1.1国内外研究现状述评
(一)信息物理社会的大致轮廓
1.信息物理社会的主要内涵
信息物理社会的定义为:在传统信息物理系统关注计算、通信和控制融合的基础上,考虑人类与社会特征,形成“人在回路”(human-in-the-loop)的感知与计算系统。数据成为连接信息、物理和社会空间的重要载体,物理与社会空间数据通过网络传输到信息空间,而信息空间则经过计算与决策,对物理与社会空间进行反馈。
进入人人可拥有多终端的移动互联时代,任何由原子构成的实体产品,都离不开比特。例如,在美国加州设计、中国装配的iPhone与iPad的售价里,1 /3基于原子,2 /3基于比特。比特的增值力,使苹果成为最富有的公司,而富士康以工人健康与环境为高昂代价,仅获得微利。这一事实证明,任何产品的突破性创新与盈利能力,都是原子与比特联姻的产物,智能产品必将越来越普及,信息物理社会的智能化建构亟待提上议事日程。
2.信息物理社会的平面模型
对于信息物理社会,可以借用物理世界、信息世界和人类社会的模型来加以解释。世界由物理世界同与之镜像对称的信息世界所组成的,信息世界则由物理世界的物理性质、自然规律、自然法则等构成的。信息世界不依赖于观测的主体而存在,并能被观测的主体所反映。人类社会横跨物理世界与信息世界,并用自己的语言描述与整理对物理世界与人类自身的观测。人类由现有信息引导,在进行生产活动与社会活动的过程中,不断认识物理世界,并整理自己的信息世界。人类用声音、文字、图画、图像、动漫等手段记录信息,并用书籍、磁盘、图书馆、数据库、信息网络等方式将它们保存下来。
3.信息物理社会的基本架构
信息世界正在从人机共生,转型到人机物三元世界——信息世界(Cyber World)、物理世界(Physical World)、人类社会(Human Society)。作为一个多人、多机、多物组成的动态开放的网络社会,人机物三元世界的“互联互通”,是当前信息科学与社会科学相互交融的一场重要革命。
随着信息物理社会的发展,新一代信息与通信技术,将充分运用到各行各业,把传感器、感应器等智能装置嵌入电网、交通、建筑、工厂、货物等各种物体与环境之中,并通过有线与无线网络加以连接,形成物联网,再通过超级计算机与云计算,将物联网同互联网整合在一起,实现人类社会活动与物理系统之间的无缝衔接:
图1 基于信息物理系统模式的社会架构
未来社会发展,作为人们实现求生存、求发展的社会协同实践,必然进一步从深层次展现社会发展主体组织与管理其系统与系统环境关涉物质、能量、信息的协同质量。这类协同质量的程度,将是衡量社会发展运行状态及其系统功能结构优化的重要因素。物质、能量、信息的有机协同,将激励与推进广义社会协同发展向高级化、科学化和系统化渐变,建构起真正意义上的信息物理社会。
(二)信息物理社会的不同解读
时空理论,是信息物理社会发展的根基。综合考虑时间与空间,形成统一时空观,再增加虚拟时空维度,构成统一的时间-空间-序间结构体系,是开展生产、消费以及流通等经济运行与政府行政、企业履责、公民维权等社会运行的基础。不过,就目前而言,对于拟议中的信息物理社会,学术界的看法并不统一,尚有不同的解读。
1.广义社会发展系统
协同发展的理论基础,在于从系统科学与社会发展理论的有机融合中,寻找表征与证据,支持广义社会发展系统协同运作的发展管理哲学思维,其协同发展的重要本质特征,应是物质、能量、信息的有机协调合作。
反映人类社会发展的“广义社会发展系统”(General social Development System,GSDS),既是系统自组织与有组织的有机结合过程,也是一种自组织取代另一种自组织的不断更新过程。这种过程本身,又在于其深层次中蕴藏着物质、能量、信息的有机协同作用。正是这种内在的协同机制,促使外化的社会发展,以系统的协同特征,客观存在于世界之中。这种物质、能量、信息三位一体的程度,反映了社会协同发展的水平与质量;社会协同发展的组织管理效率,则体现了物质、能量、信息的和谐状态及其与序间的关联度。
