赛博物理系统源起与发展

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计算机科学家爱德华·李曾经给出过赛博物理系统最简洁、最宽泛的定义，计算和物理过程的集成。

然而，更细节的，又等于什么都没说：赛博物理系统的创新开辟了一个新兴的多学科合作领域，将计算机科学和控制理论与多个工程领域、自然科学和医学联系起来。

赛博物理系统越来越多地与提高物理过程控制的性能、生产力和能源效率联系起来。

区块链的概念引入后，当赛博物理系统相互连接时，由自治系统及其相互通信和交互创建一个由系统集群系统组成的新整体。

研究人员和从业者正在设计具有更高水平的自动化和连接性的自动驾驶汽车并对其进行原型设计。

医疗保健部门正在开发新的医疗应用程序，以更好地支持和治疗患者，包括用于监测医院或家中患者的自主植入设备和系统架构。

其他相关赛博物理系统应用包括制造和加工厂中的工业控制系统 、机器人技术、为社区提供基本服务的关键基础设施中的控制系统（例如，智能电网、供水和污水处理系统），以及自主军事防御导弹等。

自从海伦·吉尔在2006年在美国国家科学基金会创造赛博物理系统这个术语以来，相关的出版物数量呈指数级增长。

考虑到赛博物理系统的发展和关键应用，政府机构和工业合作伙伴将赛博物理系统的研究工作视为优先事项。

美国国家科学基金会将赛博物理系统定义为“由计算和物理组件的无缝集成构建并依赖于其的工程系统”。

类似地，拉库马等将赛博物理系统描述为“其操作由计算和通信核心监控、控制、协调和集成的物理和工程系统。”

一般来说，这些和其他定义强调计算机集成以控制物理组件。

根据阿卢尔，这种网络-物理整合源于对物理世界做出反应的传感器和执行设备。

然而，这些定义倾向于假设赛博物理系统是控制一组技术组件的自治系统。

这一定程度上，忽视或未能区分人类在赛博物理系统控制架构中的重要和不断发展的角色。

因此，有必要将赛博物理系统视为一种特殊类型的社会技术系统，其特点是一些新的和增强的关键特征。

正如我们将区块链视为一种制度技术一样。

本文是一篇研究文章，探讨“赛博物理系统”，并不代表任何政府组织，也并不意味着本人持有任何政治倾向。

部分资料来源于海伦·吉尔、爱德华·李、拉库马、阿卢尔、谢里登、帕拉休拉曼、莱韦森、纳尔逊·古兹曼、莫滕·威德、伊戈尔·科津、玛丽·伦德泰根，错误的请归于我，偶尔正确的，请归于他们。

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105，赛博物理系统源起

“计算和物理过程的集成”的定义，可能会掩盖赛博物理系统关键特征的识别，即证明将这一广泛系统分组到一个通用类的共同特征。

在检查赛博物理系统应用程序时，人们可能会质疑将如此广泛的应用程序（例如自动驾驶汽车、智能电网、机器人、尖端工业控制系统、智能医疗设备和军事防御系统）概念化为赛博物理系统这一共同类别的好处。

事实上，这种概念化只有在提供实用见解并促进解决这些应用程序中的常见问题时才会有用。

例如，系统“汽车”类有助于为不同的制造商提供安全标准和设计指导，即使他们使用不同的技术并提供道路驾驶以外的辅助功能。

此外，尽管汽车与其他车辆（例如摩托车、卡车、自行车）相比有很大不同，但可以将所有这些系统归类为“道路车辆”，以生成通用的基础设施和交通规则。

考虑到赛博物理系统作为一种类别，爱德华·李确定了计算中使用的抽象中的一系列基本挑战。

他强调计算机系统需要满足赛博物理系统的时序要求，即与物理世界交互的网络系统中的并发和实时计算。

阿卢尔专注于计算组件及其集成的设计、建模和验证原则，提出了赛博物理系统的一组关键特性。

他特别提到了反应式计算、并发性、反馈控制、实时计算和安全关键应用程序。

尽管这组特征是对赛博物理系统进行分类的起点，但我们认为需要把人加入到赛博物理系统设计架构中，并具有安全和安保影响。

此外，我们通过分析其他与赛博物理系统相关但不完全相同的新兴系统和范式来补充阿卢尔的概念化。

居内什等承认赛博物理系统领域的广泛性和模糊性。

他们提出了一项综合调查，将赛博物理系统与物联网 、机器对机器通信M2M、机电一体化等相关研究领域和概念进行了比较。

然而，他们没有明确识别赛博物理系统的关键特征，以应对其安全和安保挑战，即保护赛博物理系统目标免受可能影响系统或其环境的无意和蓄意的风险来源。

在本节中，我们将从两个角度来研究赛博物理系统的特征。

第一个观点是众所周知的方法，从嵌入式系统ES开始赛博物理系统的演变。同时介绍这一观点如何与物联网的相关领域相关联，从而模糊了赛博物理系统和物联网之间的区别。

第二种观点从控制论出发，打开了不再植根于嵌入系统的更广阔的格局。这种观点考虑了导致赛博物理系统的工业过程和制造中控制系统的演变。即使有将控制设备嵌入物理组件的趋势，我们也认为这些特征对于定义赛博物理系统并不是必须的。

通过综合前面提到的两个观点，我们定义了赛博物理系统的关键和附属特征，强调需要明确地包括人类操作员在赛博物理系统中的角色。

105.1 第一视角：从嵌入式系统到赛博物理系统和物联网

通常将赛博物理系统视为嵌入式系统的升级。

嵌入式系统是用户看不到的小型计算机。它们的起源可以追溯到 1970 年代，包括“集成在为特定目的而设计的机械或电气系统中的硬件和软件”。