CPS中的数据管理关键技术

信息物理功能系统(CPS)中的数据管理关键技术1信息产业发展的新趋势CPS电子技术、计算技术、网络技术等自20世纪60年代以来取得了快速发展。尤其是网络技术的革新成为了这一大势IT革命的重要动力来源。网络的规模和新的应用领域越来越大，最重要的是新网络技术与物理设备系统的结合。传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、多种消费者和工程电子设备等物理设施的大规模访问，使新的计算机化和网络化物理设备系统网络的规模急剧扩大。与此同时，随着国家大型电网、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗和区域医疗网络、海洋搜救网络等大型或超大型网络物理设备系统的快速发展，网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、深脉冲发生器、纳米制造控制系统等小型或小型网络物理设备系统的出现，打破了现有物理领域中网络应用程序的形态，将物理系统和计算系统集成到网络计算中。CPS网络在工业生产和国民经济生活中的根本和全局性作用越来越大。2什么是CPSCPS基于环境意识广泛融合计算、通信和控制功能的可控制、可靠、可扩展网络物理设备系统，通过对计算过程和物理过程交互的反馈周期添加或扩展新功能，从而安全、可靠、高效、实时监控或控制物理实体。CPS的最终目标是实现信息世界与物理世界的完全集成，建立可控制、可靠、可扩展、安全、高效的CPS网络，最终从根本上改变人类构建工程物理学和系统的方式1。新的信息世界观认为现代世界是由物理世界、信息世界和人类社会组成的三元世界。人-机-物三元世界2(见下图1)是由多人、多台机器、多件物品组成的动态开发的网络世界。从交互的角度来看，信息世界和物理世界相结合的CPS改变了我们人类和物理世界相互作用的方式，就像互联网改变了我们相互作用的方式一样。CPS的新方法是物理设备系统(信息、网络和智能控制)的“三个现代化”。因此，本质上，CPS是“计算机和控制”(3C)融合系统，它实现了信息科学、物理科学、控制科学和系统科学的交集和融合，围绕信息处理任务完成了计算功能，通过高性能通信网完成了数据通信，通过开放、大规模的循环控制从结构上讲，CPS系统需要用于检测物理世界的传感器(1)。(2)实现物理实体运行的控制器/执行器；(3)基于物理信息进行适当的处理和分析，制定控制/执行策略的集中式分布式方法或分布式计算组件：(4)连接上述每个单元及其相关信息、对象、事件和人物的通信网络、大规模或全局连接。从功能上讲，CPS具有以下功能：(1)计算能力；(2)网络通信能力；(3)精确控制功能；(4)远程协作功能；(5)自治功能。3 CPS的新数据功能如前所述，CPS的最终目标是实现信息世界与物理世界的无缝集成，改变与物理世界交互的方式。基本形式是将计算部件和网络通信部件引入物理系统的物理部件，实时交互计算过程和物理过程，以提高物理设备的功能或添加物理设备的新功能3-5。因此，CPS系统中的数据必须具有以下五个关键特征：(1)异构：CPS系统网络支持多种异构网络互连，并支持多种复杂的异构应用程序系统集成，因此涉及多种异构数据。例如，从数据本身的特性来看，有描述物理上不同特性的数据。数据的默认格式包括数据格式、科学文本格式和XML格式。数据的结构包括结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。在数据语义方面，收集的基本原始数据和数据聚合后的高级常规数据等。(2)动态：描述CPS实体的数据相当动态。数据动态主要发生在CPS系统网络中物理设备的加入、删除、移动等三个方面，这将导致数据持续动态变化。二是CPS系统网络中的数据因情况而异。也就是说，存在方案相关性。第三，CPS系统的功能和突出特征通过物理实体和计算实体的交互来表示，从而实现了CPS的物理设备之间、物理过程和计算过程之间的紧密交互，这种紧密的交互导致了数据不断动态变化。数据的动态可能会导致某些数据的不确定性更大。(3)实时：大多数CPS系统通过及时了解物理设备的状态来支持实时应用程序(如实时观察、实时监控、实时控制、实时预测等)，从而通过网络控制手段对物理设备和环境进行必要的控制和干预。因此，CPS数据处理必须满足实时要求，并在有限的时间内保证正确的处理结果。(4)海量：CPS系统网络具有连接和集成了数亿或数十亿个物理设备的动态网络，这些庞大的智能设备通过实时数据收集和相互之间的信息交互产生了大量数据。例如，对于使用CPS技术实现的智能交通系统，每个传感器节点处理的实时数据可能占汽车的很大一部分。因此，对批量数据处理的要求可能变得非常普遍。(5)可靠性：由于CPS系统网络的复杂性，系统中存在很多影响数据处理各个阶段的不可预测因素，如数据收集、数据传输、数据处理和数据反馈。具体来说，必须保证数据处理的总和计算、查询处理、数据分析中数据处理的可靠性，对于可能出现的错误或系统错误，必须保证数据处理结果的准确性、可靠性和安全性的容错性。可靠性包含的另一个方面是隐私，要求继续提供个性化服务，同时保持原始数据内容的机密性。