信息物理系统标准化白皮书

信息物理系统标准化 白皮书 中国电子技术标准化研究院 国家物联网基础标准工作组 2016 年 1 月 组织组织编写机构：国家物联网基础标准工作组编写机构：国家物联网基础标准工作组 主要参与单位主要参与单位 中国电子技术标准化研究院、同济大学、华为技术有限公司、无锡物联网 产业研究院、重庆邮电大学、上海集成通信设备有限公司、成都秦川科技发展 有限公司、公安部第三研究所、中科院上海高研院、深圳市标准技术研究院、 创维集团有限公司、京东方科技集团、利尔达科技集团股份有限公司、山东省 标准化研究院、南京三宝科技、普奥云信息科技（北京）有限公司等 1。 主要编写人员：胡静宜、张晖、陈德基、彭炎、卓兰、袁波、陈书义、徐冬梅、杨宏、韦莎、罗志 勇、吴明娟、付根利、吴岳飞、朱兴国、毛嘉、李媛红、权亚强、梁源、公伟、易晓珊、邹涛、耿力、王 涛、杨春明、丁志林、徐超、何风行、唐前进等。 前言 随着信息技术的快速发展，它与物理世界的交互也就越来 越突出，一个明显的例证就是互联网向物联网的演化。事实 上，任何信息技术与物理世界结合的地方，其发展复杂到一定 程度，就会出现信息物理系统。智能制造、智慧城市等物联网 应用的核心都是信息物理系统。物联网发展处在一个变革的前 夜，互不兼容、重复建设、标准缺失等因素制约着物联网产业 健康、快速发展。为了抓住机遇，破解物联网产业发展难题， 对信息物理系统的研究迫在眉睫。 本白皮书分析信息物理系统的起源、现状、技术、应用、 挑战及其对标准的需求。提出信息物理系统标准工作思考和建 议，提升我国在物联网和信息物理系统标准领域的国际话语 权，增强我国信息安全保障能力，促进物联网和信息物理系统 产业的健康发展具有重要意义。 目录 前言前言 . I 一一. 引言引言 . 1 二二. 信息物理系统概述信息物理系统概述 . 4 （一） 基本定义 . 4 （二） 主要特性 . 7 （三） 信息物理系统与物联网、工业 4.0、工业互联网和两化融合的关系 . 10 三三. 信息物理系统的系统结构信息物理系统的系统结构 . 12 （一） 概念模型 . 12 （二） 运行机制 . 15 （三） 实现架构 . 17 四四. 信息物理系统涉及的关键技术信息物理系统涉及的关键技术 . 19 （一） 简介. 19 （二） 嵌入式技术 . 20 （三） 网络传输通信技术 . 22 （四） 感知技术 . 28 （五） 海量数据处理技术 . 32 （六） 控制技术 . 35 （七） 协同信息处理技术 . 46 （八） 安全技术 . 49 （九） 实时性技术 . 55 五五. 信息物理系统的典型应用领域信息物理系统的典型应用领域 . 58 （一） 智能制造 . 59 （二） 智能电网 . 62 （三） 智能交通 . 65 （四） 智慧医疗 . 66 六六. 信息物理系统的国内外进展信息物理系统的国内外进展 . 67 （一） 美国. 67 （二） 欧洲. 69 （三） 日韩. 70 （四） 中国. 70 七七. 信息物理系统面临的挑战信息物理系统面临的挑战 . 71 （一） 数学理论基础分歧 . 71 （二） 实时性的挑战 . 71 （三） 安全性的挑战 . 72 （四） 新技术、新挑战 . 74 八八. 信息物理系统标准化需求分析信息物理系统标准化需求分析 . 75 （一） 标准化需求 . 75 （二） 计算、通信、和控制的实时性标准需求分析 . 76 （三） 数据融合标准需求分析 . 77 （四） 智能制造标准需求分析 . 78 （五） 安全标准需求分析 . 78 九九. 结束语结束语 . 79 1 一.引言 随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的快速进步和发 展，计算系统和物理世界的交互越来越深入，两者之间的系统化集 成程度越来越复杂。物联网、大数据、云计算等概念的出现则进一 步加剧了这一趋势。现代工程系统许多都是非常复杂的系统，将计 算、信息技术和物理环境等多个领域的知识融为一体。传统的嵌入 式技术在解决物理系统相关问题时，采用的是单点解决方案，这种 模式不再适应新型的物理设备信息化和网络化的需求，现有的网络 传输通信技术不能完全满足新型物理设备网络的实时、可控和可扩 展的新需求，这些原因促使信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，简称 CPS）这一新概念的提出。 2006年 10 月，国际上第一个关于信息物理系统的会议在美国召 开 2。