人工智能的非定量描述、機(jī)器智能和人在系統(tǒng)中的智能，同時(shí)還需要智能體之間的溝通與理解。舉個(gè)例子，幾年前，世界上最好的男聲合唱團(tuán)俄羅斯亞歷山大紅旗合唱團(tuán)的近百位世界頂級(jí)藝術(shù)家乘坐的飛機(jī)起飛幾分鐘后就墜入了黑海。黑匣子打撈上來后發(fā)現(xiàn)飛機(jī)沒有故障，是飛行員在起飛不久把爬行狀態(tài)改成著陸狀態(tài)，于是飛機(jī)高速接近海面，最后解體。唯一的解釋就是飛行員疲勞駕駛。以飛機(jī)駕駛系統(tǒng)為例，如果它具有智能，就應(yīng)該提醒駕駛員正在做什么，是什么狀態(tài)。所以，飛機(jī)系統(tǒng)如果具有智能的話，很大程度上就能避免這樣的悲劇發(fā)生。

三是信息物理融合系統(tǒng)的整體控制、決策、優(yōu)化和運(yùn)營理論。它們包括相關(guān)的優(yōu)化理論、控制理論、天地之間系統(tǒng)控制、多時(shí)間尺度的控制決策理論、多智能體之間的控制決策和博弈等問題。

四是信息物理融合系統(tǒng)的綜合安全。需要解決安全模型、多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系、工程安全和網(wǎng)絡(luò)信息安全異構(gòu)管理的數(shù)據(jù)、基于CPS綜合安全機(jī)理與數(shù)據(jù)的監(jiān)控和防衛(wèi)等問題?？傊畔⑾到y(tǒng)和物理系統(tǒng)高度融合以后，信息無所不在，需要保證它的綜合安全。

四、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化、智能化和信息物理融合是信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，是國際科學(xué)前沿，也是國家的重大需求。智能時(shí)代信息物理融合系統(tǒng)的關(guān)鍵理論和技術(shù)，在即將到來的新工業(yè)革命、新技術(shù)革命和新能源革命中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。解決信息物理融合系統(tǒng)微觀、宏觀系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型，系統(tǒng)智能性的規(guī)劃設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體的控制、決策、優(yōu)化、運(yùn)營理論與方法，系統(tǒng)綜合安全等，對(duì)建立信息物理融合系統(tǒng)的理論體系，推動(dòng)重大應(yīng)用并取得效益是至關(guān)重要的。