2.4　应用分析：CPS在智能电网、智能交通和智能医疗中的应用

CPS的应用领域十分广泛。不仅是在制造业，在其他行业中也有着广泛的应用。下面就以智能电网、智能交通和智能医疗为例，介绍CPS的应用。

2.4.1　智能电网

对于像德国和欧洲这样的国家和地区，能源的消耗也正处于一场巨变当中。长期以来，人们都认为，能源可以从传统的发电企业（煤炭发电、燃气发电、核能发电等）逐渐被可再生能源所替代。

但是，风能和太阳能并不总是可以随时获得的——它们依赖于天气和一天里不同的时间。这种波动的和分布式的能源会根据季节与地区对消费产生不同的影响。然而，从稳定的能源供应角度来看，电网的供应总是要多于需求。因此，对于分布式的能源及其波动供应需要进行更多的管理。为了实现这一目标，可以进行能源转换（例如能源的存储、气能转换），能源的价格也可以根据供应进行灵活的设计。但是，这就需要广泛的信息管理，不断地记录消费者数据、建立消费预测，并对设备进行管理。为了在未来确保能源的可靠供应，要求电网必须做到智能。无论是能源生产企业、能源存储设施、电网管理者还是能源消费者，相互之间都需要连接起来。这实际上就是建立一个“能源互联网”或“智能电网”（见图2-32），这也是德国政府从2007年以来就开始推动的项目。而CPS则是这一项目的基础技术。

智能电网（Smart Grid）是包括各种发电设备、输配电网络、用电设备和储能设备在内的，以物理电网为基础，将现代化的先进传感测量技术、网络技术、通信技术、计算技术、自动化和智能控制技术等与物理电网进行高度集成而形成的新型电网。它是一个完全自动化的供电网络，其中每一台发电设备、每一个输配电设备乃至用电设备和每一个节点都得到了实时监控，并保障从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流与信息的双向流动。

从上述定义中可以发现，智能电网的目标和CPS有着很多相似点，CPS为解决智能电网的问题提供了一种新的途径。智能电网里有很多的网络（Cyber）单元（例如：信息网络、传感器、执行器、控制器、控制软件等）以及物理（Physical）单元（例如：转换器、发电机）等。表2-1所示是智能电网中的传感器和控制器。

智能电网可以给相关方（发电厂、供电方、客户）提供关于电力应用优化的预测性信息和有关建议。它可以获得有关需求的响应、动态的价格调整、实时和在线的设备监控与测量、自愈保护、分布式发电和可选能源、实时模拟、紧急状况分析等。很显然，智能电网可以看成是“系统的系统”，涉及信息技术和电力系统的运营和管理。显然，实现一个这样的复杂的CPS，需要面对大量的挑战。

2.4.2　智能交通

智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成起来，并运用于整个地面交通管理系统而建立起来的一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。在智能交通领域，只有使用CPS技术，才能实现这样一张由不同的交通方式构成的大范围的网络。CPS作用于每一台车辆和每一位使用道路的用户，也包括整个交通基础设施。通过这张使用CPS的网络，可以创造避免交通事故、关注有限的能源和减少环境污染的新方法。

特别是在电动汽车领域，CPS扮演着一个重要的角色，作为提供能源、电池和充电管理的基础。但是，CPS的潜力还不仅于此。例如，CPS可以作为进行分布式交通管理的计划和协调工具，并且可以在出现交通堵塞等未预见情况的时候做出响应。这需要所有的单独系统能够不断地交换信息，例如实时的天气信息或交通状况信息、故障或其他可选的交通方法和路线。图2-33给出了一个通过分布式交通管理实现的智能交通示例。

对于网络运输管理来说，CPS可以带来的增值包括：

·提高了运输安全性，例如辨识风险和障碍（包括与其他道路使用者之间进行信息交换）、优化运输管理，以及由此带来的避免交通拥堵。

·对于每一个道路使用者来说，提高了舒适程度，例如通过智能辅助工具可以节省时间。

·由于提高了交通管理水平，使得燃料消耗更少，从而降低了二氧化碳排放，进而减少了环境污染，改善了生态平衡。

·基于所提供的更好的信息和更多的服务，能更好地利用运输方式与运输基础，以及避免了交通事故、损坏，从而改善经济。

2.4.3　智能医疗

信息技术和通信技术的快速发展也为医疗行业带来了好处。未来社会里的医疗愿景就是基于病人和医生的广泛联网，以及在现代智能医疗系统的帮助下实现健康监控。通过适合的传感器，获取医疗数据，并进行实时处理和评估，使得患慢性病的病人可以获得个性化的医学资料。在智能医疗系统中，可以实现个性化的医疗需求，而越来越多的老人也可以得到更好的照顾。

在CPS的帮助下，老年人可以在家里继续独立地生活，且无需被迫放弃综合医学资料。例如，对于带着心脏起搏器的病人的监控服务，可以用传感器记录关键的医学参数，当参数偏离正常状态一定程度的时候，就会发出报警。如果合适的话，这项服务可以自动发出紧急呼叫，并附带病人的地点信息。基于来自传感器的数据、来自病人和医学人员的信息，有助于实现精确的医学治疗，以及对紧急状况的识别，如图2-34所示。

CPS对智能医疗的增值在于：

·无需对病人的生活状况进行限制就可以实现广泛的医学治疗。

·可以对医学紧急状况提供更好的支持，例如在旅行中。

·CPS是远程医疗和远程医学诊断的基本前提条件。

·与传统单纯的信息论坛相比，CPS健康门户可以针对医学问题提供更广泛的咨询和支持。

随着人口的变化，CPS可以帮助老人更长时间主动和独立地照顾自己，并且可以确保他们继续参加社会活动。这大大提高了他们的生活质量，并且可以显著地减少护理成本。 jrTUV5rx9XYiMkplgsyHiyEDyAqDktFmdfzSCvfwiE2ynhZFW0ztaDJsQLgT2H30