美国国家科学基金会计算机和网络系统部主任、华裔科学家赵 伟主持了会议，德州大学奥斯汀分校华裔科学家Al Mok负责了会议 当地安排，国家科学基金会科学家Helen Gill在会上描述了信息物理 系统 3。Gill指出，信息物理系统已超出了台式计算、传统的和事后 分析的嵌入式实时系统、传感器网等的范畴，而是进一步包含了以 下特点： 所有物理实体信息化。 多层次超大规模联网。 2 NSF Workshop on Cyber-Physical Systems（/cps/Cyber2.htm） 3 NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems 2 多重时间和空间上的复杂度。 动态重组和动态重新配置。 高度自动化、控制回路在不同层次实现闭环。 非常规的计算和物理层面。 可靠操作，某些情况下需要认证。 2007 年 8 月，美国总统科技顾问委员会将信息物理系统列为维 持未来国家竞争力的关键技术 4。在其建议下，美国国家科学基金会 开始重视信息物理系统的研究，每年都投入了大量资金。2008 年， 欧洲联盟启动ARTEMIS5等重大项目，将信息物理系统作为智能系 统的一个重要研究方向。紧接着，亚洲国家也开始重视信息物理系 统的研究，包括中国、韩国、日本在内的许多国家科学基金会也已 经提出为信息物理系统的研究提供资金支持。 信息物理系统正吸引着越来越多的研究者的兴趣，引起各国科 研工作者与相关企业的广泛关注，对这一新的领域进行了不同层次 的深入研究，例如：信息物理系统的定义与建模、相关技术、运行 环境、系统设计和实现等。许多重要的国际会议都把信息物理系统 作为会议讨论的主题，例如IEEE实时系统学术会议 6已经把信息物 理系统作为会议讨论的主题。国际信息物理系统大会 7讨论关于信息 物理系统的各个方面，包括理论工具实验平台应用等，其 2014 年的 第五界会议的三大主题分别是：交通运输、机器人以及能耗。 4 /sites/default/files/microsites/ostp/pcast-nitrd-report-2010.pdf 5 Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems 6 IEEE Real-Time Systems Symposium 7 International Conference on Cyber-Physical Systems 3 信息物理系统应用领域非常广泛，与人类的生活和社会的发展 有着紧密的联系，小到纳米级生物技术，大到全球能源管理与协调 等复杂而庞大的系统。信息物理系统的发展也是构建人类未来智慧 城市的基础。 物联网技术改变了人类的生活，实现了主动的全方位感知，能 够提高工作效率，节约资源。现在，信息物理系统的出现，可以在 物理环境感知的基础上实现人、机、物的互联互通与融合控制。信 息物理系统与物联网的自然衔接，将进一步改变人类的生活方式， 使人类真正走进智能时代。因此在国家重视发展物联网的同时，有 必要强调对信息物理系统的研究。 4 二. 信息物理系统概述 （一） 基本定义 美 国 科 幻 小 说 家 William Gibson 1984 年 在 其 经 典 名 著 Neurolancer 中创造了赛博空间（cyberspace）一词，指的是计算机网 络所支持的交流环境。Cyber 这一前缀统指与计算机、信息技术、及 后来互联网等相关的事物。有人将 Cyber-Physical Systems 翻译成赛 博物理系统，但大部分文献都是翻译成信息物理系统。 信息物理系统是一个复杂性很高的系统，是多领域学科的不同 技术发展融合的结果。不同领域的研究者对信息物理系统理解的侧 重点也各不相同，这不仅体现在应用领域之间的差异，甚至构建信 息物理系统的技术切入点都不尽相同。短时间内，很难完全达成共 识给出一个精确而权威的定义。 加州大学伯克利分校的Sastry8从计算科学与信息存储处理的层 面出发，认为信息物理系统集成了计算、通信和存储能力，能实 时、可靠、安全、稳定和高效地运行，是能监控物理世界中各实体 的网络化计算机系统。美国国家科学基金会的K. Baheti等 9认为，信 息物理系统是系统中各种计算资源和物理资源之间紧密结合与协 作，能够以新的方式和人交互 10，以改变我们的物理世界。 