信息物理融合系統(tǒng)

課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：信息物理融合系統(tǒng) 學(xué)院、系： 專業(yè)班級：計算機科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 成績： 2013年12月1日摘要：信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physicalsystems,CPS）是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C技術(shù)的有機融合與高度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。本文首先介紹了CPS的概念和特征,綜述了CPS的當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用前景；對CPS技術(shù)發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的研究方向進行了總結(jié)與展望。關(guān)鍵詞信息物理融合系統(tǒng)；實時；CPS體系結(jié)構(gòu)；高性能；嵌入式系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)控制、CPS概述1.1CPS簡述2007年7月，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先一一競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了8大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位。近年來，CPS不僅已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和科技界研究開發(fā)的重要方向，預(yù)計也將成為企業(yè)界優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。開展CPS研究與應(yīng)用對于加快我國培育推進工業(yè)化與信息化融合具有重要意義。CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能°CPS本質(zhì)上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。CPS對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。美國國家科學(xué)基金會（NSF）認(rèn)為，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。CPS，從廣義上來理解，就是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制物理實體。CPS的終極目標(biāo)是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。盡管CPS前景無限，但挑戰(zhàn)性也是巨大的，這其中很大程度上來自控制與計算之間的差異。通常，控制領(lǐng)域是通過微分方程和連續(xù)的邊界條件來處理問題，而計算則建立在離散數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上；控制對時間和空間都十分敏感，而計算則只關(guān)心功能的實現(xiàn)。通俗地說，搞控制的人和搞計算機的人缺乏“共同語言”。這種差異將給計算機科學(xué)和應(yīng)用帶來基礎(chǔ)性的變革。1.2CPS定義CPS的理念最早由美國自然基金委提出，該概念一經(jīng)提出便獲得了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注.各國科研學(xué)者從CPS的理論方法、相關(guān)組件、運行環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)等不同層面對CPS進行了深入研究.但由于CPS具有較高的復(fù)雜性,繼承并融合發(fā)展了多個學(xué)科的不同技術(shù),很難給出一個精確而全面的定義;加上不同領(lǐng)域的研究者對CPS的理解各異,短期內(nèi)還未能完全達成共識.本文將列舉相對具有代表性的定義，再總結(jié)出參考性的定義。美國NSF的定義：計算資源與物理資源間的緊密集成與深度協(xié)作。LeeE提出,CPS是一系列計算進程和物理進程組件的緊密集成，通過計算核心來監(jiān)控物理實體的運行,而物理實體又借助于網(wǎng)絡(luò)和計算組件實現(xiàn)對環(huán)境的感知和控制。Sastry教授從計算科學(xué)與信息存儲處理的層面出發(fā)，認(rèn)為CPS集成了計算、通信和存儲能力,能實時、可靠、安全、穩(wěn)定和高效地運行，是能監(jiān)控物理世界中各實體的網(wǎng)絡(luò)化計算機系統(tǒng)。