2.社会物理信息系统
社会物理信息系统(Cyber-Physical-Social Systems,CPSS),是在信息物理系统的基础上,进一步纳入社会信息、虚拟空间的人工系统信息,将研究范围扩展至社会网络系统,注重人脑资源、计算资源与物理资源的紧密结合与相互协调,使得人员组织通过网络化空间,以可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控物理实体。
社会物理信息系统,将成为实现未来工业体系中智能企业与智慧管理的基础。在联通的复杂世界中,有效整合各种资源与价值,迈向平行化、透明化、扁平化的智能制造管理。
3.社会信息物理系统
信息物理社会,也称社会信息物理系统(SCPS)。它以物联网为基础,通过网络,把分布在整个价值链上的制造功能单元连接起来,实现多层次制造资源的集成。
各类单元通过虚拟化技术封装成为制造服务,进入云制造资源池,成为社会化的制造资源,从而实现跨整个价值网络的信息连接。
4.信息物理社会融合系统
目前,在信息物理融合系统中,除了包括信息与物理特征,一些与社会相关的要素,被不断加入进来。这样的系统,被称为信息物理社会融合系统(cyber-physical-social system,CPSS)
数字信息技术,使人类文明第一次拥有了两个存在形态:一个是现实空间的文明形态,另一个则是数字空间的文明形态。这两个文明形态相互依存,进行着复杂的能量交换。它们对人类未来命运的影响,将是长远而深刻的。
概括起来,上述对信息物理社会的不同解读,可谓异中有同、同中有异。有的强调物理因素,有的强调信息因素,还有的强调社会因素;有的突出物理与信息之间的融合,有的突出物理与社会之间的融合,有的突出信息与社会之间的融合,还有的突出物理、信息、社会三者之间的融合。融合发展,则是其共同的价值取向。
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18. 陆扬:《析索亚“第三空间”理论》,《天津社会科学》2005年第2期,32~37页
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20. 朱杰:《增强现实技术简述》,《科技传播》2014年第2期,149页
21. 郭楠、贾超:《<信息物理系统白皮书 (2017)>解读(上)》,《信息技术与标准化》2017年第4期,36页
1.2选题意义和价值(对基础研究,着重结合国际科学发展趋势,论述项目的科学意义;对应用基础研究,着重结合学科前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题,论述其应用前景)
选题意义和价值
进入21世纪,人类全面启动信息电子化的发展进程:各种信息技术与信息产品不断涌现,并推动人同机器、设备以及网络之间加速融合;电子信息空间逐渐融入现实生活的物理空间,成为人类生存与生活的第二空间;人们能够随时随地通过各种各样的信息设备,从物理世界获取信息,并进行信息交互,从而使认识物理世界的维度与尺度不断扩大。这种变革,深刻影响着当前以及未来人类的生存与发展方式。因此,探讨信息与人类信息活动的本质及其内在逻辑,意义日益重大。
我们知道,控制论研究系统的状态、功能、行为方式和变动趋势,系统论要求把事物当作一个整体或系统来研究,信息论则侧重从量的方面研究系统的信息如何获取、传输和控制。然而,在解决当前复杂信息系统问题时,往往需要同时融合这三大理论与方法。因此,物质、能量、信息之间在具体问题上的边界,正变得越来越模糊。在“场”的意义下,三者之间没有根本性的界限,不过是场的实物态、凝聚态粒性物与虚物态、弥漫态波粒物而已,很难将它们严格区别开来。
