管曉宏院士作主題報告
二、典型應用
信息物理融合系統的典型應用包括智能制造、智能工廠、智能交通、智慧城市、智能航空航天系統，信息物理融合的能源系統或者能源互聯網等。
（一）制造系統中的應用
制造業的社會化大生産，實際上是 100 多年前開始的。企業從自動化走到 30 年前的信息化，計算機、信息進入人類的生産制造活動，再到現在的網絡化、智能化。客戶對制造系統提出了多樣化、個性化、高質量、低成本、快速響應等新需求，新的制造技術例如3D 打印、激光制造、微納制造等對制造提出了新的定義，政府環保部門有新的要求，制造業面臨著巨大的壓力。信息物理融合系統通過雲計算可以把用戶、生産商和服務商通過雲平台聯系起來，實現産品的個性化、決策的智能化、協同的網絡化、過程的綠色化、制造服務化和産業生態化。
現代制造系統中，數字孿生技術是一個備受關注的研究方向。基于信息物理融合系統泛在的感知，把物理系統當中的信息收集起來，實際上是在計算機上創造了一個虛擬空間，通過在線仿真，基于模型和大數據深度分析，實現雲計算智能決策、優化系統運行以及基于邊緣計算精准的自執行，最後將虛擬空間中作出的決策反饋到物理空間。所以，制造系統有兩個空間：一是物理空間，二是虛擬空間，形成了所謂的數字孿生體。
（二）在服務型制造中的典型應用
以疫苗生産和使用爲例。前段時間，我們的疫苗出了問題，這對每個家庭來說是非常嚴重的問題。這次疫苗事件主要是運輸過程中出了問題。因爲疫苗運輸對環境溫度有非常高的要求，如果溫度超高，疫苗就失效了。信息物理融合技術可以采用 RFID 系統來實現，RFID 非常小，但是可以存儲非常多的信息。有人誇張地說，可以給地球上每個沙子都編上號。這樣，給每一個批次、具體産品都編上號，材料的選擇、生産制造過程中所有參數和生産環境數據都可以放在裏面。由于它本身帶傳感器，可以把運輸過程中所有參數，包括溫度、濕度等這些疫苗所要求的數據放進去。當大夫要給孩子注射時候，通過雲平台系統，實時判斷這盒疫苗是否合格，從而在技術上解決了疫苗設計、制造、儲運和服務過程中遇到的這些問題。
（三）在智能家居、智能樓宇、智能交通和智慧城市中的應用
在智能家居方面，室內物聯網作爲基礎設施，所有的家電、設備通過物聯網連起來，實現家居環境和設備的控制。在智能樓宇方面，樓宇 CPS作爲基礎設施，實現基于舒適度的樓宇節能與安全控制，可以用最節能的方式爲樓宇住戶提供一個舒適、安全的環境。
新型的智能交通系統需要實現感知、交互、車路協同，基于群體智能實現網聯平台的交通服務和車路協同。如果這種新型交通平台存在的話，可以避免載重車超載，橋梁翻塌等事故發生。所有橋的載重，應該是清清楚楚的，車過橋的時候，車載系統就應該明確告訴司機，現在的載重遠遠超過了橋的載重，不能通過。交管系統可以通過交通管制、交通警察等方式停止超載汽車的行駛，就不會發生那樣的悲劇。
信息物理融合的智慧城市系統作爲基礎設施，可以實現舒適、安全、節能、環保的城市規劃與優化運行。所有信息進入到這個智能系統中，城市的規劃和優化決策都應該可以實現。
（四）能源電力行業應用
信息物理融合的能源系統也稱爲信息物理融合的能源供需系統。可再生新能源如風能、太陽能都取決于大氣環境，可以把工業終端能源需求和家用終端能源需求形成一個巨大的系統，支持雙向流動，以最節能的方式爲人類提供能源。
組網：從太空研究地球磁場（歐空局 SWARM 項目）
微型化、網絡化、商業化的航天服務是未來的發展趨勢。SpaceX公司准備發射1 萬多顆衛星甚至更多衛星在太空中組網，促使經濟性、可持續性、靈活性、智能化等需求的提出。它和5G 的通信網絡無縫對接，所以在太空當中分布式組網技術受到異常關注。上圖是一個典型的信息物理融合的太空通信系統。
三、面臨的問題和挑戰
下面從系統工程角度來分析一下信息物理融合系統面臨的主要問題和挑戰。
一是系統結構和模型。信息系統和物理系統高度融合之後，需要考慮微觀與宏觀的信息物理融合，包括定量化連續離散和混合系統的描述，以及信息共生、數字孿生的非數學描述。我們用關聯多重網絡模型描述了多種能源介質網絡間的關系和拓撲轉換關系，將其中的耦合關系用節點模型描述，描述節點能量平衡和多種能源介質動態轉化，最後用流量模型描述能量傳輸平衡和信息關聯結構關系。通過分析能量流-信息流時空多尺度耦合特性，提出了多種能源介質網絡間的拓撲關系和轉換關系建模方法，爲 CPES 優化理論與方法研究提供基礎。
二是含智能的系統規劃設計理論和方法。一個具有智能的系統，需要計算智能的定量描述和人工智能的非定量描述、機器智能和人在系統中的智能，同時還需要智能體之間的溝通與理解。舉個例子，幾年前，世界上最好的男聲合唱團俄羅斯亞曆山大紅旗合唱團的近百位世界頂級藝術家乘坐的飛機起飛幾分鍾後就墜入了黑海。黑匣子打撈上來後發現飛機沒有故障，是飛行員在起飛不久把爬行狀態改成著陸狀態，于是飛機高速接近海面，最後解體。唯一的解釋就是飛行員疲勞駕駛。以飛機駕駛系統爲例，如果它具有智能，就應該提醒駕駛員正在做什麽，是什麽狀態。所以，飛機系統如果具有智能的話，很大程度上就能避免這樣的悲劇發生。
三是信息物理融合系統的整體控制、決策、優化和運營理論。它們包括相關的優化理論、控制理論、天地之間系統控制、多時間尺度的控制決策理論、多智能體之間的控制決策和博弈等問題。
四是信息物理融合系統的綜合安全。需要解決安全模型、多源數據的關聯關系、工程安全和網絡信息安全異構管理的數據、基于 CPS 綜合安全機理與數據的監控和防衛等問題。總之，信息系統和物理系統高度融合以後，信息無所不在，需要保證它的綜合安全。
四、結束語
網絡化、智能化和信息物理融合是信息科學與技術的發展趨勢，是國際科學前沿，也是國家的重大需求。智能時代信息物理融合系統的關鍵理論和技術，在即將到來的新工業革命、新技術革命和新能源革命中將發揮至關重要的作用。解決信息物理融合系統微觀、宏觀系統的關鍵科學和技術問題，包括系統的結構與模型，系統智能性的規劃設計，系統整體的控制、決策、優化、運營理論與方法，系統綜合安全等，對建立信息物理融合系統的理論體系，推動重大應用並取得效益是至關重要的。