同样是加州大学伯克利分校的Lee11从嵌入式计算的角度提出， 8 Sastry S. Networked embedded systems: from sensor webs to cyber-physical systems, Hybrid Systems: Computation and Control. Springer Berlin Heidelberg, 2007: 1-1 9 /dcsc/Baheti.html 10 /sites//files/documents/IoCT-Part3-02CyberphysicalSystems.pdf 11 /Pubs/TechRpts/2008/EECS-2008-8.pdf 5 信息物理系统是一系列计算进程和物理进程组件的紧密集成，通过 计算核心来监控物理实体的运行，而物理实体又借助于网络和计算 组件实现对环境的感知和控制。 Branicky12和Krogh13等则从嵌入式系统和设备开发的角度，指出 Cyber是涉及物理过程与生物特性的计算、通信和控制技术的集成， 信息物理系统的本质正是集成了可靠的计算、通信和控制能力的智 能机器人系统。 中国科学院何积丰院士指出：“CPS，从广义上理解，就是一 个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控 可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相 互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功 能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实 体。CPS 的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建 一个可控、可信、可扩展并且安全高效的 CPS 网络，并最终从根本 上改变人类构建工程物理系 统的方式。” 美国国家标准与技术研究院在 2012 年 3 月的信息物理系统专题 研讨会上，对信息物理系统概念进行了梳理，认为信息物理系统本 质上是一个智能系统 14，其中信息技术，包括软件和硬件，深度嵌 入到物理组件中，并与其进行交互。 12 Branicky M. CPS initiative overview, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Robotics and Cyber-Physical Systems. Washington DC, USA: IEEE. 2008. 13 Krogh B, Ilic M D, Sastry S S. Networked embedded control for Cyber-Physical Systems: research strategies and roadmap. Team for Research in Ubitquitous Secure Technology, USA, 2007 14 6 以下是一些有代表性的定义： 美国国家标准技术研究院信息物理系统工作组 15：信息物理系 统将计算、通信、感知、和驱动与物理系统结合，以实现有时间要 求的功能。它不同程度地与环境交互，包括与人的互动。 美国国家科学基金会 16：计算算法和物理现实组件无缝融合基 础上的依赖于这个融合的人工系统。 欧盟第七框架计划 17: 一个信息物理系统包含计算、通信、和控 制，它们紧密地与不同物理过程，如机械、电子、和化学，融合在 一起。 美国高校教科书 18：在信息物理系统中，嵌入式计算机和网络 监控物理过程，通常物理过程和计算通过反馈回路相互影响。 维基百科 19：相互协作的计算元素所组成的用以控制现实对象 的系统。它的早期展现就是嵌入式系统，已用在当代生活的方方面 面。嵌入式系统强调的是计算单元。信息物理系统强调的是计算单 元和物理对象的紧密联系。 百度 20：一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通 过 3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深 度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。 15 Framework for Cyber-Physical Systems, Cyber Physical Systems PWG, Sep. 2015 16 /funding/pgm_summ.jsp?pims_id=503286 17 http:/www.cyphers.eu/sites/default/files/D2.1.pdf 18 E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition, LeeS, 2015. 