淺析信息物理融合系統（CPS）

文/王雯萱王凱

淺析信息物理融合系統（CPS）

文/王雯萱1王凱2

CPS是計算資源與物理資源進行深度融合的產物，在未來它可能將會改變人類與物理的交互方式。本文闡述了 CPS的基本概念，并對其系統體系結構做出簡單的說明和研究，分析了信息物理系統現在的研究現狀和未來所要面臨的挑戰和機遇，為 CPS在未來的發展過程中提供了方法并促進計算機科學技術的進一步發展。

信息物理系統 計算資源 物理資源理論體系結構

1 引言

隨著傳感器網絡技術、嵌入式的開發技術以及控制理論與實時系統的發展，物理智能系統正在慢慢的滲入人們的日常生活中。CPS是一個在環境感知的基礎上，深度融合了通信、計算和控制能力可信、可控、可擴展的和安全高效的 CPS網絡化物理設備系統，其核心是3C 技術融合。它為一項新的科學研究與工程應用領域在應用需求、科學技術創新和理論研究等方面奠定了基礎，是普適計算、傳感器技術、人機交換技術和嵌入式計算以及通信和網絡技術不斷發展的形成產物。下面我將對 CPS的具體概念和系統體系結構以及 CPS所面臨的重大挑戰和研究現狀進行簡要分析。

2 CPS基本概念

Edward Lee將 CPS定義為計算和物理過程的集成。CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境多維復雜系統，通過與 3C 技術以及人機交互接口實現和物理進程的交互，并使用網絡化空間來對一個物理實體進行遠程的、可靠地、實時的、安全的、協作的操控，實現計算資源與物理資源的緊密結合與協調的下一代智能系統。從微觀的角度看，CPS通過在物理系統中嵌入計算與通信內核實現計算進程與物理進程的一體化[1]，通過使用 CPS的計算核，系統可以實現對物理資源的控制、檢測和操作，并實現對每一個物理組件的分布式處理和實時反饋。從本質上講，它的意義在于將物理設備聯網，使它具有控制屬性的網絡，但又有別于現有的控制系統。現涉及的應用領域有設備互聯、機器人、智能家居、智能導航和物聯傳感等。

3 CPS系統體系結構

3.1 CPS的基本功能邏輯單元

CPS的基本組件包括傳感器、執行器和決策控制單元（DCU）。傳感器是一種嵌入式設備，可以對外界環境進行檢測、控制以及感知外界溫度、濕度等物理條件；執行器是對系統傳來的指令進行操作控制的嵌入式設備；決策控制單元則是根據用戶定義的語句生成控制邏輯的邏輯控制單元。

3.2 CPS體系結構特性

CPS技術是基于嵌入式技術和傳感器技術發展起來的，嵌入式技術是設備具有智能性，傳感器技術使設備具有感知能力，這兩者的結合，就達到了物理設備和計算深深融合的目的。從 CPS需求分析并對比現有系統分析 CPS具有的性能需求如下：

（1）計算/信息過程與物理過程緊密結合，以至于對系統的行為特征無法判斷究竟是物理定律還是計算過程甚至兩者共同影響的結果。

（2）自治性。系統的自治性是 CPS的基礎，系統會通過傳感器感知環境做出相應的反應，人可以對系統進行干預，也可以在不干預的情況下使系統能夠正常運行。

（3）并發性。并發是 CPS物理環境中的基本特征，其中計算模塊則是順序的。CPS是計算與物理模塊的緊密結合的系統，新的并發計算軟件系統可以應對如今 CPS的需求。

（4）分布性。CPS系統中有大量的網絡化嵌入式計算，其分布的則是計算的網絡，由于其每個節點的能力有限，是一種典型的分布式計算系統。

3.3 CPS體系結構概述

CPS是計算和物理設備緊密融合的過程。松耦合的分布式計算系統和物理系統通過下一代互聯網連接形成 CPS的資源基礎，并基于該基礎建立了智能設備和應用軟件等。CPS體系結構是 CPS的骨架和靈魂。只有建立合理的體系結構，才能使計算和物理模塊緊密的融合，使設備科學高效的為人類服務。

我們將CPS劃分為物理層、網絡層和應用層。物理層是提供基層服務的，它是對感知系統進行信號接收、接收執行系統的指令并將該指令進行傳遞的一層服務基準；網絡層則是將處于物理層的設備實現其網絡化，通過網絡共享設備進行資源傳輸和網絡共享，并使數據在傳輸過程中能夠進行有效地融合；應用層則是為人類提供服務接口，該層為用戶提供各種CPS服務使用戶在不了解下面兩層的基礎上仍然能夠正常的與系統進行交互。CPS各單元不能獨立完成各任務，每個單元之間需要相互協調，相互制約才能實現系統的目標。

4 CPS所面臨的重大挑戰與研究現狀

CPS之所以面臨的巨大挑戰是由該系統與物理世界的深度融合和系統的規模與復雜性所帶來的。缺乏協同分析與協同設計，系統設計與驗證的挑戰等這些都會造成 CPS面臨嚴重的挑戰。 CPS給計算機科學的基礎學科、應用技術和關鍵領域等都帶來了重大挑戰。解決這些挑戰，需要相關領域的專家進行進一步的研究。盡管現在 CPS已經引起了國內人士的廣泛關注，但由于這項技術剛剛起步，在管理以及技術等方面考慮還不是很完善，所以取得的研究成果還是非常有限的。目前人們的研究領域主要集中在系統驗證、中間件、系統建模、網絡技術與安全性等領域。

5 總結

CPS是計算與物理進行深度融合的物理信息系統。在本文中，依據其基本概念簡單的對物理信息系統進行了描述，并進一步對 CPS的系統體系結構進行了分段分析。首先通過描述基本功能邏輯單元，介紹各單元的基本功能，對 CPS的性質進行分析和描述，簡要概述 CPS的系統體系結構。如今，CPS由于處于新興階段，人們對各方面的把握程度會有松有緊，這就要求處于計算機科學研究領域的專家要對 CPS做進一步的探討和研究。

[1]黎作鵬,張天馳,張菁.信息物理融合系統(CPS)研究綜述[J].哈爾濱工程大學,2001(09),25-31.

[2]陳麗娜,王小樂,鄧蘇.CPS體系結構設計[J].國防科學技術大學C41SR國防科技重點實驗室,2011(05)：295-300.

作者單位
1.山東科技大學信息工程系 山東省泰安市271000
2.青海大學水利水電學院 青海省西寧市810000