信息物理系统连接了物理和数字世界，其中，物理系统和计算要素/控制算法之间存在着深度连接和交互。
从自动驾驶汽车（AV）到智能电网技术，信息物理系统目前涵盖了许多不同的行业和技术应用，并使用实时数据分析和复杂算法来控制物理资产。总的来说，信息物理系统将一定程度的智能集成到物理系统中，使其能够做出自主决策、适应不断变化的环境，并实时优化性能。
目前，信息物理系统已被应用于控制先进技术系统中的关键运行环节，例如：
在自动驾驶汽车中，许多机械结构和控制算法紧密协作。全自动驾驶（L5级）汽车的普及道阻且长，自动驾驶汽车仍需要一定程度的人工输入才能确保乘客安全。
从成像摄像头和雷达到光探测与测距（激光雷达）传感器，自动驾驶汽车集成了许多传感器，可帮助车辆感知其环境并做出关键的操作决策。这可能包括“发现”障碍物（例如行人、其他汽车或道路上突然出现的物体），以及影响车辆道路行驶表现的天气变化。
然而，自动驾驶汽车无法仅凭机械结构就能正常工作；软件部件具有同样的重要性。传感器类型众多，因此软件必须执行传感器融合功能，将数据统一为一种可进行读取、分析和操作的格式。当传感器数据之间存在差异时，则需要使用高级算法，其实现了经典算法、人工智能（AI）和机器学习（ML）的融合。如果不同的传感器感知到了不同的结果，那么这些算法将负责确定传感器所提供数据的真实性和准确性。
然后，还需要一个由图形处理单元（GPU）组成的硬件层，其可以处理传感器融合算法和任何其他控制算法，例如车辆在遇到障碍物时是否应制动或移动方向盘，以控制车辆的机械结构。NVIDIA已经开发了特定的汽车GPU（Jetson Xavier），其可高效检测行人、其他汽车，并根据传感器数据了解环境。
智能电网是信息物理系统和自动化在能源行业的重要应用示例。智能电网通过电网周围的一系列物理资产，尤其是传感器，来监控电网的多个方面。这些物理资产包括智能逆变器、太阳能电池板、风力机、智能电表、传统基础设施、配电和传输线以及电池储能系统（BESS）。智能电网在某些方面具有自主性，而且，它们会在有问题出现之前（通过预测性维护）或在问题出现时向运营商发出告警，以便运营商迅速采取行动。
除了所有这些物理资产之外，智能电网还具有连接公用事业公司、客户和配电系统运营商（DSO）的分层式软件架构。该软件架构结合使用了经典算法和机器学习来分析、监控和优化电网中的不同资产。目前，许多电网仍包含为传统环境设计的老旧基础设施，这些设施最初并非为数字化时代而建，但可以通过物联网（IoT）传感器进行改进，使其与新的数字化架构兼容。智能电网不仅可以监测现有资产，还能够监测全新分布式能源（DER）的集成，例如不同的可再生能源发电机，以确保其在集成到电网后能够正常工作。
传感器负责实时收集能源使用数据，使操作人员能够更好地优化电网周围的能源分配。这样，就可以很好地应对下列多种环境因素所带来的挑战：
如果没有紧密融合的物理和数字架构网络，智能电网将无法实现，能源行业也将不得不继续使用需要更多人工维护的电网。
尽管信息物理系统与物联网密切相关，有时可以互换使用，但普遍共识是，这两种技术之间存在着微小差异。然而，近年来，IoT与信息物理系统之间的界限，随着这两种技术的进一步融合而变得模糊。
虽然仍然存在一些模糊之处，但普遍认为，物理流程和数字资产之间的集成水平是主要的差异化因素。下表显示了IoT和信息物理系统的一些特定的区别实例：
物联网（IoT） | 信息物理系统 |
物理资产的集成和控制程度不高 | 物理世界和控制算法之间深度集成和紧密连接 |
侧重于数据交换 | 侧重于物理资产的实时控制 |
对侧重于数据收集、通信和数据传输的环境进行有限的控制 | 对环境进行高度控制，并执行闭环操作 |
近实时系统，数据收集和决策存在一定程度的滞后 | 数字和物理组件之间实时交互 |
系统的复杂性程度较低，但通常用作CPS网络的一部分，尤其是在工业物联网（IIoT）应用中 | 系统的复杂性程度高于IoT网络 |
更换成本较低 | 更换成本较高 |
示例包括：可穿戴健身设备、环境监测系统和室内智能设备 | 示例包括：智能电网、自动驾驶汽车、智能工厂和其他智能基础设施 |
信息物理系统的架构结合了物理硬件和软件组件，可实现智能、响应式机器行为。信息物理系统的主要组件包括：
这些系统的混合特性，意味着它们可以执行许多智能和实时操作。信息物理系统的一些关键操作特性和优势包括：
数字孪生是物理世界与数字世界相互影响的最佳示例之一。其中，虚拟环境会实时受真实数据和资产的影响。另一方面，借助数字孪生，可以对物理资产在不同环境和场景中的行为方式进行仿真和优化，从而更好地了解如何改进物理资产。这种虚拟原型功能，意味着数字孪生可用于许多信息物理系统应用仿真。
首先，数据被馈送到数字孪生中，以构建虚拟环境。构建的数字孪生环境既可以是小型系统、大型系统（如自动驾驶汽车），也可以是完整的制造设施。构建完成后，就可以对环境的各个方面运行仿真，以查看资产在现实世界中的运行方式。
