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1、Chapter II CPS12uCPS起源、定义与意义uCPS特征uCPS系统结构uCPS支撑技术uCPS挑战与机遇Content3Section I: CPS的由来的由来 2121世纪信息产业发展，改变了人类环境。世纪信息产业发展，改变了人类环境。 互联网技术互联网技术改变了人类通信和管理信息的方式；改变了人类通信和管理信息的方式； 信息技术信息技术使人类管理物理环境的方式改变；使人类管理物理环境的方式改变； 物联网技术物联网技术让人类主动地全方面感知，实现智慧让人类主动地全方面感知，实现智慧的感知生活；的感知生活； 信息物理系统技术信息物理系统技术在环境感知的基础上实现人、在环境感知的基
2、础上实现人、机、物的互联与深度融合。机、物的互联与深度融合。 信息物理系统与物联网信息物理系统与物联网的自然衔接，使人类真正的自然衔接，使人类真正进入智能时代。进入智能时代。4Section I: 物联网物联网物联网物联网(Internet of Things)(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3
3、 3个重要特征。个重要特征。p传感器技术是连接物联网与各领域的直接载体。传感器技术是连接物联网与各领域的直接载体。物联网的集成物联网的集成传感器技术传感器技术5Section I: CPS的定义的定义信息物理系统（信息物理系统（CPS, Cyber-Physical SystemsCPS, Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过和物理环境的多维复杂系统，通过3C3C（ComputerComputer、CommunicationCommunication、ControlControl）技术的有机融合与深度协作，实现大
4、型工程系统的）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知实时感知、动态控制动态控制和和信息服务信息服务。u CPS CPS 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。一体的下一代智能系统。u 信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。6Section I: CPS的定义的定义CPS中，计
5、算和通信嵌入物理进程中，并与之深度交互，中，计算和通信嵌入物理进程中，并与之深度交互，使得物理系统具有新的性能使得物理系统具有新的性能。7Section I: CPS的意义的意义将物理设备联网，连接到互联网上，让物理设备具有计算、将物理设备联网，连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等通信、精确控制、远程协调和自治等五大五大功能。功能。CPS本质上是一个具有本质上是一个具有控制属性控制属性的网络，但它又有别于现的网络，但它又有别于现有的控制系统。有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位则把通信放在与计算和控制同等地位上，因为上，因为CPS强调的分布式应用
6、系统中物理设备之间的协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。调是离不开通信的。思考：思考：与与SCADA的区别？的区别？与物联网的区别？与物联网的区别？智能番茄养育机器人智能番茄养育机器人8Section II: CPS的体系结构的体系结构9CPS的核心要素的核心要素10Section II: CPS的体系结构的体系结构11CPS的三个层次的三个层次SoS = system of system12CPS的六大特征的六大特征13CPS的六大特征的六大特征14CPS的六大特征的六大特征15CPS的六大特征的六大特征16CPS的六大特征的六大特征17CPS的六大特征的六大特征18C
7、PS的支撑技术的支撑技术19CPS的支撑技术的支撑技术n普适计算体现了信息空间与物理空间的融合，与CPS从设计目的到工作模式都 非常相似；n嵌入式计算与控制的概念结合在一起，通过嵌入到 物理系统中，实现 “环境智能化”；n分布式计算是将复杂的 问题分配给许多计算机解决，实现了计算资源共享和平衡计 算负载；n云计算是分布式计算发展的新计算模式，将计算、 数据和应用等资源作为服务通过互联网提供给用户；20CPS的支撑技术的支撑技术自律计自律计 算算也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化和自保护机和自保护机 制，解决物理环境的不确定性和不可控的条件制，解