以计算机技术与互联网技术为标志的信息技术革命,极大地改变了人与人之间的沟通方式。不难预料,以传感器技术与信息物理融合为标志的新一代信息技术革命,将彻底改变人与物理世界的交互方式,不仅可以实现物物相连,而且足以实现物与物之间的有效协作。信息世界同物理世界相互影响,是未来的发展趋势之一。将信息世界中计算机精确而强大的计算能力、大规模的数据处理能力应用于物理世界,从而达到无所不在的智能,将是继计算机、互联网之后信息技术的发展方向之一,因为真正的“智能”,并不需要人们刻意感知,而是在不知不觉中改变人们的工作模式、生活方式乃至思维习惯。
2.1本课题研究的主要内容
l 泛在网络(Ubiquitous Network) 根据国际电信联盟的定义,泛在网络,是指在预订服务的情况下,个人/设备无论何时、何地、何种方式,以最少的技术限制,接入到服务与通信的能力。
l 信息土地 土地,是物理空间里的一种物质存在形式,是其他事物存在的有形载体。如果采用云计算的思维,可以将它定义为一种平台。所以,网络空间同样存在土地。为了区别于物理空间里的现实土地,不妨把网络空间里的土地称为“信息土地”。换句话说,信息土地是网络空间里的一种信息存在形式,是其他事物得以存在于网络空间的无形载体。比如,百度、阿里、腾讯(BAT),在网络空间里各自开辟属于自己的信息土地,并分别通过搜索引擎、网络店铺(淘宝、天猫)和即时通讯(QQ、微信)等进行开发,然后利用这些信息产品的功能获取财富。
l 电子实务 完善包括电子政务、电子商务和电子社区在内的电子实务,是信息物理社会建设的重要路径与具体抓手。对整个世界来说,信息物理社会将使互联网同世界融合。未来人类社会,就是一个“超进化”(MEGA)信息物理社会。互联网思维,将成为我们看待世界的第一视角;融合发展,则将成为时代的主题之一。
l 智慧城市 运用信息与通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术,实现城市智慧式管理与运行,进而为市民创造更加美好的生活,促进城市的智能化与可持续发展。
l 智慧地球 “智慧地球”包括三个维度:更透彻地感应与度量世界的本质与变化;促进世界更全面地互联互通;所有事物、流程、运行方式均实现更深入的智能化,企业因此获得更智能的洞察。根据设想,在“智慧地球”时代,IT将变成让地球智慧运转的隐性能动工具,弥漫于人、自然系统、社会体系、商业系统和各种组织中。
2.2研究目标
通过确立“序间”作为信息的的坐标,可以在序间-空间-时间基础上,建构一个紧凑而简洁的物理统一理论的基本框架,作为信息科技的理论基础。在此基础上,通过对信息物理空间的理念阐释和信息物理系统的机理探析,可以勾勒出信息物理社会的大致轮廓,理解信息物理社会的不同解读,明确信息物理社会智能化建构的基本路径:构筑泛在网络、开发信息土地、完善电子实务、建设智慧城市、打造智慧地球。
2.3重点与难点
重点
本项目研究重点在于探索建构信息物理社会的路径。主要包括:
1.构筑泛在网络
2.开发信息土地
3.完善电子实务
4.建设智慧城市
5.打造智慧地球
本项目研究难点在于:
一、信息物理社会的平面模型
对于信息物理社会,可以借用物理世界、信息世界和人类社会的模型来加以解释。人类由现有信息引导,在进行生产活动与社会活动的过程中,不断认识物理世界,并整理自己的信息世界。人类用声音、文字、图画、图像、动漫等手段记录信息,并用书籍、磁盘、图书馆、数据库、信息网络等方式将它们保存下来。
二、信息物理社会的基本架构
信息世界正在从人机共生,转型到人机物三元世界——信息世界(Cyber World)、物理世界(Physical World)、人类社会(Human Society)。作为一个多人、多机、多物组成的动态开放的网络社会,人机物三元世界的“互联互通”,是当前信息科学与社会科学相互交融的一场重要革命。