4 CPS数据管理关键技术CPS应用于非常广泛的领域，需要支持异构网络互连和支持异构应用程序系统集成，因此CPS是非常常见的复合系统，其中数据管理的关键技术主要包括多源、异构、批量数据的融合和集成技术。低耦合、高扩展不确定数据并行查询处理和概率推理技术；从原始数据到可靠知识的处理依赖于链相关的新理论和建模技术。知识的可靠性和推理机制；数据服务的安全性和隐私技术。多源、异构、批量数据的融合和集成技术：数据融合和集成技术是管理大型异构数据源不可缺少的关键技术。异构数据源的语义、模型、映射和转换机制等方面可能存在差异，因此，必须将异构数据源转换为共享的中间模式，并基于中间模式处理数据交互和通信。此外，由于数据规模巨大，因此很难保留所有这些海量数据，必须计算和聚合CPS系统中的源数据以创建有意义的逻辑数据，并集成上层逻辑数据以满足上层应用程序系统的要求。低耦合、高可扩展性的不确定数据并行查询处理和概率推理技术：查询处理技术是数据管理技术的重要组成部分。异构分布式CPS环境需要不确定的数据并行查询处理(即，数据来自不同的数据源，在不同的时间点发生)和动态变化特征(特别是，不确定性数据在不同的应用程序之间具有不同的意义)，需要低组合的可扩展性来获取物理设备的状态信息或相关事件信息，以及适当的系统响应和处理方法。此外，在与决定数据查询处理的概率值概念相关的不确定数据查询处理中，应引入概率维概念，在每个数据元组的值应由概率分布函数描述，且不能预先指定概率分布函数的情况下，应使用不确定数据概率推理技术解决问题。从原始数据到可靠知识的处理依赖于链相关的新理论和建模技术。复杂的原始数据堆在应用系统中没有直接应用价值，因此需要数据挖掘技术从原始数据到可靠的知识，即从原始数据到可靠的知识流程，从各种原始数据获得可靠的知识。在CPS中，环境识别系统中的节点需要实时数据收集和彼此之间的信息交互，这些数据通常以流的形式生成，通常以高速生成。因此，这种实时数据流挖掘与从静态数据中获取知识非常不同。这不仅需要简单的吞吐量，本身也具有挑战性，但是可以更好地理解如何维护和操作多个数据元组，还有更接近样本数据、更抽象的东西，从而更有效地检索和浏览实时数据。我们还必须记录历史和信息识别数据存储库，以便提高目的和方向，更有效地检索有意义的数据。知识的可靠性和推理机制：数据源的可靠性和知识的可靠性都是必要的，将知识生成的评价反馈给物理层也是重要的6。如果数据存在不确定性，则数据推断过程是不确定性演变的过程，也是数据连接持续丰富的过程，系谱可以用于跟踪和评估数据质量和可靠性。在CPS系统中，数据质量可以用精度、可靠性和完整性等指标进行测量。数据服务的安全性和隐私技术：数据管理的安全性和隐私主题是CPS科学理论课题的重要组成部分7。由于CPS系统的开放性，在确保数据有效性和可用性的前提下，如何保护批量数据的安全性和隐私已成为一个棘手的问题。CPS面临着新的安全威胁，即物理系统可能在网络空间受到攻击，网络空间可能在物理设备上受到攻击，物理系统可能泄露信息，大多数收发器可能因物理层指纹而隐藏受限的个人信息(例如位置、时间和个人身份信息容易泄露)。CPS容易受到当前网络系统中未发现的现有安全攻击，因而容易受到新的CPS攻击。因此，必须提供适合CPS属性的轻量级数据安全和隐私解决方案。还包括数据安全和隐私、社会法等问题。5总结和展望本文在分析当今信息产业发展的新趋势的同时，阐述了CPS的本质意义，进一步结合CPS系统的数据异质性、动态性、实时性、海量性和可靠性等明显特征，探讨了CPS系统数据管理的若干关键技术。这包括多源、异构、批量数据的融合和集成技术。低耦合、高扩展不确定数据并行查询处理和概率推理技术；从原始数据到可靠知识的处理依赖于链相关的新理论和建模技术。知识的可靠性和推理机制；数据服务的安全性和隐私技术。随着信息物理融合系统CPS的研究与开发，以及数据管理技术的支持不可分割，随着CPS应用需求的增加，数据管理技术的研究将变得越来越重要。但是，CPS的数据管理关键技术研究还处于初期阶段，因此相关的研究成果微乎其微，部分研究结果还存在很多不足，需要进一步深入进行相关的研究工作。参考文献：1户口封，网络物理系统。中国计算机学会通讯，第6卷，第1号，pages 25-29，20102李国杰21世纪上半叶信息科技发展的战略方向。2009年中国计算机会议报告。3 Edward a. lee，cyberphysical systems : design challenges。technical report no . UCB/eecs-2008-8.http:/www . eecs . Berkeley . edu/pubs/tech rpts/2008/eecs-2008-。4 insup lee、George pappas、rance cleave land、John hat cliff、Bruce k rogh、Peter lee、Harvey Rubin和luisha.5 Edward A. Lee，cyberer-physical systemsare computing foundations adequate？NSF workshop on cyberer-physical systems : research motiviation，techni