19 /wiki/Cyber-physical_system 20 1QS3hu5iYftKH8SEZPH46hOXLSGZljIw95LJF_Bpa 7 从已有与信息物理系统有关的研究成果中可以总结出其共性特 征：信息物理系统信息物理系统是一个将计算、通信和控制深度整合到物理系统是一个将计算、通信和控制深度整合到物理系统 中，依赖计算过程对物理过中，依赖计算过程对物理过程进行感知和控制，实现信息空间与物程进行感知和控制，实现信息空间与物 理世界的无缝结合的工程系统理世界的无缝结合的工程系统，如图 1 所示。 图1 通过 3C 技术实现融合的信息物理系统 （二） 主要特性 （1 1）实时实时性性 信息物理系统一定是个实时系统。实时系统要保证在指定的时 间范围内，也叫截止期内，完成某项工作。时间范围可大可小，但 关键是截止期保证。比如实时通信网络 WirelessHART 要求一个节点 在 1 毫秒内完成解码、处理、打包、加密等步骤，如果来不及则与 邻居的通信就不会成功。因此实时性在信息物理系统中有两层含 义：一是数据传输与通信的时间要短及延时小，二是要在限定的时 间内，系统对信息事件做出反应，当然这个限定时间的范围是根据 8 实际情况决定。物理世界的时间序列是不可逆转的，这对信息物理 系统的实时性提出了严格的要求。数据信息的感知和提交的实时性 影响到了用户的判断与决策精度，尤其是在重要的公共设施领域。 信息物理系统是一个以时间为关键属性的系统，实时性是重要的系 统属性，信息物理系统实时性可以看做是实时计算、实时通信、实 时控制的融合。 （2 2）深度嵌入深度嵌入 为了实现物理设备的远程精确控制、协调以及自治功能，信息 物理系统有时需要将传感器与执行器使深度嵌入到每一个物理组 件，甚至可能嵌入进物理设备具备使其具有计算、通信和控制，最 终每一个物理设备都是一个高度集成的嵌入式系统，实现信息世界 和物理世界的深度协作和融合。 系统的深度嵌入对芯片工艺、系统复杂程度、使用环境等有了 更高的要求，把计算、通信与控制深深地嵌入实物过程，使之与实 物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。这种深度嵌入导 致了计算对象的变化。将计算对象从数字的变为模拟的，从离散的 变为连续的，从静态的变为动态的。 （3 3）系统系统中中的系统的系统 在信息物理系统中，系统运行的时间和空间范围是分布式的、 异步的。信息物理系统是一个由结构、功能不同子系统构成的动态 混合系统，包括感知决策和控制等各种不同类型的资源和可编程组 件，各个子系统之间通过有线或无线通信技术，依托网络基础设施 相互协调工作，实现对物理与工程系统的实时感知、远程协调、精 9 确与动态控制和信息服务。 信息物理系统各个层级的组件与子系统通过感知技术获取和处 理相关数据，然后以数据融合的方式向上提供服务数据，并对各个 物理世界接口的数据进行协同信息处理，用户最终得到全面、精确 的事件信息。 （4 4）自组织自组织/ /自治自治 信息物理系统在融合计算、控制和物理过程的同时，具备强大 的自治机能和智能决策能力。由于计算和通讯组件深度集成到每个 物理实体中，使得物理实体可以具备智能，实现自组织、自适应与 自我管理，而物理实体之间也可以实现更灵活的交互、更智能的协 作。信息物理系统能够在没有外部指令和干涉的情况下，系统的各 部分按照某种规则各尽其责，同时又相互协调，自动形成有序结 构，实现系统自治运作 （5 5）更严格的安全更严格的安全性性、可靠性可靠性 信息物理系统安全特性与传统 IT 系统的安全特性有着较大的区 别。传统 IT 系统的资产属性 CIA 表示为:第一位是保密性 （Confidentiality）,第二位是完整性（Integrity）和第三位可用 性（Availability）。在传统的 IT 系统中,数据的保密性是信息安 全的首要目标,源于数据中包含的保密信息对于企业或者政府至关重 要。但是信息物理系统的安全风险在与其的可用性受到破坏时,将影 响物理系统的正常工作,进而将对人的健康和生命造成危险,对环境 造成破坏,经济损失,比如产能减少和对国家经济造成负面影响的风 险。第二位是完整性,与信息系统相似。完整性对信息物理系统的重 10 要性在于其中的控制信息将影响着物理系统的操作,若数据完整性受 到破坏将导致物理量系统的操作与原有的假设不一致带来对安全的 破坏。