随着信息物理社会的发展,新一代信息与通信技术,将充分运用到各行各业,把传感器、感应器等智能装置嵌入电网、交通、建筑、工厂、货物等各种物体与环境之中,并通过有线与无线网络加以连接,形成物联网,再通过超级计算机与云计算,将物联网同互联网整合在一起,实现人类社会活动与物理系统之间的无缝衔接。
2.4主要观点
1.随着5G、wifi、紫蜂协议(zigebee)等无线网络技术的发展,泛在网络环境快速发展并逐渐完善,不仅实现了“无处不在”的网络环境,而且网络传输速度越来越快、越来越稳定。泛在网络的日渐成熟,昭示了智慧住区未来的发展趋势:住区设备智能化水平提升;人为管控弱化,全场景人工智能应用;标准化支撑系统集成与网络安全。在泛在网络时代,随着智慧住区标准化建设体系的完善,住区对于各种人、物、事信息的综合处理,将会更加便捷化、智能化、主动化和个性化,住区的管理与服务水平,将会得到迅速而明显的提升。
2.从全球发展趋势来看,人类获取财富的方式,正在发生革命性的重大改变。网络空间里的“圈地运动”大幕,正在徐徐拉开。财富竞争,从物质领域,转移到了信息领域。虚拟世界里的信息土地,是现实土地的逻辑映射,其所承载的信息财富,是物质财富的逻辑抽象形式,具有相等的价值。比特币,便是一个典型的实例。
3.完善电子实务
就一个国家而言,与电子实务相关的行为主体主要有三个,即政府、组织、居民。政府的电子实务活动,也主要围绕这三个行为主体展开,包括政府与政府之间的互动,政府与企事业单位尤其是企业之间的互动,政府与居民之间的互动。
4.建设智慧城市
智慧城市,就是运用信息与通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术,实现城市智慧式管理与运行,进而为市民创造更加美好的生活,促进城市的智能化与可持续发展。
随着人类社会的不断进步,未来城市将承载越来越多的人口。目前,我国正处于城镇化加速发展时期,部分地区“城市病”问题日趋严峻。为解决城市发展难题,实现城市可持续发展,建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流,也是构建信息物理社会的智能化路径之一。
2.5创新之处
随着信息技术的发展,信息物理系统与人类社会不断融合,逐渐形成信息物理社会(Cyber Physical Society),使人类面临新的生存与发展空间。信息物理社会不仅关心信息空间与物理空间,而且关心人类、知识、社会和文化,试图将物理空间、信息空间同人类社会连接成一个整体。信息物理社会的出现,具有重要的科学意义。信息物理社会的研究,则可能带来信息科学与技术的社会化革命。未来,历史学家回眸过去时,将不再使用公元前与公元后来断代,而将使用前信息物理系统时代与后信息物理系统时代来研究人类历史。
信息物理社会的意义,甚至可以超过哥伦布发现新大陆,因为它将从空间、时间甚至序间维度上,深刻地改变人类社会。从空间维度来观察,信息物理社会使得数字世界将不再仅仅是现实物理世界的映象,而将成为人类新的生存空间。从时间维度来观察,信息物理社会使现实物理世界的发展速度,向数字世界靠近。从序间维度考察,信息物理社会这个空间没有边界,一切物体之间的联系,均以光速进行,以至于人类社会的发展速度,将呈指数级别增长。
时空理论,是信息物理社会发展的根基。综合考虑时间与空间,形成统一时空观,再增加虚拟时空维度,构成统一的时间-空间-序间结构体系,是开展生产、消费以及流通等经济运行与政府行政、企业履责、公民维权等社会运行的基础。不过,就目前而言,对于拟议中的信息物理社会,学术界的看法并不统一,尚有不同的解读。
在信息物理社会中,空间不再是原初的几何学图像。借助信息技术所建构的空间,置身于经济、社会、文化的意蕴之中,具有了更加丰富的社会历史意义。
2.6基本思路和技术路线(或技术路线、实验方案及可行性分析)