数字孪生还可以与其所建模的物理资产同步运行。它通过将物理资产中的数据实时馈送到模型中，使工程师能够运行有关其物理资产的不同场景仿真。这可能包括研究车辆在不同驾驶环境中的表现，电动汽车充电站的电力分配，开展智慧城市环境仿真，在智能建筑中运行预测性维护操作，或者在智能制造环境中更改制造协议。
数字孪生具备多层架构，包括软件层和物理层。这包括：
这些软件层还由不同级别的物理硬件提供支持，以运行仿真并向用户展示数据。
此外，数字孪生还包含数据网络和通信架构，以将传感器连接到数据管理平台。
随着物理系统与数字世界的深度融合，保护数据免遭恶意网络攻击变得比以往任何时候都更加重要。构建信息物理系统的挑战之一是组件标准化的缺乏，这导致许多此类系统的信息安全防护十分薄弱。这是一大关键问题，因为这些系统会收集和存储大量数据（包括某些应用中的个人数据），因此如果任何黑客未经授权访问这些数据，则可能会导致严重的数据泄露。然而，信息物理系统面临的挑战各不相同，具体取决于它们是固定系统还是移动系统。企业需要实施DevSecOps实践，以确保在各个层面应对信息安全挑战。
在具有固定基础设施的系统（如智能电网）中，由于安装了大量传感器和IoT设备，数字网络中正在产生许多新的、潜在不安全的入口点。许多这类系统都在尝试实现旧技术和新技术的融合，而大部分没有实现标准化，网络安全协议也并非一直稳健可靠，从而导致存在漏洞。
以智能电网为例，网络中许多相关方（包括公用事业提供商、消费者、DSO）具有去中心化且互联的性质，这意味着在一个未加安全防护的小型节点上进行网络攻击，或许就能获得对整个网络的访问权限——可能包括访问敏感的客户数据，因为这些网络包含计费和智能电表信息，并且智能电网使用的是云计算和开放协议标准。
智能电网网络还包含大量关于电网运营方面的信息，包括输配电、发电控制、电动汽车和电力市场数据，这意味着任何攻击都可能导致电网中断。如果智能电网没有采用可靠的IT协议，其运行一旦被迫中断，后果将远比关闭一个网站严重，因为其潜在影响对当地社会更加致命——例如切断当地医院和其他应急服务的电力。
移动信息物理系统（例如自动驾驶汽车）的情况略有不同。自动驾驶汽车是一种较新的技术，其直接在设计中集成了更可靠的IT协议。此外，自动驾驶汽车的工作方式类似于封闭系统，使网络攻击的每个入口点都相互隔离、可被监测，并具有抗攻击能力。
然而，当车与车通信的未来成为现实时，自动驾驶汽车可能会面临挑战。届时，渗透车辆网络并引发问题将变得容易得多，因此随着该技术的发展，可靠的协议必不可少。同样，标准化也是其面临的挑战之一。目前正在研发的协议要么安全性不够，要么未被原始设备制造商（OEM）采用，因此亟需制定标准协议，以便能够根据潜在的网络安全威胁不断对软件进行补丁更新与版本更新。
仿真有助于开发不同的信息物理系统、其组件及工作环境。新思科技旗下Ansys提供了许多工具，可帮助对广泛的信息物理系统进行仿真，并通过数字工程实现传统设备的现代化。这些工具包括但不限于：
Ansys Fluent流体仿真软件和Ansys Mechanical结构有限元分析软件：应用于信息物理系统的资产层，并在资产本身的设计中发挥着重要作用。
Ansys Speos CAD集成光学和照明仿真软件以及Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计和分析软件：设计自动驾驶汽车的摄像头和电荷耦合器件（CCD）传感器中使用的光学组件（透镜等）。OpticStudio软件可用于开发透镜，而Speos软件可用于研究传感器的整体行为方式。Ansys Lumerical FDTD先进3D电磁FDTD仿真软件还可用于研究小尺度光学效应。
Ansys AVxcelerate软件：对自动驾驶汽车的传感器环境进行仿真，并可用于更广泛的机器人领域。主要用于车辆测试，涵盖摄像头、激光雷达、雷达和惯性测量单元（IMU）。AVXcelerate软件还可以使用来自Speos软件的数据，了解不同传感器在自动驾驶汽车中的相互作用和协同工作方式。
Ansys Twin Builder，基于仿真的数字孪生平台和Ansys TwinAI，由AI提供支持的数字孪生软件：创建数字孪生，并在虚拟环境中实时管理和监控物理资产。也可用于设计新的物理资产。
Ansys Medini Cybersecurity SE面向系统的信息安全分析软件：基于模型的功能安全和信息安全集成解决方案，用于开发、认证和维护具有网络韧性的产品。
如果您想了解如何通过先进仿真开发和监控信息物理系统，请立即联系我们的技术团队。
如果您面临工程方面的挑战，我们的团队将随时为您提供帮助。我们拥有丰富的经验并秉持创新承诺，期待与您联系。让我们携手合作，将您的工程挑战转化为价值增长和成功的机遇。欢迎立即联系我们进行交流。