信息物理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析*

羅俊海 ，肖志輝 ，仲昌平

（1.電子科技大學電子工程學院 成都 611731；2.邁普通信技術(shù)股份有限公司 成都 610041）

1 引言

隨著計算機技術(shù)（特別是嵌入式計算技術(shù)）、通信技術(shù)（特別是無線通信技術(shù)）、自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)（特別是無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)）的迅速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（cyber physical system,CPS）應運而生。

目前CPS還沒有一個統(tǒng)一的明確定義，本文的定義為：CPS是在環(huán)境感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制(computing,communication,control，3C)能力的網(wǎng)絡化物理設備系統(tǒng)，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與信息世界的協(xié)同和實時交互，以增加或擴展新的功能，提供實時感知、動態(tài)控制和信息反饋等服務。圖1展示了 CPS 3C能力之間的相互協(xié)同過程。

另外，隨著CPS認識的逐步深入，本文認為CPS將由3C的核心概念逐步向“5C+5Any”的核心概念轉(zhuǎn)換。5C分別是融合 (convergence)、通信(communication)、計算(computing)、連接(connectivity)、內(nèi)容(content)；5Any分別是任意時間 (anytime)、任意地點 (anywhere)、任意服務(anyservice)、任意網(wǎng)絡(anynetwork)和任意對象(anyobject)。

圖1 CPS 3C能力之間的相互協(xié)同過程

CPS中所有研究的對象都統(tǒng)一看作設備終端，讓設備終端具有智能化，通過泛在相連實現(xiàn)終端間的信息交換[1]。CPS通過傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、傳感器與執(zhí)行器組合節(jié)點分布在物理世界，實現(xiàn)對物理世界的全面感知，并通過操控物理世界的對象正確地控制物理世界。CPS的計算系統(tǒng)完成各種計算任務，提供各種服務；控制系統(tǒng)使用感知信息和計算系統(tǒng)提供的信息與服務，確定對物理世界的控制策略，協(xié)調(diào)各個執(zhí)行器對物理世界對象的操作，實施對物理世界的協(xié)同控制，有機地實現(xiàn)物理世界和信息世界的融合。CPS通信網(wǎng)絡可以邏輯地視為傳感器網(wǎng)絡、執(zhí)行器網(wǎng)絡、計算機網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡構(gòu)成的無處不在的通信網(wǎng)絡。

CPS應用極為廣泛，包括醫(yī)療器件和系統(tǒng)、生活助理、交通控制、先進自動化系統(tǒng)、過程控制、能源消耗與再生、環(huán)境保護、智能、重要基礎設施控制（如電力資源、通信系統(tǒng)、水資源等）、智能機器人、醫(yī)療設施、航空航天、信息安全和國防系統(tǒng)等。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

CPS是當今最前沿的交叉研究領域之一，被普遍認為是計算機信息處理技術(shù)史上的下一次信息浪潮，將會改變?nèi)伺c現(xiàn)實物理世界之間的交互方式，具有廣泛的應用前景。CPS得到了國內(nèi)外學術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視，并已經(jīng)投入了大量的人力和物力，從事CPS領域基礎理論及應用研究。

2007年8月，美國明確建議把CPS作為美國聯(lián)邦政府研究投入最高優(yōu)先級的課題，從此開啟了美國對CPS研究的大門。美國很多高校和研究單位都針對CPS提出了自己的觀點和愿景。

2009年5月，來自加州伯克利分校、卡內(nèi)基·梅隆大學等高校和波音、博世、豐田等企業(yè)界的研究人員參加了由美國計算機領域研究人員的社團組織——計算社區(qū)聯(lián)盟資助的以“CPS研究中的產(chǎn)業(yè)-學術(shù)界新型伙伴關(guān)系”為主題的研討會，會議最終發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)與學術(shù)界在CPS研中的協(xié)作》白皮書[2]。