因此, 信息物理系统的信息安全重心在于可用性,即保证信息 的正常读取,传输和执行,其次是完整性,最后是保密性。 信息物理系统结构安全重心既在边缘控制设备的稳定性,又在中 心控制服务器的安全上。传统的 IT 系统中,安全保护重心是保护 IT 资产和 IT 资产中流动的信息。信息物理系统的组成既有 IT 资产又 有其他资产（如控制设备）。对于信息物理系统,边缘客户端（比如 PLC，操作员站，DCS 控制器）需要细心保护,因为他们是直接负责 控制终端的流程。中心控制服务器的保护也相当重要,因为中心的服 务器可以影响任何一个边缘设备。 （三） 信息物理系统与物联网、工业 4.0、工业互联网和两化 融合的关系 在德国工业 4.0 实施建议中，对于工业 4.0（Industry 4.0） 有这样的描述 21：“从本质上讲，工业 4.0 是将信息物理系统技术整 合到制造和物流业，以及在工生产过程中使用物联网（Internet of Things，IoT）以及务联网（Internet of Services，IoS）技术。这将对 价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生深刻影响”。简单 的讲，可以认为：Industry 4.0 = CPS + IoT + IoS。如下图所示： 21 P14, Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0, April 2013 11 图2 信息物理系统与工业 4.0 在美国国家标准技术研究院的信息物理系统框架白皮书 22中， 认为信息物理系统和工业互联网是相似/相关的概念，它们在信息物 理系统和物联网方面有重大的重叠。对比信息物理系统和工业物联 网的框架，二者基本上是一致的，工业互联网包含了信息物理系 统，以及信息物理系统与系统用户的交互。 国务院于 2015 年 5 月公布的强化高端制造业的国家战略规划 中国制造 2025强调新一代信息技术与制造业的深度融合，提出 基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造 方式变革。两化（工业化信息化）深度融合，也导致了信息物理系 统的出现。 物联网是通过感知设备，按照约定协议，连接物、人、系统和 信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智 能服务系统。即物联网是指以感知客观物理世界为目的，通过感知 22 CPS PWG Draft Framework for Cyber-Physical Systems Release 0.8 September 2015.pdf 12 设备，基于网络等信息承载体，让所有能够被独立寻址的对象互联 互通，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控、协同和管理的信息 系统。因此，信息物理系统首先是一个物联网系统，信息物理系统 更强调的是实时和控制的特性。 下图显示这些类似概念之间的关系： 物 联 网 信息物理系统 工业互联网 两化 融合 工业 4.0 图3 信息物理系统与物联网、工业 4.0、工业互联网和两化融合的关系示 意图 三.信息物理系统的系统结构 （一） 概念模型 系统结构的优劣将从根本上影响系统的最终性能和所能满足的 功能需求，更不用说系统的平台兼容性和灵活性等问题。因此对信 息物理系统的组件进行抽象，使用这些组件构造出信息物理系统概 13 念模型，具有非常重要的意义。 在信息物理系统的概念模型的构造中,我们参考了Al-Hammouri 23 等提出了信息物理系统结构的一般性描述。 内部物理世界 信息空间 网络设备 （有线/无线） 传感器 执行器 标签阅读器 相关信息资源 目标物理对象 标签 计算 设备 存储 设备 外部物理世界 图4 信息物理系统基本组件 内部物理世界：由传感器、执行器、计算设备、网络设备、存 储设备等物体信息空间的载体，以及目标物理对象组成。 传感器：一种设备，能够监测、感知外界的信号，如光、热、 烟雾等。 执行器：一种设备，能够接收控制指令并对受控对象施加控制 作用。 标签和标签阅读器：标识、识别物理对象的设备。 23 Al-Hammouri A, Liberatore V, Al-Omari H, et al. A co-simulation platform for actuator networks, Proceedings of the 5th international conference on embedded networked sensor systems. ACM, 2007: 383-384 14 网络设备：通信系统，包括有线和无线。