信息产业新革命之争： 物联网还是CPS？

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1、8 专题 第6卷第4期2010年4月 Frequency Identification，RFID）等信息传感设备 与互联网连接起来，进行信息交换的网络，可实现 智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。如图1所 示，物联网就是把我们生活中的各类物品和它们的 属性标识后连到一张巨大的互联网上。这使得原来 只是人与人交互的互联网升级为连接世界万物的物 联网了。通过网络，人们可以得到各类事物的信 息。对这些信息的处理、提取并合理运用将使人们 的生产和生活都大受裨益。 2. CPS是一个综合计算、网络和物理环境的复 杂系统，通过3C（Computation、Communication、 Control）技术

2、的有机融合与深度协作，实现现实世 界与信息世界相互作用，提供实时感知、动态控制 和信息反馈等服务。如图2所示，CPS在信息方面就 像一面镜子，通过传感技术与通信技术将现实世界 与信息虚拟世界一一对应起来。它的控制反馈功能 又把镜子两侧的世界互动了起来。信息世界可以控 物联网在中国已成为一项热点技术。从2009年 社会各界都对这一新兴技术密切关注并展开了一系 列的研究和讨论工作。在多方推动下，物联网大有 成为继计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮 的势头。与此同时，CPS（Cyber-Physical System） 作为另一项新兴科技进入人们的视线，与物联网展 开信息产业的发展趋势之争。本文

3、从定义、发展历 程、关键技术、应用实例和学术研究等多个角度对 物联网与CPS这两大领域进行了系统的分类比较。 藉此抛砖引玉，探讨信息产业未来的发展方向。 物联网与CPS 学术界对物联网和CPS最先开始关注。许多著名 学府（如美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学） 的学者都对这两项信息技术做了深入研究。在概念 建立之后，IBM等企业开始投入并设计制造了一些 小规模的试用实例。物联网和CPS虽然是两项相对独 立的技术，但是两者因为关键技术相近，应用案例 相似，有很多相通之处，常常给人带来概念上的混 淆。甚至有不少人认为两者只是叫法上不同，实质 上却是相同的。本文先从它们的概念上进行区分。 概念 由于

4、还在探索的过程当中，无论是物联网还是 CPS都还没有一个明确定义。比较公认的解释如下： 1. 物联网是把所有物品通过射频识别（Radio 孔令和 伍民友 上海交通大学 信息产业新革命之争： 物联网还是CPS？ 关键词：物联网 Cyber-Physical System Cyber-Physical Internet 图1 物联网示意图 9 第6卷第4期2010年4月 制物理世界的事物或环境，物理世界亦可以影响信 息世界的事物或环境。CPS让现实世界和信息世界 形成一个闭环系统。 物联网强调网络的连通作用，而CPS更强调网 络的虚拟作用。在迪斯尼探索（QUEST1）中有一 个看起来与普通视频游戏

5、差别不大的驾车游戏。不 同的是，屏幕上显示的图像是装在一辆真实小车上 的摄像机所拍摄的，而这辆小车是行驶在一个真实 的迷宫里。游戏者操纵虚拟世界里的小车，也同时 操纵着现实世界里的小车，后者再把现实世界的图 像传回虚拟世界。这个典型案例十分形象地描绘了 CPS系统。 发展历程 物联网 1. 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息 社会世界峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布了国际电 信联盟互联网报告2005：物联网1，正式提出

6、了 “物联网”的概念； 2. 第一届物联网会议IoT2008于2008年3月在瑞 士苏黎世召开； 3. 第二届物联网会议IoT2010将于2010年11月 在日本东京召开。 CPS 1. 2006年10月美国国家科学基金会召开了CPS的 专题研讨会（Workshop），并成立了一个专门的研 究小组，由数十位著名教授组成。在2006年至2008 年间还召开了若干专题的CPS研讨会； 2. 2008年4月起美国每年举行一次C P S周 （CPSWeek），聚集世界各国的学者共同讨论技术 发展； 3. 实时系统领域国际知名学术会议RTSS（IEEE Real-Time Systems Simposi