從2006年到 2010年 3月1日，NSF（national sanitation foundation）共批準CPS相關(guān)項目133余項，其中2006年8項，2007年26項，2008年32項，2009年66項。資助范圍很廣，包括基礎結(jié)構(gòu)、基本理論、網(wǎng)絡基礎、支持技術(shù)、應用、相關(guān)國際會議及博士生論壇等。

歐洲聯(lián)盟計劃從2007年到2013年在CPS相關(guān)的嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)(ARTMEIS)上投入54億歐元。當前其有關(guān)CPS的探索性研究成果主要有：CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)安全、QoS和應用案例等[3]。

目前，國際上的CPS研究工作剛剛開始，研究工作僅觸及CPS的少數(shù)幾個方面，研究成果比較少。總體來說，可以分為CPS的系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)傳輸與管理技術(shù)、能源管理、系統(tǒng)安全、軟件設計技術(shù)、控制以及示范應用系統(tǒng)等。

從2009年開始，CPS逐漸引起國內(nèi)有關(guān)部門、學者以及企業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視。2010年，國家“863”計劃信息技術(shù)領域辦公室和國家“863”計劃信息技術(shù)領域?qū)＜医M在華東師范大學舉辦了“信息—物理融合系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇，探討了CPS科學基礎及其關(guān)鍵技術(shù)、國民經(jīng)濟領域CPS應用系統(tǒng)示范及國家急需的CPS應用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局，并就3G與CPS融合、智能電網(wǎng)的CPS應用、CPS技術(shù)發(fā)展與智能交通、CPS技術(shù)在數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字農(nóng)業(yè)、公共安全等領域的應用進行了研討[4]。

目前國內(nèi)從事CPS研究的機構(gòu)不多，西北工業(yè)大學、大連理工大學、電子科技大學等高校創(chuàng)立了CPS研究組，但這些機構(gòu)都沒有從CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實時性方面展開研究。相信隨著CPS關(guān)注度的提高，國內(nèi)從事CPS研究的學者和機構(gòu)會越來越多[5]。

3 CPS架構(gòu)

CPS深度結(jié)合嵌入式實時系統(tǒng)，集傳感、控制、計

算及網(wǎng)絡技術(shù)于一體，通過網(wǎng)絡將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成一種大型的、異構(gòu)的分布式實時系統(tǒng)。CPS體系架構(gòu)如圖2所示。

（1）感知層

由傳感器、控制器和采控器等感知設備組成，負責感知用戶感興趣的物理世界的某些物理屬性，比如精準農(nóng)業(yè)中農(nóng)田的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，遠程醫(yī)療中病人的血壓、脈搏等生命特征參數(shù)等，實現(xiàn)多感知器協(xié)同感知物理世界狀態(tài)。

（2）網(wǎng)絡層

連接信息世界與物理世界的各種對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制的CPS實時網(wǎng)絡，為系統(tǒng)提供實時網(wǎng)絡服務，保證網(wǎng)絡分組的實時傳輸。

（3）認知層

通過感知數(shù)據(jù)的認知計算、分析和推理，正確和深入地認識物理世界。該層分為認知邏輯層、管理邏輯層和認知適配層3個子層。

（4）控制層

控制層也可以叫應用層。控制層根據(jù)認知層的認知結(jié)果，確定控制策略，發(fā)布控制指令，遠程指揮各個物理設備終端協(xié)同控制物理世界，形成反饋循環(huán)控制系統(tǒng)。當物理世界的被控制量偏離規(guī)定值時，CPS自動產(chǎn)生相應的控制作用消除偏差。

4 CPS業(yè)務特征

CPS通過感知、智能設備獲得客觀世界事物的信息，并對感知到的信息進行分析和智能化的處理，與通信對象進行交互，完成應用相關(guān)的業(yè)務邏輯。

CPS應用非常豐富，各種應用的特征各不相同。例如在健康醫(yī)療生命體征監(jiān)測應用中，普通的生命體征數(shù)據(jù)只需要周期性地傳送或在事件驅(qū)動的情況下傳送，只需要傳輸少量的數(shù)據(jù)信息，不需要很大的網(wǎng)絡帶寬，但緊急情況下的數(shù)據(jù)信息需要實時傳送，因此需要較高級別的QoS保證[6,7]。而在視頻監(jiān)控類業(yè)務中則需要傳輸大量的監(jiān)控信息，需要較高的網(wǎng)絡帶寬。與話音等傳統(tǒng)通信業(yè)務相比，CPS應用在通信特征方面呈現(xiàn)出差異化和多樣化，具有如下業(yè)務特征。

