1.3 CPS的应用领域和应用前景

CPS 以传统信息技术与物理工程技术的多学科综合技术为基础，是现代的复杂分布式系统、物联网、移动互联网、大数据、云计算、工业控制等技术融合的产物。它的应用范围十分广阔，涉及航空航天、石油石化、电力、水资源调度与污水处理、公路与轨道交通、先进制造、环境监测与灾害控制、远程医疗与辅助生活、城市管理、节能建筑和国防系统等重要基础设施的建设与管理。例如，现有的民航空中交通管制系统、电网的广域监测系统、石油油气管网的 SCADA 系统、核电站仪控系统、轨道交通的信息与监控系统、集散式工业控制系统、汽车智能电子系统与车联网、光伏监控系统、金融网络系统等均属于CPS。

这里我们以汽车领域的CPS为例，如图1-5所示。车载信息服务（Telematics，Telecommunication+Informatics）是汽车电子、信息技术与通信技术的融合体，该系统由CAN Bus把汽车电子每个 ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）的信息收集至车载的 TCU（Telematics Control Unit，远程信息控制单元），通过无线通信后台的TSP（Telematics Service Provider，远程信息处理服务提供商）组成远程车载信息服务系统，向驾驶员和乘客提供动态交通信息、紧急情况应对、远程车辆诊断、中心电话语音导航和辅助导航线路下载以及信息发布、电子邮件、在线娱乐等互联网服务。该系统主要收集计算实时路况信息、拥堵状态，由每一辆车作为传感器组成传感器网络，当携带传感器的车辆足够多时，每部车可以提供车速反馈给服务器端，服务器端可以据此计算交通道路拥堵情况信息供车主参考，辅助车主做出最佳路线选择等决策。

CPS在汽车领域的应用是现实可行的服务产品，向汽车厂商收费或者向查询路线/车流量信息的车主收费，向有获得此数据需求的交通主管部门收取开发费用，是较为可行的商业模式。首先，上述远程车载信息服务系统的服务定位就是面向驾驶员和乘客，提供动态交通信息、最佳行车路线选择、紧急情况应对、远程车辆诊断、中心电话语音导航和辅助导航线路下载以及信息发布、电子邮件、在线娱乐等定制化的互联网服务，这些服务就体现了用户思维。其次，远程车载信息服务系统涉及的信息物理节点众多、种类繁多，系统数据涉及车内各种传感器、用户请求等产生的实时数据、路面上其他传感器车辆的实时数据信息、导航数据、车辆诊断数据、第三方信息服务数据等，是一个庞大的数据信息网络。系统越要提供智能、精细化服务，就越具备海量数据处理和分析能力，这就是大数据思维。最后，远程车载信息服务系统提供的服务是多元化的，采用了物联网、多路网络通信、云计算、大数据等各种新兴信息技术，涵盖了交通、电信、娱乐、媒体、旅游等多行业数据的融合和展现，体现了跨界思维。

图1-5 汽车领域的CPS

综上所述，新一代科学与工程研究利用CPS将计算与物理单元进行更好的连接与融合，增强了系统的自适应性、子系统或组成单元的自治性、系统的整体效能、可靠性、安全性；网络的广泛应用可以极大地降低建筑、制造等系统的运维成本。因此，这也极大地拓宽了CPS 的应用维度，扩充了人类的行为能力与范围，例如：在事故、冲突或碰撞发生前的及时干预；提高机器人手术和纳米级制造领域的操作精度；在危险的或人类难以到达的环境中的作业，如地球外太空探测、救援、灭火、深海勘探；空中交通管理或空战中的协调与调度；净零能耗的建筑的效能管理等。可以预见的是，随着移动互联技术更加广泛的应用，CPS 技术将在智能制造、智慧城市等面向未来的工业信息化变革中发挥更加重要的作用，具体见表1-1。

表1-1 CPS的发展与应用前景

续表