7、um，实时嵌入式系 统研讨会）在2008年开始为C P S开辟了专题 （Session）； 4. 分布式计算领域著名学术会议ICDCS于2009 年组织了CPS的专题研讨会，并且从2010年起也将 开辟专题接收CPS的学术论文； 5. 第一届CPS国际学术会议ICCPS（International Conference on Cyber-Physical Systems）将于2010 年4月在瑞典斯德哥尔摩召开。本次会议将由ACM （Association for Computing Machinery）和IEEE （Institute of Electrical and Electronic

8、 Engineers）联 合支持。CPS周也将同期举行。 从发展历程来看，物联网与CPS分别受两大领 域的支持，走两条不同的平行发展路线。物联网概 念在欧洲和亚洲得到了广泛的关注，并且备受国际 电信联盟推崇。而北美更认同发展CPS。美国自然科 学基金会更是给予了大量研究经费的支持，先后已 经资助了99个CPS项目。相对来说，物联网受到了工 业界的较多关注，而CPS吸引了学术界的更多目光。 应用实例 信息技术的革新都是以人为本为服务于人为目 的，其在实际生产生活中的应用是我们关心的重大 问题之一。物联网与CPS发展至今，都已有多项应用 案例。我们将通过这些案例在应用领域上面的分类 来比较它们各自

9、的特有属性，来区分两者的差异。 1 一个室内交互式主题公园，位于市中心的沃尔特迪士尼世界度假区。 图2 CPS示意图 10 专题 第6卷第4期2010年4月 物联网与CPS的应用领域都非常广泛，几乎可 以覆盖我们生活生产中的每个方面。但物联网与 CPS也各有其特定的应用领域。如图3所示，我们分 别用红色与黄色的圈来表示物联网与CPS的应用领 域。它们也有共同的应用领域，用橙色表示。 物联网与CPS的共同应用领域包括航天、通 信、智能建筑、医疗健康、生产制造、军事、安全 隐私、环境监控、娱乐多媒体和交通运输等。已有 的实际案例包括： 1. 文献2对医疗辅助系统做了研究。他们通过 让病人身穿带有射

10、频识别和传感器的衣物，可以得 到病人的心跳电压等健康信息并上传网络，医生可 以通过PDA（Personal Digital Assistant，个人数字 助理）等设备进行远程即时诊断并安排护士帮助病 人治疗。文献3研究了从微观到宏观的医疗CPS系 统，同时提出了这一研究领域的诸多挑战。 2. 提醒系统的应用大大方便了人们的生活。文 献4设计了一种在日常工具上的自动提醒系统。例 如，在雨伞上加上一个小装置，可以通过网络获知 室外是否下雨，若下雨或即将下雨，则在用户出门 时自动发出声音，提醒带伞出门。文献5设计了一 个能在电器浪费电能时提醒主人并自动关闭部分电 器的家庭节能系统。老人摔倒提醒系统通

11、过在老年 人身上安装加速度与重力传感器，当老人摔倒时发 送短信通知家人。 3. 在智能交通应用中，上海交通大学的TIG项 目在2005年就开始运作6。通过收集上海四千辆出租 车的实时信息，结合历史数据来计算实时路况。该 系统还有计算最优路径，公交车到站时间等应用。 物联网特有的应用领域包括物流、食品溯源、 保险和回收利用等。已有的实际案例包括： 1. 文献7开发了一套酒类信息系统。这套系统 通过扫描酒类饮品的电子标签，利用手机或其它智 能手持设备可以在网络上寻找并显示这一酒类的详 细介绍和价格对比，方便用户采购。 2. 文献8提出了对象识别系统。该系统通过摄 像头取景，可以辨识出所拍摄景物并给