圖2 CPS體系架構(gòu)

·環(huán)境感知性。CPS應用可以通過傳感器等感知設備對周圍環(huán)境進行感知，自動獲取環(huán)境信息。

·自組織、自愈性。節(jié)點可以動態(tài)、智能地接入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡具有分布式自恢復能力。

·異構(gòu)性、泛在性。多種接入和承載方式融合在一起，實現(xiàn)無縫接入。任何對象（人或設備等）無論何時、何地都能通過合適的方式獲得所需要的信息與服務。

·移動性、寬帶性。不同的CPS終端設備具有不同的移動性特征，有些是固定不動的，有些只進行低速移動，而有些則可能會高速移動。網(wǎng)絡可以支持具有不同移動特性的對象的移動與漫游，支持無縫切換及移動性管理，提供連續(xù)的業(yè)務體驗。

·開放性、透明性。CPS網(wǎng)絡各個層次的能力都是開放的，通過標準的接口對外提供服務，有助于業(yè)務提供者方便、快速、靈活地開發(fā)和部署豐富的業(yè)務。

·可管可控性。提供統(tǒng)一的管理平臺，對互連的不同網(wǎng)絡設備實施各種管理和控制，從而實現(xiàn)對全網(wǎng)的綜合管理，包括終端設備及業(yè)務接入鑒權(quán)、QoS保證等，使用戶獲得可管理可控制的優(yōu)質(zhì)CPS服務。

·時空約束性。CPS業(yè)務具有嚴格的實時性和空間約束，并且不同業(yè)務可能有不同的時間和空間粒度。

·不確定性。CPS業(yè)務具有不確定性，主要來源于測量誤差、計算模型誤差、無線通信等因素。

·融合性、協(xié)同性。數(shù)字化、多媒體化的信息服務將融入人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸a(chǎn)、生活中，信息整合和服務協(xié)同是泛在服務的核心。CPS中的物理設備強調(diào)精確控制，要實現(xiàn)度量標準，并且能實現(xiàn)遠程交互和協(xié)作完成具體任務的自主管理，這些任務不是靠一個或幾個設備完成的，而要靠眾多物理設備協(xié)作完成。

·安全性。CPS業(yè)務應提供從機器終端設備到應用服務的端到端的安全傳輸保證，同時，網(wǎng)絡作為終端層和應用服務的數(shù)據(jù)傳輸中介，應對數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方進行認證和授權(quán)，實現(xiàn)CPS的全程安全管控。

5 CPS發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

從規(guī)模上看，由于CPS相關(guān)面覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治能力的設備，據(jù)估計物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模達到上萬億元，而CPS的市場規(guī)模遠遠超出物聯(lián)網(wǎng)的，難以計數(shù)。

下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計算機和網(wǎng)絡實現(xiàn)功能擴展的物理設備無處不在，并將推動工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業(yè)自動化、健康/醫(yī)療設備、重大基礎設施等主要工業(yè)領域的競爭力[8]。

5.1 CPS差異化

CPS包括了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制，使CPS具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治的功能。CPS的最終目標是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴展的網(wǎng)絡，從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。和其他系統(tǒng)相比，CPS體現(xiàn)了如下的差異化。

·多維度開放式系統(tǒng)。CPS不是單維度封閉系統(tǒng)，其具有高度的復雜性，能夠支持各類型的物理設備系統(tǒng)，具有開放性。

·強調(diào)物理設備和信息系統(tǒng)的深度整合，但目前缺乏進行這種整合的基礎。控制論和計算機分屬兩個學科，各學科解決問題的思路存在著極大的差異。研究物理的人會用微分方程刻畫世界，而研究計算機的人習慣用離散數(shù)學和形式化語言描述模型。

