信息物理融合系统

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2、-physicalsystems，CPS)是一个综合计算、网络信息物理融合系统和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与高度协作，实现大型工程系 统的实时感知、动态控制和信息服务本文首先介绍了 CPS的概念和特征，综述了 CPS 的当前发展状况与应用前景；对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向 进行了总结与展望。关键词 信息物理融合系统；实时；CPS体系结构;高性能；嵌入式系统，网络控 制一、cps概述1。1 CPS简述2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为挑战下的领先一 竞争世界中的信息技术研发的报告中列出了 8大关键的信息技术，其中CPS位 列首位

3、近年来,CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计 也将成为企业界优先发展的产业领域。开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进 工业化与信息化融合具有重要意义.CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有 计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能.CPS本质上是一个具有控制 属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等 地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信 的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特 别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家

4、科学基金会(NSF)认为，CPS 将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们 与物理世界的互动。CPS,从广义上来理解，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信息物理融合系统功能,以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体CPS的终极目标是 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。尽管CPS前景无限，但挑战性也是巨大的，这

5、其中很大程度上来自控制与计算 之间的差异。通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计 算则建立在离散数学的基础上；控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功 能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人缺乏“共同语言。这种差异将 给计算机科学和应用带来基础性的变革。1.2 CPS定义CPS 的理念最早由美国自然基金委提出,该概念一经提出便获得了国内外的广 泛关注各国科研学者从CPS的理论方法、相关组件、运行环境、系统设计和实现 等不同层面对CPS进行了深入研究。但由于CPS具有较高的复杂性,继承并融合发 展了多个学科的不同技术,很难给出一个精确而全面的定义;加上不同领域的研

6、究 者对CPS的理解各异,短期内还未能完全达成共识本文将列举相对具有代表性的 定义，再总结出参考性的定义。美国NSF的定义：计算资源与物理资源间的紧密集成与深度协作。Lee E提出,CPS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。Sastry教授从计算科学与信息存储处理的层面出发，认为CPS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.中国科学院的何积丰院士的定义：CPS是在环境感知的基础上，深度融合了计信息物理融合系统算、通信和控制

7、能力的可控、可信、可拓展的网络化物理设备系统，他通过计算进 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、高校和实时的方式检测或者控制一个物理实体。上述定义的侧重点不同，归纳得出：CPS是物理过程和计算过程的集成系统， 是人类通过CPS系统包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的 主体既包括人类自身也包括在人的意图知道下的系统。而作用的客体包括真实世界 的各方面：自然环境、建筑、机器、同时也包括人类自身等。 CPS 是可能是一个 分布式异构系统,他不仅包含了许多功能不同的字系统,而且这些子系统之间结构 和功能各异,而且分布在不同的地理范

8、围内。各个子系统之间要通过有线或无线的 通信方式相互协调工作。二、CPS的特点及其发展2.1 CPS的特点1、海量运算。海量运算是CPS接入设备的普遍特征，因此，接入设备通常具有 强大的计算能力。从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服 务器架构的话，那么物联网则可视为瘦客户机服务器，因为物联网中的物品不具备控 制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。 从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用。2、感知性。感知在CPS中十分重要信息空间数据则具有离散性那么从物理空 间到信息空间的信息流动，首先必须通过各种类型的传感器将各种物理量转变

9、成模 拟量，再通过模拟/数字转换器变成数字量，从而为信息空间所接受从这个意义上 说,传感器网络也可视为CPS的一部分.3、系统组成包括各类计算机设备、通信网络、传感设备和物理设备所有的设备相互协同和相互影响，共同决定整个系统的功能和行为特征.信息物理融合系统4、系统行为难以明确区分是计算过程还是物理过程作用的结果。这是由于系统 的计算、信息的处理过程和物理过程紧密结合并相互影响。与嵌入式系统相比,嵌入式系统侧重在处理器上运行，是一种在有限资源环境下 的优化技术。CPS是计算与物理成分的集成，相当于嵌入式系统+网络+控制，是嵌入 式系统的发展方向和研究热点。CPS将计算和通信能力嵌入到传统的物理

10、系统之中， 导致了计算对象的变化。它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.它作为计算进程和物理进程的统一体,是集成计算、通信与控 制于一体的下一代智能系统。2.2 CPS的发展专家分析都认为，到2020年前后，信息技术将会遭遇到渐进是改进难以持续发 展的重大障碍，而在应用当中，新的模式所带来的重大规模的应用技术和集成性技 术或者是系统集群技术的突破，CPS技术概念的应用将成为重要突破口。如何突破发 展的瓶颈,这就需要我们继续做一些探索性的研究工作，进行技术创新.当然，这种 创新不是标新立异,而是以应用需求为原动力，以科学理论为奠基石，理论与实际相 结合。在国外，

11、CPS的声音很强劲。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的 研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以期在2016年成为智能 电子系统的世界领袖。2008年成立的美国CPS指导小组在CPS执行概要中，把 CPS应用放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等方面除此之外，美国 国家科学基金会（NSF）和欧洲第七框架（FP7）的大型科研资助计划，都投入了大量 经费。在国内，CPS技术还刚刚兴起，还需较长时间的发展和培育。我国也应与一些发 达国家一样，尽力抢占未来信息技术产业先机。何积丰院士表示，CPS技术与物联网 技术同样重要。因此在开展物联网开发应用的同

