美国21世纪CPS教育报告简介

当前,在以航空、陆路、铁路、海运等运载系统、医疗健康、制造和能源网络等为代表的众多行业中,产品、系统、基础设施的功能和价值提升日益依赖于CPS系统。CPS系统的发展,能够催生出比人类更敏捷快速的通信和响应系统,例如汽车自动碰撞避免功能;或比人类更精确的系统,例如机器人外科手术;或能够实现对大型系统更好的控制和协调,例如电网或交通控制;或能提升系统性能,例如建筑物的智能化;同时也使得许多科学领域的进步得以实现,例如捕获天文瞬变现象的新一代天文望远镜。CPS系统能够比松散耦合、离散或手动操作的系统提供更丰富的功能,包括效率、灵活性、自治性和可靠性,但CPS系统也会带来与安全性、可靠性、互操作性等相关的新问题和挑战。美国国家科学院、工程院、医学院三家于2016年联合发布了一份长达107页的"21世纪CPS教育报告"[1](以下简称"报告")。该报告研究了CPS这一新兴领域的知识内容及其对工程和计算机科学教育的影响,提出CPS是一个新兴的学科的论断,给出了CPS本科学士学位和硕士学位的课程规划,以及土木工程、机械工程、电气工程、计算机科学等专业的课程改革方案。CPS是英文"Cyber-physical systems"一词的缩写,最早由美国国家科学基金会(以下简称"NSF")的Helen Gill提出[2]。国内目前多译为"信息物理系统",但难以确切表达原意。因此,本文以"CPS"代之。按照报告的定义,CPS是由计算机算法和物理组件无缝集成所构建的并依赖于这种无缝集成的工程系统。在这个定义中,"Cyber"指的是系统内支持决策的计算机、网络、软件、算法、数据等,"Physical"不仅仅表示物理系统部分,例如汽车的机械和电气部分,还包括与系统交互的实体世界,例如道路和行人。CPS与当今的物联网(IOT)、工业互联网、智慧城市以及机器人和系统工程等领域都密切相关。本刊在此刊出言十系列文章,旨在为相关高校新专业的设置提供借鉴。