连接内部物理世界各 个部件、外部物理世界、信息空间和相关信息资源。 存储设备：硬盘、闪存等。信息空间数据的载体。 计算设备：运行软件，用以实现信息物理系统的功能。包括计 算机和控制器。控制器是决策控制单元，能够根据用户定义的语义 规则生成控制逻辑。 信息空间：包括物理世界实体和相关资源对应的物理世界实体 及其活动的信息映射，形成虚拟实体。基于这些虚拟实体构造目标 对象运行模型，实时给出对物理世界执行器控制指令，实现目标对 象的运行目的。它的物理形态是处于圆心位置的，包括具有计算能 力和存储能力的信息系统硬件设备及在他们支撑下运行的软件系 统。 目标物理对象：信息物理系统针对的物理世界。 外部物理世界：信息物理系统之外的、但与之相关的物理世 界。 相关信息资源：信息物理系统需要但不包含的信息资源。如一 辆无人驾驶汽车，决定对它的控制策略所需要的其它车辆情况、前 方道路情况、车辆拥堵情况、气象情况、政策信息（如交通管制信 息等）等，这些信息都可以以相关资源的形式通过通信网络导入。 信息空间对物理世界精确同步和建模，通过模型模拟个体之间 和与环境之间的关系，记录实体空间随时间的变化，并可以对物理 世界的活动进行模拟和预测。图 5 是这两个世界关系的概念模型。 15 图5 信息物理系统概念模型 在物理世界所有的事物都用物理实体。人是物理实体，同时也 以用户的身份通过物理实体如电脑或手机与信息物理系统交互。设 备包含传感器、执行器、标签阅读器，它是信息空间和物理世界交 互的媒介。设备本身也是物理实体。设备通过网络互连；网络通过 网关组成更大的网络。 在信息空间所有的事物都是数字实体。虚拟实体是物理实体的 映射，是数字实体的子集。还有很多非虚拟实体的数字实体，包括 只有在信息空间存在的实体，如模型、网络爬虫、病毒等。数字实 体划分为不同的域，参见国家物联网标准里的 6 域模型。数字实体 之间是服务与被服务的关系；服务以服务界面的形式展现。 （二） 运行机制 图 6 给出了信息物理系统运行机制。基本组件结合反馈循环控 16 制机制构成了信息物理系统的基本功能逻辑单元，执行信息物理系 统最基本的监测与控制功能。以无人驾驶汽车为例，外部进行初始 设置，比如给定目的地、到达时间的参数；信息空间依据传感器提 供的无人驾驶汽车当前位置，结合相关信息资源提供的道路情况、 道路车辆拥挤情况、天气情况、行政管理等情况并结合积累的历史 经验计算出满足初始设置条件的出行方案，发出指令给执行器，驱 动无人驾驶汽车上路行驶。在行驶过程中，传感器不断地提供无人 驾驶汽车自身状态和周边情况信息给信息空间，信息空间也不断收 到相关信息资源的随时更新，据此并参照积累的历史经验，信息空 间随时给出最新的控制指令，驱动执行器操控无人驾驶汽车前行， 直至到达目的地。 信息物理系统 目标物理对象执行器 传感器 信息空间 相关信息资源 图6 信息物理系统运行机制 信息物理系统与传统的计算机控制系统在物理构成上存在较大 的不同。首先，信息物理系统的网络环境是异构的,能同时涵盖不同 17 属性的网络，并且信息通信范围不受限制；其次,信息物理系统传感 网络中不单包含传感器，还包含了执行器节点,以及一部分同时具有 传感与执行能力的节点。在信息物理系统环境中，控制者可以代表 具有自主协调和计算能力的控制器设备,也可以指人和其他生命体。 此外，控制者、传感器和执行器位于同一层面与物理世界交互，指 出信息物理系统是与物理环境直接交互的反馈系统。 （三） 实现架构 图 7 试图说明如何实现一个信息物理系统。它结合了图 4到图 6 的内容，类似于互联网、物联网、或工业互联网体系架构模型。不 同的是，信息物理系统强调改变物理世界，从而对实时性的要求特 别突出，贯穿系统的所有层面，见图 7 左边的标示。图中的每个方 块都有更高的复杂度和可靠性要求。 信息物理系统的实现可以从几个层面来完成。在底下与目标物 理对象打交道的是传感器、执行器、传感加执行器，标签阅读器 等。它们通常本身也是智能设备，能够检查自身的健康状态并反馈 给系统。 18 图7 信息物理系统的实现架构 中间的几层是属于信息技术的范畴，它包括通信网络、数据 库、以及提供各种计算功能的服务器等。在通信层面的基础上，各 种应用软件在计算资源和存储资源上实现信息物理系统的所有功 能。其中也包含人机交互软件。 