中國科學(xué)院的何積豐院士的定義：CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可拓展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，他通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高校和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。上述定義的側(cè)重點不同，歸納得出：CPS是物理過程和計算過程的集成系統(tǒng)，是人類通過CPS系統(tǒng)包含的數(shù)字世界和機械設(shè)備與物理世界進行交互，這種交互的主體既包括人類自身也包括在人的意圖知道下的系統(tǒng)。而作用的客體包括真實世界的各方面：自然環(huán)境、建筑、機器、同時也包括人類自身等。CPS是可能是一個分布式異構(gòu)系統(tǒng)，他不僅包含了許多功能不同的字系統(tǒng)，而且這些子系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)和功能各異，而且分布在不同的地理范圍內(nèi)。各個子系統(tǒng)之間要通過有線或無線的通信方式相互協(xié)調(diào)工作。二、CPS的特點及其發(fā)展2.1CPS的特點1、 海量運算。海量運算是CPS接入設(shè)備的普遍特征，因此，接入設(shè)備通常具有強大的計算能力。從計算性能的角度出發(fā)，把一些高端的CPS應(yīng)用比作胖客戶機/服務(wù)器架構(gòu)的話，那么物聯(lián)網(wǎng)則可視為瘦客戶機服務(wù)器，因為物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無法進行協(xié)同。從這個角度來說物聯(lián)網(wǎng)可以看作CPS的一種簡約應(yīng)用。2、 感知性。感知在CPS中十分重要。信息空間數(shù)據(jù)則具有離散性。那么從物理空間到信息空間的信息流動，首先必須通過各種類型的傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)變成模擬量，再通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，從而為信息空間所接受。從這個意義上說，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可視為CPS的一部分。3、 系統(tǒng)組成包括各類計算機設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備和物理設(shè)備。所有的設(shè)備相互協(xié)同和相互影響，共同決定整個系統(tǒng)的功能和行為特征。4、 系統(tǒng)行為難以明確區(qū)分是計算過程還是物理過程作用的結(jié)果。這是由于系統(tǒng)的計算、信息的處理過程和物理過程緊密結(jié)合并相互影響。與嵌入式系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)側(cè)重在處理器上運行，是一種在有限資源環(huán)境下的優(yōu)化技術(shù)。CPS是計算與物理成分的集成，相當(dāng)于嵌入式系統(tǒng)+網(wǎng)絡(luò)+控制，是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和研究熱點。CPS將計算和通信能力嵌入到傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)之中，導(dǎo)致了計算對象的變化。它將計算對象從數(shù)字的變?yōu)槟M的，從離散的變?yōu)檫B續(xù)的，從靜態(tài)的變?yōu)閯討B(tài)的。它作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。2.2CPS的發(fā)展專家分析都認(rèn)為，到2020年前后，信息技術(shù)將會遭遇到漸進是改進難以持續(xù)發(fā)展的重大障礙，而在應(yīng)用當(dāng)中，新的模式所帶來的重大規(guī)模的應(yīng)用技術(shù)和集成性技術(shù)或者是系統(tǒng)集群技術(shù)的突破，CPS技術(shù)概念的應(yīng)用將成為重要突破口。如何突破發(fā)展的瓶頸，這就需要我們繼續(xù)做一些探索性的研究工作，進行技術(shù)創(chuàng)新。當(dāng)然，這種創(chuàng)新不是標(biāo)新立異，而是以應(yīng)用需求為原動力，以科學(xué)理論為奠基石，理論與實際相結(jié)合。在國外，CPS的聲音很強勁。歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)(ARTMEIS)上投入54億歐元(超過70億美元)，以期在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖。2008年成立的美國CPS指導(dǎo)小組在《CPS執(zhí)行概要》中，把CPS應(yīng)用放在交通、國防、能源、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和大型建筑設(shè)施等方面。