基本思路
一、“序间”概念及其关联性
二、信息物理空间的理念阐释
(一)信息物理空间的理解与开发
(二)信息物理空间的相关理念
三、社会保障管理系统的机理探析
(一)社会保障管理系统的核心概念
(二)社会保障管理系统的基本原理
(三)社会保障管理系统的发展趋势
四、信息物理社会的智能化建构
(一)信息物理社会的大致轮廓
(二)信息物理社会的不同解读
(三)信息物理社会的建构路径
技术路线
图2 物理世界到信息世界的抽象过程
实验方案
1.“物理-信息对偶空间”
物理空间与信息空间之间,存在一种对偶关系。为此,一些专家提出“物理-信息对偶空间”理论,认为信息技术的发展,使得人们生活在一个由计算与通信技术所构成的信息空间与物理空间共存的空间中。这两个空间之间不是简单并列,而是密切关联的。如果把这种关联称为对偶,那么,这个共存空间则可称为“物理-信息对偶空间”(physical-cyber dual space),简称对偶空间:
图3 物理-信息对偶空间的对偶关系
因此,物理空间与信息空间融合的本质,就是发现并建立对偶关系。
物理空间中的实体——物体,跟信息空间中的实体——对象,各有不同的性质:物理空间中的物体是物理的存在,具有体积、重量、空间位置等空间属性,用户可触摸物体,即可利用人类的各种感官进行交互,但物体之间的关系却是蕴含的,物理空间中发生的各种活动或事件,只能保存它们的结果,而无法保存其过程;信息空间则是人工建立的虚拟空间,对象本身没有物理属性,用户无法直接通过感觉跟它们进行交互,但对象之间可以方便地建立与表示各种关系,并可方便地把动作与事件的过程记录为下来,以备必要时检索,网络购物过程中的物流信息即是如此。
2.“数字孪生”
起源于航天飞行器健康维护与保障的“数字孪生” (Digital Twin),将打造居民生活的信息物理空间。
数字孪生,又称数字镜像、数字双胞胎,或数字化映射,是一种实体空间与虚拟空间的数字化、网络化、智能化的映射关系,在物理与数字两个空间,同时记录个体全生命周期的运行轨迹。
未来,数字孪生将逐步向生活领域延伸,通过采集居民健康、教育、出行、娱乐、消费等领域的大数据,破除以往局限于单一领域的数据挖掘与智慧应用的孤岛,建立面向个人全生命周期的多领域融合、多维度展现、全综合分析的数字孪生体,并通过对来自不同领域大数据的聚合学习,为个体的生活与工作提供更科学、更精准、更可靠的预测与指导。
3.虚拟信息世界的历时轨迹
信息世界,经历了从虚拟、虚拟现实到感知世界的发展过程。技术充分展现客观世界的人性化本质,人类通过对时间、空间的控制与对序间的理解,将物质世界虚拟为自在的信息世界。虚拟信息世界形成的过程,大致可以分为几个阶段——群落虚拟信息(1450-)、群落连接成区域虚拟信息(1650-)、洲际虚拟信息(1850-)、全球虚拟信息(1990-)、虚拟信息世界与现实物理世界的融合(2020-):
图4 虚拟信息世界形成的过程
可行性分析
应用前景
作为一种新兴技术,信息物理系统代表了下一代核心信息技术,甚至被称为“第三次信息革命”。可以说,信息物理系统既是一种理念、思想,也是一项技术与方法,更是当前各行各业力求实现的目标。
作为深度嵌入式、分布式实时网络系统,信息物理系统的技术潜力,在于通过网络技术,将传感器技术、控制技术与计算技术充分融合,把信息系统与物理系统连成一体,从而改变人与现实物理世界之间的交互方式。
作为未来经济增长的新亮点,信息物理系统将掀起下一次信息技术革命的新浪潮。它桥接了原来完全分割的虚拟世界与现实世界,使得虚拟网络世界智能化,并基于物理世界与虚拟世界的相互连接,有机地实现信息交互,能够优化物理世界设备之间的控制、操作和传递,构成一个泛在、绿色、智能、高效的物理世界,使得现实世界更加丰富多彩。
技术分析:基于信息物理空间建构智能化社会保障管理系统的设计涉及模式识别、传感技术、电子、控制、计算机、机械和电源等多个学科。
