“信息物理系统”

网络物理系统定义

网络物理系统（CPS）是计算与物理过程的集成。嵌入式计算机和网络监控和控制物理过程，通过反馈回路，物理过程影响计算，反之亦然。CPS的设计和功能涉及物理系统、计算（硬件和软件）和网络的协调集成。它们代表了一种适用于各个行业复杂系统的新一代模型，例如交通、医疗保健、能源和制造业等。

演变与影响

网络物理系统的概念标志着从传统的孤立或不联网的嵌入式系统向前迈进。CPS代表了一个高级阶段，系统的嵌入计算元素互联互通，促进信息的无缝流动并实现智能决策。这种连接性使CPS能够适应新环境、响应新出现的状况，并提供更高的效率和效果。向这种系统的演变是由计算能力的进步、设备的小型化以及互联网连接的普及所驱动的。

关键组件

• 传感器和执行器：传感器从物理世界收集数据，执行器根据计算决定进行物理变化。
• 嵌入式系统：集成于物理组件中的小型强大计算机，用于处理数据和做出决策。
• 网络连接：在CPS内部组件之间以及CPS与外部网络之间进行通信的关键。

跨领域应用

• 智能电网：提高电力生产和分配的可靠性、效率、可持续性和安全性。
• 自动驾驶汽车：利用CPS处理大量传感器数据，以安全有效地导航。
• 工业控制系统：利用CPS进行工业过程的实时监控和控制，提高效率和安全性。
• 医疗设备：在设备中集成CPS以实时监控患者健康，促进及时医疗干预。

网络物理系统的工作原理

在网络物理系统中，传感器监测物理环境并收集数据。这些数据由嵌入式计算机系统使用先进算法进行处理。处理后的信息用于控制执行器，直接与物理环境互动。这种紧密互动促进：

• 实时监控：持续数据收集和分析以即时了解当前状态。
• 控制与自动化：对变化条件进行自动响应，无需人工干预。
• 智能决策：利用高级分析和机器学习进行预测和主动行动。

实施中的挑战

尽管CPS具有显著潜力，但在实施中存在固有挑战：

• 安全和隐私：在互联环境中确保数据的完整性并防止未经授权的访问。
• 设计和操作的复杂性：管理物理和计算组件复杂的相互作用。
• 与现有系统的集成：与各部门的遗留系统无缝集成CPS。

预防建议

为了应对其中一些挑战，尤其是与安全性相关的挑战，建议采用以下实践：

• 强大的身份验证机制：限制对CPS计算组件的访问至关重要。
• 定期软件和固件更新：应对可能被利用的漏洞至关重要。
• 加密和安全通信协议：保护数据完整性和机密性在CPS网络内外的重要性。

新兴趋势和未来发展方向

网络物理系统的持续演变正在引领更加自治、高效和智能的环境。新兴趋势包括：

• 提高自治性：利用人工智能和机器学习实现更多自主决策过程。
• 更紧密的集成：网络物理系统与物联网（IoT）设备的更紧密集成，增强能力和功能。
• 可持续性关注：利用CPS提高能源使用效率、减少浪费，并推动各行业的可持续实践。

相关术语

• Internet of Things (IoT)：代表涵盖互联设备和系统的更广泛概念，CPS可被视为其子集，提供更综合的方法与物理世界互动。
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)：与CPS工业方面密切相关的系统，专注于远程位置的控制和数据采集。
• Endpoint Security：保护CPS至关重要，专注于保护网络端点或作为此类系统固有部分的边缘设备。