【系统架构设计师（第2版）】十一、未来信息综合技术

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未来信息综合技术是指近年来新技术发展而提出的一些新概念、新知识、新产品，主要包括信息物理系统（CPS）、人工智能（AI）、机器人、边缘计算、数字孪生、云计算和大数据等技术。这些技术涉及多学科、多领域，具有很强的技术综合性，但其核心还是计算机信息技术的延伸，也是当前应用技术发展的前沿。

11.1 信息物理系统技术概述

11.1.1 信息物理系统的概念

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是控制系统、嵌入式系统的扩展与延伸，其涉及的相关底层理论技术源于对嵌入式技术的应用与提升。为了适应新一代生产装备信息化和网络化的需求，急需对计算、感知、通信、控制等技术进行更为深度的融合。因此，在云计算、新型传感、通信、智能控制等新一代信息技术的迅速发展与推动下，信息物理系统顺势出现。

CPS的定义：CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，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，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

CPS是多领域、跨学科不同技术融合发展的结果。基于硬件、软件、网络、工业云等一系列工业和信息技术构建起的智能系统其最终目的是实现资源优化配置。CPS的本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

11.1.2 CPS的实现

1、CPS的体系架构

单元级：单元级CPS是具备可感知、可计算、可交互、可延展、自决策功能同时不可分割性的CPS最小单元，其本质是通过软件对物理实体及环境进行状态感知、计算分析，并最终控制到物理实体，构建最基本的数据自动流动的闭环，形成物理世界和信息世界的融合交互。
系统级：系统级CPS基于多个单元级CPS的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。在单元级CPS功能基础上，系统级CPS还主要包含互联互通、即插即用、边缘网关、数据互操作、协同控制、监视和诊断等功能。
SoS级：多个系统级CPS的有机组合构成了SoS级CPS。SoS级CPS主要是西安数据汇聚，从而对内进行资产的优化和对外形成运营优化服务。SoS级CPS可以通过大数据平台，实现跨平台、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。

2、CPS的技术体系

CPS技术体系主要分为CPS总体技术、CPS支撑技术、CPS核心技术。

CPS总体技术：包括系统架构、异构系统集成、安全技术、试验验证技术等，是CPS的顶层设计技术；
CPS支撑技术：包括智能感知、嵌入式软件、数据库、人机交互、中间件、SDN（软件定义网络）、物联网、大数据等，是CPS应用的支撑；
CPS核心技术：包括虚实融合控制、智能装备、MBD、数据孪生技术、现场总线、工业以太网等，是CPS的基础技术。

上述技术体系可以分为四大核心技术要素：

“一硬”：感知和自动控制
- 智能感知技术：传感器技术
- 虚实融合控制技术：建立在状态感知基础上的多层”感知-分析-决策-执行“循环
“一软”：工业软件
“一网”：工业网络
“一平台”：工业云和智能服务平台

3、信息物理系统的建设和应用

智能设计
智能生产
智能服务
智能应用

11.2 人工智能技术概述

11.2.1 人工智能的概念

人工智能（Aritificial Intelligence，AI）是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。
人工智能的目标是了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似方式做出反应的智能机器。该领域的研究包括机器人、自然语言处理、计算机视觉和专家系统等。
根据人工智能是否能真正实现推理、思考和解决问题，可以将人工智能分为弱人工智能和强人工智能。