信息物理系统在设计和具体运行实现时所可能涉及的关键技术 主要包括：1)信息物理系统中的传感器和执行器节点是在现有传感 器节点中融入了控制和计算能力的新型节点；2)下一代网络是实现 信息物理系统实时通信和信息交互的重要节点和环境；3)信息物理 系统中的信息流包含语义事件信息和普通数据信息，因此，系统计 算组件应具有语义识别和控制能力，以便提高系统的实时感知能 力；4)信息安全和可靠数据服务是信息物理系统的关键问题。基于 该架构的信息物理系统在原型设计中若能添加对系统性能的量化和 19 验证模块，比如哪些模块能够保证系统的实时性和高性能，或者会 影响这些性能，则这个框架会更加完善。 针对信息物理系统的物理实现，Tan等 24也提出了一种基于可信 的信息物理系统原型架构，研究了基于下一代网络技术和网络服务 的全局标识时间、事件/信息驱动、发布/订购机制、语义控制规则和 量化机制等技术。此外，也有学者从节省系统能耗、增强系统的自 适应感知能力和提高系统在多平台协作下的实时性和可靠性等角 度，对信息物理系统的架构进行了很多有意义的研究。 四.信息物理系统涉及的关键技术 （一） 简介 信息物理系统涉及物理、生物、工程和信息科学等多学科、多 领域的内容，包括计算机系统、嵌入式系统、无线传感网络、感知 技术、工业控制系统、网络控制系统、物联网和协同信息处理等技 术。 信息物理系统侧重于离散的计算过程与连续的物理过程的实时 动态交互，达到计算、通信与控制的有机结合，是复杂嵌入式系统 的新形态。信息物理系统的理论技术体系可以层次化表示为感知技 术、传输理论与技术、控制理论与技术和应用技术。其中最重要的 包括嵌入式技术、无线通信技术、感知技术与网络控制技术等。 为了更好地实现信息物理系统的抽象与建模、研究系统设计与 24 Tan Y, Goddard S, Perez L C. A prototype architecture for cyber-physical systems. ACM Sigbed Review, 2008, 5(1): 26. 20 仿真实现的方法、构建信息物理系统的验证体系，需要充分认识、 利用并改进现有的相关技术。 （二） 嵌入式技术 嵌入式技术的主要体现是嵌入式系统，通常嵌入到装置或设备 里面成为其一部分，是一种专用的计算机系统。嵌入式系统是一个 控制程序存储在 ROM 中的嵌入式处理器控制板。日常生活中，大 部分带有数字接口的设备，例如电视、微波炉、冰箱、汽车等，都 有嵌入式系统。传统的嵌入式系统是是由单个程序实现整个控制逻 辑，有些嵌入式系统还包含操作系统。加州大学伯克利分校的 Lee 教授认为嵌入式系统担负计算以及与物理过程沟通的功能，传统嵌 入式系统研究的焦点一般集中在嵌入式计算机硬件及软件对资源的 优化利用上，以满足空间、耗能、机时等性能需求，而对物理过程 的交互作用关注并不多。在复杂应用的物理过程事件并发时可能出 现无法被嵌入式系统获知并做出及时反应等问题。近年来嵌入式技 术得到了快速的发展，而且嵌入式技术涉及的领域非常广泛，例如: 数字电视、手机终端、车载导航、工业控制、航天航空等行业，各 产业领域之间的技术特点也愈发明显。 单纯从理论的角度分析，利用现有的嵌入式技术平台是远远不 够的，嵌入式技术需要进一步发展并结合新的技术才能实现信息物 理系统系统。 （1）在技术理念上，嵌入式系统的开发和设计是建立在软硬件 21 协同理念的基础上的，目的是为了提供一个相对稳定的集成环境， 以便通过在物理设备中嵌入一定的计算设备和相应的软件来增强嵌 入式系统的功能。信息物理系统中计算单元和物理对象的结合也有 类似的理念，但是有不同之处。信息物理系统中的集成注重的是计 算资源与物理资源的深度嵌入、协调融合，以及资源的有效利用， 目的是为了更好的面对和适应周围不确定的、动态发展的人与环 境。 （2）在计算上，嵌入式技术的计算面向的是小型计算机，处理 的问题也是在有限资源环境下的优化。而信息物理系统中的计算面 对的是在时间和空间异构环境下的大范围复杂系统的数据，还包括 数据的兼容和高效等问题。由于信息物理系统有时需要海量计算， 当前嵌入式系统的计算能力无法满足，可以借助云计算和大数据等 相关技术。 （3）在控制实现上，嵌入式系统常采用基于事件的设计方法， 控制的实现大多是基于连续动态反馈，容易忽略模式转换、错误检 测等细节问题，对于稳定性、短暂恢复和参数变化等随时间动态变 化的问题无法实现有效监控。信息物理系统需要面对的是非常复杂 的问题，比如公共安全系统、自治系统和人工智能系统，这些系统 具有分布式异构系统的特征，需要精确的数字化控制算法。 其次，嵌入式系统一般和具体的应用结合在一起，系统属于封 装式的，更新换代的代价