·基于模型開發(fā)。現(xiàn)有系統(tǒng)只關(guān)心數(shù)據(jù)在存儲器中的狀態(tài)變化，無法描述物理設備的多種行為和信息之間的交互。

·具有時間和空間的概念。現(xiàn)有的編程語言能力無法滿足CPS的這種需要。

·海量數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)在對于海量數(shù)據(jù)處理的研究不多，主要來源于互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。

5.1.1 CPS與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的差異化

CPS不能僅僅通過傳統(tǒng)的嵌入式方式為物理系統(tǒng)擴展或者增加新的功能。傳統(tǒng)的嵌入式方式已不再適應新一代物理系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡化的需要，CPS需要開放、可靠和確定的嵌入式系統(tǒng)。CPS中的嵌入式計算系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的封閉性系統(tǒng)，而是可以通過網(wǎng)絡與其他信息系統(tǒng)進行互聯(lián)和互操作的系統(tǒng)；要求的嵌入式系統(tǒng)是一種開放的嵌入式系統(tǒng)，可以提供標準的網(wǎng)絡訪問接口和交互協(xié)議、標準的計算平臺和服務調(diào)用接口、標準的計算環(huán)境和管理界面。

5.1.2 CPS與物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的差異化

從名稱來看，物聯(lián)網(wǎng)偏重工程技術(shù)，而CPS則偏重科學技術(shù)研究；從概念內(nèi)涵角度來看，物聯(lián)網(wǎng)突出物與物間的互聯(lián)，而CPS在物與物互聯(lián)的基礎上，還強調(diào)對物的實時、動態(tài)的信息控制與信息服務。

另外，傳感網(wǎng)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，用于感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象和事件的信息，是CPS感知和監(jiān)測物理世界的有效手段。但其僅僅是采集和傳遞數(shù)據(jù)，并沒有涉及核心控制技術(shù)，也不具備CPS要求的高可靠性。所以傳感網(wǎng)并不是物聯(lián)網(wǎng)，更不是CPS，傳感網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)在一定程度上可以支撐CPS的開發(fā)[9]。

5.2 CPS發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

目前，有關(guān)CPS的研究還處于起步和探索階段，研究者面臨很多挑戰(zhàn)，如CPS的設計、構(gòu)造、測試和維護的成本高、難度大，精細化集成技術(shù)，可靠性和實時性要求，安全性等。下面將從以下幾個方面闡述CPS研究所面臨的挑戰(zhàn)。

5.2.1 物理系統(tǒng)與計算系統(tǒng)的協(xié)同處理

從上面的定義和分析可以看出，CPS的特點之一就是協(xié)同，所以在進行CPS研究和技術(shù)開發(fā)時，必須處理物理系統(tǒng)與計算系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。CPS在面向物理環(huán)境感知時，具有空間和時間上的關(guān)系，所以計算系統(tǒng)必須保證在事件處理、決策和控制時是準確和實時的，確保在物理系統(tǒng)控制和操作的空間和時間上的正確性。另外，正因為事件的時空相關(guān)性，在進行CPS研究的同時，必須有效地利用事件的時空關(guān)系，進行數(shù)據(jù)處理和計算。

5.2.2 物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)同處理

網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)了無處不在的通信接入，使得物理設備能夠進行信息交互。所以，在進行CPS研究和技術(shù)開發(fā)時，必須處理物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。建立物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的協(xié)同模型，定性和定量地分析物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。必須摒棄傳統(tǒng)的分別評價、建模和仿真CPS的方式，這樣無法構(gòu)建物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的協(xié)同與依賴關(guān)系。