除此之外，美國國家科學(xué)基金會(NSF)和歐洲第七框架(FP7)的大型科研資助計劃，都投入了大量經(jīng)費。在國內(nèi)，CPS技術(shù)還剛剛興起，還需較長時間的發(fā)展和培育。我國也應(yīng)與一些發(fā)達國家一樣，盡力搶占未來信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)先機。何積豐院士表示，CPS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同樣重要。因此在開展物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用的同時，還應(yīng)強調(diào)對CPS的科學(xué)研究。中國計算機學(xué)會嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會副主任、上海嵌入式系統(tǒng)與軟件產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長陳章龍認(rèn)為，可在國民經(jīng)濟與民生相關(guān)的一些領(lǐng)域，如數(shù)字醫(yī)療、智能交通、智能電網(wǎng)等，通過“政產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合，進行CPS技術(shù)研發(fā)和布局。目前，上海已在智能交通領(lǐng)域開展類似試點，通過車載信息終端，將汽車電子各個部件的信息實時監(jiān)視和收集，通過無線通信與后臺信息服務(wù)系統(tǒng)相連，組成網(wǎng)絡(luò)化的汽車遠程信息服務(wù)系統(tǒng)。這不但可以實現(xiàn)車況實時監(jiān)測、運行狀態(tài)控制、實時路況動態(tài)導(dǎo)航，甚至可以進行車輛故障的在線診斷、遠程維護與控制等。三、CPS的應(yīng)用前景雖然CPS尚在發(fā)展初期，但CPS的研究與應(yīng)用將會改變了人類與自然物理世界的交互方式，在健康醫(yī)療設(shè)備與輔助生活、智能交通控制與安全、先進汽車系統(tǒng)、能源儲備、環(huán)境監(jiān)控、航空電子、防御系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加工制造與工業(yè)過程控制、智能建筑等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。1、CPS智能感控設(shè)備和相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)，將便于人們更準(zhǔn)確地感知周圍的環(huán)境，及時獲得所感興趣的信息與服務(wù)的動態(tài)更新，促進信息和知識的及時有效共享。CPS系統(tǒng)中的物理設(shè)備強調(diào)精確控制，實現(xiàn)遠程交互和協(xié)作，同時系統(tǒng)是一個多維度而非單維度的開放式系統(tǒng)，具有高度的復(fù)雜性，能支持建造國家級甚至全球級的大型或者特大型聯(lián)網(wǎng)物理設(shè)備。這些特點決定了CPS系統(tǒng)在智能電網(wǎng)建設(shè)方面將大有用武之地，通過CPS系統(tǒng)，能夠從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等方面實現(xiàn)精確控制、遠程協(xié)作和自治，從而為社會創(chuàng)造并節(jié)約寶貴的能源。目前對智能電網(wǎng)還沒有一個統(tǒng)一的定義，但智能電網(wǎng)的涵義基本上可以表述如下：以包括各種發(fā)電設(shè)備、輸配電網(wǎng)絡(luò)、用電設(shè)備和儲能設(shè)備的物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、自動化與智能控制技術(shù)等與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它是一個完全自動化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中每一個發(fā)電設(shè)備、每一個輸配電設(shè)備用戶（乃至用電設(shè)備）和每一個節(jié)點都得到了實時監(jiān)控，并保障從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。2、 在交通運輸方面，主要存在交通網(wǎng)絡(luò)擁堵、交通事故頻發(fā)、燃油消耗與碳排放量高、道路運輸能力利用率不均衡等問題?；贑PS技術(shù)的未來交通系統(tǒng)，能通過散布于道路交通工具以及人之間的各種智能感控設(shè)備進行實時信號的傳遞和處理。在城市交通方面，隨著城市化進程的加快，現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施和管理辦法落后于時代的發(fā)展。單純通過拓寬道路、建設(shè)高架、鋪設(shè)軌道交通、設(shè)立標(biāo)志、鼓勵乘坐公共交通、甚至空中交通，依靠傳統(tǒng)的方法遠遠不能適應(yīng)現(xiàn)代交通的發(fā)展，需要發(fā)展智能交通系統(tǒng)（IntelligentTransportSystem，ITS）。