信息物理融合系統(tǒng)_第1頁
信息物理融合系統(tǒng)_第2頁
信息物理融合系統(tǒng)_第3頁
信息物理融合系統(tǒng)_第4頁
信息物理融合系統(tǒng)_第5頁
已閱讀5頁,還剩1頁未讀 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

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

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評論

0/150

提交評論