本文刊登于《网信军民融合》杂志2020年1月刊
【编者按】2019年10月30日，在西安举办的第十八期钱学森论坛上，中国科学院院士管晓宏作了题为《智能时代的信息物理融合系统》的主题报告，详细介绍了信息物理融合系统的背景以及在智能制造、智能工厂、智能交通、智慧城市、智能航空航天系统以及能源系统中的典型应用，并分析了面临的问题和挑战。本文由《网信军民融合》杂志根据现场演讲整理。
智能时代的信息物理融合系统
中国科学院院士 管晓宏
一、概述
信息科学与技术的发展趋势是“两化—融合”。其中，两化是指网络化和智能化，网络化跨越装置、地域、甚至跨越天地，智能化体现为装置和系统控制与决策的高度智能化；融合是指信息物理融合，是信息系统、物理系统和人的高度融合。结合国内外相关定义，信息物理融合系统是计算单元和物理对象在网络环境中高度集成交互而成的智能系统，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，是孕育中的第四次工业革命的基础。
网络科技的发展趋势是无线（5G）与有线主干网络、计算机网络与通信网络的融合。在智能时代，物联网是信息网络与物理系统高度融合的结果；区块链、智能移动终端、AR、虚拟数字服务等已经成为网络科技应用的新方向；量子计算与通信、激光互联网等作为具有颠覆性的网络新技术正在快速发展。网络科技将逐步实现无线（5G）与有线主干网络、计算机网络与通信网络的融合。
在信息物理系统中，人根据自身认知进行创造性思维，确定决策目标；信息系统根据这个决策目标获取信息，学习知识，作出控制与决策；物理系统进行信息的感知、传感，并且执行决策当中的指令。人工智能的目的不是要用机器彻底代替人，而是把人、信息系统、物理系统各自的功能重新划分，明确哪些是需要机器做的，哪些是人做的。
我们对信息系统有什么要求呢？首先，系统要有固有的智能，这个智能要融入在系统当中。其次，系统要能够优化资源和能源消耗，提高系统效率。当前，提高系统效率、降低资源和能源消耗是解决或缓解能源、环境和经济问题最有效、最无争议的途径。过去我们只需要考虑系统的物理安全、故障等，现在由于信息无所不在，信息高度融入了系统，还要考虑信息系统和物理系统的综合安全。
管晓宏院士作主题报告
二、典型应用
信息物理融合系统的典型应用包括智能制造、智能工厂、智能交通、智慧城市、智能航空航天系统，信息物理融合的能源系统或者能源互联网等。
（一）制造系统中的应用
制造业的社会化大生产，实际上是 100 多年前开始的。企业从自动化走到 30 年前的信息化，计算机、信息进入人类的生产制造活动，再到现在的网络化、智能化。客户对制造系统提出了多样化、个性化、高质量、低成本、快速响应等新需求，新的制造技术例如3D 打印、激光制造、微纳制造等对制造提出了新的定义，政府环保部门有新的要求，制造业面临着巨大的压力。信息物理融合系统通过云计算可以把用户、生产商和服务商通过云平台联系起来，实现产品的个性化、决策的智能化、协同的网络化、过程的绿色化、制造服务化和产业生态化。
现代制造系统中，数字孪生技术是一个备受关注的研究方向。基于信息物理融合系统泛在的感知，把物理系统当中的信息收集起来，实际上是在计算机上创造了一个虚拟空间，通过在线仿真，基于模型和大数据深度分析，实现云计算智能决策、优化系统运行以及基于边缘计算精准的自执行，最后将虚拟空间中作出的决策反馈到物理空间。所以，制造系统有两个空间：一是物理空间，二是虚拟空间，形成了所谓的数字孪生体。
（二）在服务型制造中的典型应用
以疫苗生产和使用为例。前段时间，我们的疫苗出了问题，这对每个家庭来说是非常严重的问题。这次疫苗事件主要是运输过程中出了问题。因为疫苗运输对环境温度有非常高的要求，如果温度超高，疫苗就失效了。信息物理融合技术可以采用 RFID 系统来实现，RFID 非常小，但是可以存储非常多的信息。有人夸张地说，可以给地球上每个沙子都编上号。这样，给每一个批次、具体产品都编上号，材料的选择、生产制造过程中所有参数和生产环境数据都可以放在里面。由于它本身带传感器，可以把运输过程中所有参数，包括温度、湿度等这些疫苗所要求的数据放进去。当大夫要给孩子注射时候，通过云平台系统，实时判断这盒疫苗是否合格，从而在技术上解决了疫苗设计、制造、储运和服务过程中遇到的这些问题。
（三）在智能家居、智能楼宇、智能交通和智慧城市中的应用
在智能家居方面，室内物联网作为基础设施，所有的家电、设备通过物联网连起来，实现家居环境和设备的控制。在智能楼宇方面，楼宇 CPS作为基础设施，实现基于舒适度的楼宇节能与安全控制，可以用最节能的方式为楼宇住户提供一个舒适、安全的环境。
新型的智能交通系统需要实现感知、交互、车路协同，基于群体智能实现网联平台的交通服务和车路协同。如果这种新型交通平台存在的话，可以避免载重车超载，桥梁翻塌等事故发生。所有桥的载重，应该是清清楚楚的，车过桥的时候，车载系统就应该明确告诉司机，现在的载重远远超过了桥的载重，不能通过。交管系统可以通过交通管制、交通警察等方式停止超载汽车的行驶，就不会发生那样的悲剧。
信息物理融合的智慧城市系统作为基础设施，可以实现舒适、安全、节能、环保的城市规划与优化运行。所有信息进入到这个智能系统中，城市的规划和优化决策都应该可以实现。