12、时，还应强调对CPS的科学研究。信息物理融合系统中国计算机学会嵌入式系统专业委员会副主任、上海嵌入式系统与软件产业联盟秘 书长陈章龙认为，可在国民经济与民生相关的一些领域,如数字医疗、智能交通、智 能电网等，通过“政产学研”联合，进行CPS技术研发和布局。目前，上海已在智能 交通领域开展类似试点，通过车载信息终端,将汽车电子各个部件的信息实时监视和 收集，通过无线通信与后台信息服务系统相连，组成网络化的汽车远程信息服务系 统。这不但可以实现车况实时监测、运行状态控制、实时路况动态导航，甚至可以 进行车辆故障的在线诊断、远程维护与控制等.三、CPS的应用前景虽然CPS尚在发展初期，但CPS的研究

13、与应用将会改变了人类与自然物理世 界的交互方式，在健康医疗设备与辅助生活、智能交通控制与安全、先进汽车系统、 能源储备、环境监控、航空电子、防御系统、基础设施建设、加工制造与工业过程 控制、智能建筑等领域均有着广泛的应用前景。1、CPS智能感控设备和相关应用程序的开发，将便于人们更准确地感知周围的 环境，及时获得所感兴趣的信息与服务的动态更新，促进信息和知识的及时有效共 享。CPS系统中的物理设备强调精确控制，实现远程交互和协作，同时系统是一个 多维度而非单维度的开放式系统，具有高度的复杂性,能支持建造国家级甚至全球 级的大型或者特大型联网物理设备.这些特点决定了 CPS 系统在智能电网建设方

14、面 将大有用武之地，通过CPS系统，能够从发电、输电、变电、配电、用电、调度等 方面实现精确控制、远程协作和自治，从而为社会创造并节约宝贵的能源.目前对 智能电网还没有一个统一的定义，但智能电网的涵义基本上可以表述如下：以包括 各种发电设备、输配电网络、用电设备和储能设备的物理电网为基础,将现代先进 的传感测量技术、网络技术、通讯技术、计算技术、自动化与智能控制技术等与物 理电网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,其中每一个信息物理融合系统 发电设备、每一个输配电设备用户（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和信息的双

15、向流动。2、在交通运输方面，主要存在交通网络拥堵、交通事故频发、燃油消耗与碳 排放量高、道路运输能力利用率不均衡等问题。基于CPS技术的未来交通系统，能 通过散布于道路交通工具以及人之间的各种智能感控设备进行实时信号的传递和 处理。在城市交通方面,随着城市化进程的加快，现有的交通基础设施和管理办法 落后于时代的发展。单纯通过拓宽道路、建设高架、铺设轨道交通、设立标志、鼓 励乘坐公共交通、甚至空中交通,依靠传统的方法远远不能适应现代交通的发展， 需要发展智能交通系统（IntelligentTransportSystem，ITS）.在ITS中，街道、 桥梁路口、标志、信号等信息将被采集，并通过网络

16、处理、发布、交换、分析、利 用，为交通参与者提供多样性的服务.人类对汽车性能要求的提高以及智能交通系 统的建设，物理设备（比如：ECU）和信息系统（比如：ITS中的信息子系统）的深度 融合，海量数据的处理，多维度非单维度复杂开放系统的建立等，使得CPS的研究 与发展成为汽车电子中物理设备系统发展的必然趋势.3、在分布式能源开发和建设上，CPS的自主协调与大范围实时通信能力，能 在太阳能，风能，生物能等不稳定新能源加入的情形下，实现分布式电能的合理生 产与调度，提高电网的负载能力和稳定性，改善电力系统的性能，同时，通过对无 线信号的传感和控制，能提高对智能家电和电动汽车等各种智能可控负载的干离合

17、 协调能力.CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要 求物理构建和软件构建必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保 证满足系统需求和服务质量比如一个超市安防系统，在加入传感器、摄像头、监 视器等物理节点或者进行软件升级的过程中不需关掉整个系统或者停机就可以动 态升级。CPS应该是一个智能的有自主行为的系统,CPS不仅能够从环境中获取数据,信息物理融合系统进行数据融合，提取有效信息，并且根据系统规则通过效应器作用于环境。、CPS的挑战何积丰院士在2009年“中国计算机大会上推出：为了满足CPS通过计算、 通信、控制与物理设备一体化的构想,使工程系统运行更高效

18、、功能更优化、性能 更卓越，需要对现有的物理与信息系统涉及的科学技术进行演化，建立起适应CPS 需求的科学与技术相关的基础设施.在建立的过程中，我们面临一些挑战,主要有： 重新排列设计流中的抽象层；开发新的异构模型组合的语义基础和描绘不同物理与 逻辑的建模语言的语义基础；研究一个系统组合与集成的科学与技术基础，它是基 于模型的、精确的和可预测的;开发新的CPS开放式体系结构，它将允许我们建立 国家级和全球级系统的能力；建立新的灵活的CPS设计自动化基础设施。计算机科学的需求模型使用离散数学描述，控制论的模型需求是用微分方程 和系统行为描述的，这样，CPS系统在建模时需要将离散和连续结合在一起，怎么 结合？是否同时需要两者？还有，CPS系统涉及时间同步问题，而目前的控制理论 都是基于事件驱动的,无法预料下一时间将会发生什么，计算机系统的处理机能多 是基于异步的，建模时只管实现功能，并不关心何时实现，那么CPS系统需要找到 办