12、予相关详细 信息。该系统可应用在旅行和迷路情况下。 3. 文献9提出了基于物联网的物流应用的挑战 和难点。 CPS特有的应用领域包括机器人、智能农场 等。已有的实际案例包括： 1. 美国麻省理工学院的分布式机器人花园 （Distributed Robot Garden）实验是CPS的经典案 例。在一个小规模花园中，传感器收集温度、湿 度、光照等信息。计算系统根据这些信息来自动控 制撒种、松土、灌溉、施肥的时间和量，让植物在 无人照看的情况下顺利的生长。 2. 文献10提出了对火灾和污染的识别跟踪系 统的实现挑战和构想。 3. 著名的WII游戏机（是任天堂公司在2006年 推出的新一代电视游戏机

13、）也是一种CPS，它通过 玩家在传感设备的输入，来控制虚拟游戏，让玩家 在参与到游戏中时拥有更高的体验感。这是现实世 界与虚拟世界互动场景的典型案例。 就定义而言，物联网与CPS的相同点颇多。它 们都需要感知技术、计算技术、信息的传递与交互 技术；两者的目的都是增加信息世界与物理世界的 联系，使计算能力能更有效地服务于现实应用。它 们也有着明显的区分。物联网强调全球连通的概 念，把世界万物连接到一起；CPS更强调循环反馈 的概念，要求这个系统能够在感知物理世界之后， 通过通信与计算再对物理世界起到反馈的控制作 用。例如：通过网络查询快递的物流信息就是一项 简单的物联网应用；而农田的自适应灌溉系

14、统就属 于CPS的范畴。分析上述案例的应用领域分类不同， 我们可以发现物联网与CPS有如下应用属性区别： 标识信息 物联网的应用领域多基于对物体的 图3 物联网与CPS应用领域相交 物联网 CPS 11 第6卷第4期2010年4月 标示和传感信息的记录，然后通过对此类信息的查 询与追溯来实现物联网的应用。而CPS无记录所有 标示和传感信息的要求。 闭环机制 在CPS的应用领域中，系统根据传感 到的信息进行计算，并利用控制能力与现实世界相 互作用。相比之下，物联网没有虚拟世界与现实世 界相互反馈的闭环机制的要求。 人为参与度 物联网是规模化的信息整合，一 般还是需要人的参与和主动搜索。而CPS大

15、多已经 是一个闭环系统，能够自适应调整，并且几乎无需 人工参与。 根据上述属性，即使在相交的应用领域里，物 联网与CPS也常常根据它们特有的属性应用于不同 的方向。以智能交通为例，在我国若干城市开始试 行的公交手机一卡通，即把手机当作交通一卡通来 支付无人售票的公共交通费。这一应用只是感应手 机的ID号与网络中的信息匹配，并从中扣取费用， 不产生对现实世界的控制。所以这项应用及公交行 业无线视频监视平台、智能公交站台、电子票务和 车管专家等业务都属于物联网范畴的。而智能红绿 灯通过传感当前十字路口的车流情况并与周围十字 路口交换信息，自适应调节红绿灯的转换周期，从 而最好地保证十字路口的吞吐量

16、，是CPS在智能交 通中的典型应用。其他CPS应用还包括无人驾驶车 辆等。 关键技术 由于传感器网络、射频识别、普适计算、云计 算和实时系统等信息科技的飞速发展，在它们的技 术支撑下物联网和CPS概念得以提出和发展。 物联网与CPS关键技术的主体非常接近。这些 关键技术包括：射频识别技术与无线传感器网络的 技术、通信与网络技术、软件技术、硬件技术、数 据处理技术和安全隐私。 射频识别技术与无线传感器网络的技术是物联 网与CPS最基本的技术之一，用于标识物体和对客 观环境的物理属性的传感。相对而言，物联网更多 的基于射频识别技术，而CPS更依赖于传感器网络 技术。出于对应用发展的需求，射频识别技术首先要 解决的技术难题是全局标识。现有的射频识别标准各 异并不统一，如果要全部接入互联网则需有统一的标 准。而传感器网络同样面临大规模应用的问题，异构 传感器网络整合使用还有许多实现问题需要解决。 由于单个标识或传感设备在物联网与CPS中使 用的意义不大，所以通信与网络技术成为必不可 少的关键技术。它解决的是将标识和传感信息接 入自组织（Ad hoc）网络或互联