在ITS中，街道、橋梁路口、標(biāo)志、信號等信息將被采集，并通過網(wǎng)絡(luò)處理、發(fā)布、交換、分析、利用，為交通參與者提供多樣性的服務(wù)。人類對汽車性能要求的提高以及智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，物理設(shè)備（比如：ECU）和信息系統(tǒng)（比如：ITS中的信息子系統(tǒng)）的深度融合，海量數(shù)據(jù)的處理，多維度非單維度復(fù)雜開放系統(tǒng)的建立等，使得CPS的研究與發(fā)展成為汽車電子中物理設(shè)備系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。3、 在分布式能源開發(fā)和建設(shè)上，CPS的自主協(xié)調(diào)與大范圍實時通信能力，能在太陽能，風(fēng)能，生物能等不穩(wěn)定新能源加入的情形下，實現(xiàn)分布式電能的合理生產(chǎn)與調(diào)度，提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和穩(wěn)定性，改善電力系統(tǒng)的性能，同時，通過對無線信號的傳感和控制，能提高對智能家電和電動汽車等各種智能可控負(fù)載的十離合協(xié)調(diào)能力。CPS具有自適應(yīng)性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點和要求。物理構(gòu)建和軟件構(gòu)建必須能夠在不關(guān)機或停機的狀態(tài)下動態(tài)加入系統(tǒng)，同時保證滿足系統(tǒng)需求和服務(wù)質(zhì)量。比如一個超市安防系統(tǒng)，在加入傳感器、攝像頭、監(jiān)視器等物理節(jié)點或者進行軟件升級的過程中不需關(guān)掉整個系統(tǒng)或者停機就可以動態(tài)升級。CPS應(yīng)該是一個智能的有自主行為的系統(tǒng)，CPS不僅能夠從環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，提取有效信息，并且根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則通過效應(yīng)器作用于環(huán)境。四、CPS的挑戰(zhàn)何積豐院士在2009年“中國計算機大會”上推出：為了滿足CPS通過計算、通信、控制與物理設(shè)備一體化的構(gòu)想，使工程系統(tǒng)運行更高效、功能更優(yōu)化、性能更卓越，需要對現(xiàn)有的物理與信息系統(tǒng)涉及的科學(xué)技術(shù)進行演化，建立起適應(yīng)CPS需求的科學(xué)與技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。在建立的過程中，我們面臨一些挑戰(zhàn)，主要有：重新排列設(shè)計流中的抽象層；開發(fā)新的異構(gòu)模型組合的語義基礎(chǔ)和描繪不同物理與邏輯的建模語言的語義基礎(chǔ)；研究一個系統(tǒng)組合與集成的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)，它是基于模型的、精確的和可預(yù)測的；開發(fā)新的CPS開放式體系結(jié)構(gòu)，它將允許我們建立國家級和全球級系統(tǒng)的能力；建立新的靈活的CPS設(shè)計自動化基礎(chǔ)設(shè)施。計算機科學(xué)的需求模型使用離散數(shù)學(xué)描述，控制論的模型需求是用微分方程和系統(tǒng)行為描述的，這樣，CPS系統(tǒng)在建模時需要將離散和連續(xù)結(jié)合在一起，怎么結(jié)合？是否同時需要兩者？還有，CPS系統(tǒng)涉及時間同步問題，而目前的控制理論都是基于事件驅(qū)動的，無法預(yù)料下一時間將會發(fā)生什么，計算機系統(tǒng)的處理機能多是基于異步的，建模時只管實現(xiàn)功能，并不關(guān)心何時實現(xiàn)，那么CPS系統(tǒng)需要找到辦法，在兩者間進行整合，否則在物理設(shè)備中無法實現(xiàn)計算、通信和控制能力。此外，需要解決封閉系統(tǒng)之間的通信問題，同時，CPS系統(tǒng)也是一個開放式的系統(tǒng)，開放如何實現(xiàn)？CPS的線程要及時響應(yīng)，這就需要在描述CPS的線程時，弄清每個設(shè)備究竟需要多少資源，以及資源的共享方式，如果無法預(yù)先確定設(shè)備擁有的資源，就不能實現(xiàn)資源管理。CPS應(yīng)用非常廣泛，但涉及的科學(xué)與技術(shù)問題也較多，包括：理論建模和計算抽象；CPS領(lǐng)域語言、程序設(shè)計自動化和高可信軟件；組件、系統(tǒng)集成與驗證；分布式傳感、計算、通信和網(wǎng)絡(luò)控制；物理接口和新型人機交互；環(huán)境感知；數(shù)據(jù)管理與挖掘一從數(shù)據(jù)到知識；安全、隱私和信任等八個方面的問題。五、總結(jié)CPS是一個嶄