团队成员现状分析:团队成员专业涉及计算机和电子领域,有相关技术研究经验,并在电子设计大赛中获得佳绩,开发过体质测量系统,具有一定设计制作经验,技术功底强硬。指导老师在嵌入式方向具有丰富的经验。 环境条件分析:实验室有研究所需设备器材,相关电子器件费用在成员所能承担范围内。
2.7研究方法
1.系统交互原理
信息物理系统的基本原理,主要体现为系统交互原理:
图5 信息物理系统中信息世界与物理世界的相互关系
由上图可见,信息物理系统的本质,是一个网络化的物理设备网络。在该系统中,信息世界可以感知物理世界的状态与动态变化,并根据这些信息,实现对物理世界的实时控制。
因此,信息物理系统,实质上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、应用服务过程中的复杂性与不确定性问题,提高资源配置效率,实现资源优化。
信息物理系统连接虚拟空间与物理现实世界,使物理实体能够相互通信,能与虚拟世界相互作用,创造一个真正的网络互联物理实体的世界。
2.技术发展路线
信息物理系统的主要思想,是从物理世界获取大量信息,通过信息世界处理以后,提供给用户;用户则根据这些信息,将物理行为反馈到物理世界之中。当然,也可能是信息世界直接对物理世界进行控制。
信息物理系统的技术路线,可以概括为“两条路线、一个参与”。“两条路线”中,第一条是从物理世界到信息世界,即通过感知单元,将物理世界的一切转换成信息,并将这些信息导入信息世界进行处理;第二条是从信息世界到物理世界,即信息世界对物理世界进行反馈,包括对物理世界的查询、控制、调度等操作。这两条路线,构成一个封闭的回路,相互影响、相互制约,缺一不可。“一个参与”是指,在这个回路中,人必须参与其中。这不仅因为人本身就存在于物理世界之中,更因为只有人参与到回路中,才能使信息物理系统能够实时满足人的需求。
3.本研究的预期成果(包括成果名称、成果形式、成果字数、完成时间、社会效益等)
预期研究成果形式
1、申请到专利或获得专利申请号
2、制作出实物(科技发明)
3、调查报告
4、专业论文
预期研究成果水平将达到国内领先水平,拟提交的成果包括:基于信息物理空间的社会保障管理系统的智能化建构设计评价技术推广研究报告。建成基于信息物理空间的社会保障管理系统的智能化建构样板,作为后续市场推广示范,预期可以产生巨大社会经济效益。
4.1前期相关研究成果
开发完成一套,包括系统软件、主机、数据接口、传输分站、基于信息物理空间建构智能化社会保障管理系统,并可以连接传感器在内专业职业安全健康环境监控系统,该系统同时可以读取借用其他安全监控系统的数据,实现综合分析,智慧分析、智慧控制的目的。完成全部样机制造,并在矿井安装使用。
通过确立“序间”作为信息的的坐标,可以在序间-空间-时间基础上,建构一个紧凑而简洁的物理统一理论的基本框架,作为信息科技的理论基础。写出研究报告;开展雾化效果与水压、水量关系的研究,写出研究报告。
开展信息物理空间建构智能化社会保障管理系统的研究,写出研究报告。总体研究的技术报告、试用报告、设计图纸等一系列的研究制造文件。 提出信息物理空间建构智能化社会保障管理系统系统的国家行业标准的草稿。
计划所用时间:2021年11月至2023年6月。
分析项目要实现的功能,完成整体流程分析。(3个月完成)
设计功能模块,进行电路设计:包括电路图绘制,pcb板制作及调试。(5个月完成)
研究核心芯片,编写各个模块代码,逐个实现模块功能。(5个月完成)
整合模块,搭建系统,完成各个模块的融合。(6个月完成)
系统整体测试阶段,实验获取测试数据,分析数据,完善算法。对本研究项目进行整理,生成研究报告。(3个月完成)
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