（四）能源电力行业应用
信息物理融合的能源系统也称为信息物理融合的能源供需系统。可再生新能源如风能、太阳能都取决于大气环境，可以把工业终端能源需求和家用终端能源需求形成一个巨大的系统，支持双向流动，以最节能的方式为人类提供能源。
信息物理融合能源供需系统
基于氢能的信息物理融合的分布式融合系统是我们正在进行的研究工作。这项工作可能会彻底颠覆传统能源电气结构，能够实现能源电力市场化，加速能源革命，所以含氢分布式燃料能源系统需要特别关注。其中，正在突破的技术有光催化制氢、常温常压储氢技术等。富氢载体可以利用现有石化燃料的基础设施方便地实现运输、储存、销售与添加，能够实现氢能驱动冷热电联供，实现多能协同转化和近零碳排放。如果氢能将来作为主要的二次能源，它既可以并网运行也可以独立运行，就彻底改变了现有的能源电力结构。氢能储运系统形成的供应链可以当成石油化工产品一样来运输，成本非常低。
在 2018 年绿色能源高峰会议上，我们讨论的问题是绿色、分布、市场为标志的能源革命是不是即将到来？由此产生的地缘政治是不是会改变？这都是值得我们关注的问题。因为世界上很多问题都在中东地区，石油分布在中东地区，这是中东地区地缘政治造成的。
（五）电力系统中的综合安全
当然信息物理高度融合了以后，并不全是优点。因为电力设备实现了全面信息化，信息系统的开放性、脆弱性也为攻击者提供了新的技术途径，所以它是有可能产生重大损害的，信息攻击可能导致电网的连锁式崩溃。我们过去只考虑电网的工程安全和电网故障后产生的安全问题，现在需要考虑综合安全。
我们在实验室做了一个 IEEE-30母线系统的仿真模拟实验。现在电力系统都有自动保护，如果功率流过线以后要自动保护。这条线如果受到攻击或者出现工程故障断了以后，按照能量守恒原理，功率流很快转到其它线路上，可能造成相应的线路也过流保护，以此类推，系统线路不断地断开，然后发电机组不断从系统当中切除，最后形成一个个孤岛，系统彻底解链，发电系统、供电系统彻底崩溃，这是我们通过仿真看到的景象。
工程故障会导致巨大问题。2003年 8 月 14 日，美国东北部的一处电网出现了一个机组故障和一个线网故障，再加上能源管理系统报警失灵，20 多分钟内五大电网崩溃，500 多台机组从系统当中解链，5 千万人受到影响。这纯粹是由于工程故障，造成了连锁式的故障，不是受到了信息攻击。
（六）航天工程中的应用
组网：从太空研究地球磁场（欧空局 SWARM 项目）
微型化、网络化、商业化的航天服务是未来的发展趋势。SpaceX公司准备发射1 万多颗卫星甚至更多卫星在太空中组网，促使经济性、可持续性、灵活性、智能化等需求的提出。它和5G 的通信网络无缝对接，所以在太空当中分布式组网技术受到异常关注。上图是一个典型的信息物理融合的太空通信系统。
三、面临的问题和挑战
下面从系统工程角度来分析一下信息物理融合系统面临的主要问题和挑战。
一是系统结构和模型。信息系统和物理系统高度融合之后，需要考虑微观与宏观的信息物理融合，包括定量化连续离散和混合系统的描述，以及信息共生、数字孪生的非数学描述。我们用关联多重网络模型描述了多种能源介质网络间的关系和拓扑转换关系，将其中的耦合关系用节点模型描述，描述节点能量平衡和多种能源介质动态转化，最后用流量模型描述能量传输平衡和信息关联结构关系。通过分析能量流-信息流时空多尺度耦合特性，提出了多种能源介质网络间的拓扑关系和转换关系建模方法，为 CPES 优化理论与方法研究提供基础。
二是含智能的系统规划设计理论和方法。一个具有智能的系统，需要计算智能的定量描述和人工智能的非定量描述、机器智能和人在系统中的智能，同时还需要智能体之间的沟通与理解。举个例子，几年前，世界上最好的男声合唱团俄罗斯亚历山大红旗合唱团的近百位世界顶级艺术家乘坐的飞机起飞几分钟后就坠入了黑海。黑匣子打捞上来后发现飞机没有故障，是飞行员在起飞不久把爬行状态改成着陆状态，于是飞机高速接近海面，最后解体。唯一的解释就是飞行员疲劳驾驶。以飞机驾驶系统为例，如果它具有智能，就应该提醒驾驶员正在做什么，是什么状态。所以，飞机系统如果具有智能的话，很大程度上就能避免这样的悲剧发生。
三是信息物理融合系统的整体控制、决策、优化和运营理论。它们包括相关的优化理论、控制理论、天地之间系统控制、多时间尺度的控制决策理论、多智能体之间的控制决策和博弈等问题。
四是信息物理融合系统的综合安全。需要解决安全模型、多源数据的关联关系、工程安全和网络信息安全异构管理的数据、基于 CPS 综合安全机理与数据的监控和防卫等问题。总之，信息系统和物理系统高度融合以后，信息无所不在，需要保证它的综合安全。
四、结束语
网络化、智能化和信息物理融合是信息科学与技术的发展趋势，是国际科学前沿，也是国家的重大需求。智能时代信息物理融合系统的关键理论和技术，在即将到来的新工业革命、新技术革命和新能源革命中将发挥至关重要的作用。解决信息物理融合系统微观、宏观系统的关键科学和技术问题，包括系统的结构与模型，系统智能性的规划设计，系统整体的控制、决策、优化、运营理论与方法，系统综合安全等，对建立信息物理融合系统的理论体系，推动重大应用并取得效益是至关重要的。
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