5.2.3 計算系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)同處理

由于物理系統(tǒng)中物理設備的安全性、面向?qū)ο笮院涂煽啃缘男枰屯ㄓ玫挠嬎阆到y(tǒng)中的部件存在著本質(zhì)上的差異，因此必須考慮計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。研究物理系統(tǒng)的動態(tài)性、計算的離散性和時序性，重構(gòu)計算和網(wǎng)絡的抽象體系，如編程語言中增加時序，網(wǎng)絡增加時序，重新定義OS、編程語言的接口，重新劃分軟硬件，構(gòu)建面向CPS中間件，系統(tǒng)正確性驗證技術(shù)、嵌入式服務開發(fā)技術(shù)，提供實時安全的數(shù)據(jù)服務技術(shù)、隱私保護技術(shù)以及安全控制技術(shù)等。

5.2.4 示范工程建設的挑戰(zhàn)

這一挑戰(zhàn)基于CPS的應用。CPS的典型示范系統(tǒng)，例如智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療系統(tǒng)等，都會涉及較為復雜的基本建設工程和公共設施工程。首先必須保證無處不在的網(wǎng)絡通信的基礎設施，保證所有的物理設備能夠正確接入，特別是無線接入方式。所以構(gòu)建全覆蓋的無線網(wǎng)絡基礎設施就是開展示范工程的第一件事情，而且很難在短時間內(nèi)完成。另外，示范工程的建設必須要按需進行引導，建立相互融合的綜合性平臺應用，避免單一應用的示范工程建設。

總之，CPS研究所涉及的科學與技術(shù)問題非常廣泛，包含了理論建模和計算，系統(tǒng)集成與驗證，分布式傳感，計算,通信和網(wǎng)絡控制，CPS領域語言，程序設計自動化和高可信軟件，物理接口與挖掘，安全、隱私和信任，示范工程等。這些方面需要繼續(xù)投入人力和物力進行研究與開發(fā)。

6 結(jié)束語

CPS是未來經(jīng)濟增長的亮點，是下一次信息化技術(shù)革命浪潮。CPS橋接了原來完全分割的虛擬世界和現(xiàn)實世界，使得虛擬網(wǎng)絡世界智能化，并基于物理世界與虛擬世界的相互連接，有機地實現(xiàn)信息交互，并且能夠優(yōu)化物理世界設備之間的控制、操作和傳遞，構(gòu)成一個泛在、綠色、智能、高效的物理世界，使得現(xiàn)實世界更加豐富多彩。

可以看出，CPS的研究是一項長遠的計劃，其應用涉及各行各業(yè)，是一項龐大的綜合性、復雜性系統(tǒng)，所以對CPS的研究必須著眼于現(xiàn)在，展望于未來數(shù)十年或更長時間進行的系統(tǒng)設計、構(gòu)造、實現(xiàn)、優(yōu)化和跟蹤，使得研究者按需進行有計劃、分階段的研究和開發(fā)工作。對于CPS的研究挑戰(zhàn)與機遇并存，只要能夠科學分析、優(yōu)化決策，持續(xù)地研究和開發(fā)，按需引導，必將獲得發(fā)展與成功。

1 信息物理系統(tǒng)(CPS).http://book.51cto.com/art/201105/260231.htm

2 CPS計劃:物聯(lián)網(wǎng)的他山之石.http://www.ciw.com.cn/newsdemo/ciwnews/201004/20100406110255-71689.shtml

3 CPS簡介.http://wenku.baidu.com/view/70697f28915f804d2b16 c1a9.html

4 何積豐.Cyber physical systems.中國計算機學會通訊,2010(5):25～29

5 譚朋柳,舒堅,吳振華.一種信息—物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).計算機研究與發(fā)展,2010(5):312～316

6 劉祥志,劉曉建,王知學等.信息物理融合系統(tǒng).山東科學,2010,47(z2):56～61

7 信息物理融合系統(tǒng)(CPS)中的數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù).http://www.efst.sh.cn/showKnowledge.do?id=576

8 信息物理融合系統(tǒng)(CPS)的概念、特點、挑戰(zhàn)和研究進展.http://wenku.baidu.com/view/4e94cebec77da26925c5b050.html

9 物聯(lián)網(wǎng)綜述.http://wenku.baidu.com/view/73625a35f111f18583 d05ad8.html