8、决物理环境的不确定性和不可控的条件对的不利对的不利 影响影响.移动计算移动计算实现了计算机与其他的智能信息设备在无实现了计算机与其他的智能信息设备在无 线环境线环境下的数据传输和资源共享；下的数据传输和资源共享；可信计算可信计算在计算和通信在计算和通信 系统中广泛使用基于硬件的安全模系统中广泛使用基于硬件的安全模块，从全新的观点解决计块，从全新的观点解决计 算的安全问题。算的安全问题。21CPS的支撑技术的支撑技术自律计自律计 算算也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化和自保护机和自保护机 制，解决物理环境的不确定性和不可控的条件制，解决物理环境的
9、不确定性和不可控的条件对的不利对的不利 影响影响.移动计算移动计算实现了计算机与其他的智能信息设备在无实现了计算机与其他的智能信息设备在无 线环境线环境下的数据传输和资源共享；下的数据传输和资源共享；可信计算可信计算在计算和通信在计算和通信 系统中广泛使用基于硬件的安全模系统中广泛使用基于硬件的安全模块，从全新的观点解决计块，从全新的观点解决计 算的安全问题。算的安全问题。22CPS的支撑技术的支撑技术下一代互联网（）和下一代网络（）下一代互联网（）和下一代网络（）将为将为CPS发挥重要发挥重要 的支撑作用。的支撑作用。作为作为 NGI核心的核心的IPv6技术，提供了丰富的技术，提供了丰富的地
10、地 址资源址资源，使众，使众多的物理对象的网络化互联成为可能；多的物理对象的网络化互联成为可能；基于基于 软交换技术软交换技术的的 NGN是能够提供数据、语音和视频多媒是能够提供数据、语音和视频多媒体技体技 术的电信网络。术的电信网络。广域的测试平台广域的测试平台 GENI(Global Environment for networking Investigation)将有助于下将有助于下 一代一代CPS的网络协议的试验的网络协议的试验.23CPS的重大机遇与挑战的重大机遇与挑战CPS应用应用覆盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统覆盖了小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交
11、通系统等国家级甚至世界级的应用，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在等国家级甚至世界级的应用，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治能力的设一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治能力的设备。因此备。因此CPS的发展将面临着巨大的挑战，但机遇也是无限的。的发展将面临着巨大的挑战，但机遇也是无限的。24CPS的重大机遇与挑战的重大机遇与挑战CPS与物理世界的深度融合，以及系统的规模（时间与空间）与复杂性是与物理世界的深度融合，以及系统的规模（时间与空间）与复杂性是CPS为计算机科学领域带来挑战的根本原因。为计算机科学领域带来挑战的
12、根本原因。1)1)基础分歧基础分歧：计算机科学建立在离散数学基础之上：计算机科学建立在离散数学基础之上 ，而工程以连续数学为主。如，而工程以连续数学为主。如何实现离散的、异步的计算进程与何实现离散的、异步的计算进程与 连续的、同步的物理进程的紧密结合，是连续的、同步的物理进程的紧密结合，是CPSCPS研研究的根本性究的根本性 挑战。挑战。2 2）缺乏协同分析与协同设计缺乏协同分析与协同设计：目前计算机硬件与软件、：目前计算机硬件与软件、 计算系统与物理系统的评计算系统与物理系统的评估、建模与仿真都采用分离的方式估、建模与仿真都采用分离的方式 完成，缺乏必要的协同设计与协同分析。硬件完成，缺乏必
13、要的协同设计与协同分析。硬件与软件分离导致约束过度或与软件分离导致约束过度或 约束不足，难以评估设计决策的影响；计算系统与物约束不足，难以评估设计决策的影响；计算系统与物理系统分离导致不能完全地捕捉到这些系统之间理系统分离导致不能完全地捕捉到这些系统之间 的相互依赖性，理解这些依赖性的相互依赖性，理解这些依赖性是精确表示和建模是精确表示和建模CPSCPS的关键前提。的关键前提。25CPS的重大机遇与挑战的重大机遇与挑战3 3）系统设计与验证的挑战系统设计与验证的挑战：由于：由于CPSCPS包含了不同的物包含了不同的物 理和计理和计算组件及系统之间的交互，因此在鲁棒性、可靠性、效率和实算组件及系
14、统之间的交互，因此在鲁棒性、可靠性、效率和实时性方面的系统设计成为一个关键问题，并且由于系时性方面的系统设计成为一个关键问题，并且由于系 统复杂统复杂性的增加，所需的开发时间成指数增长。性的增加，所需的开发时间成指数增长。CPSCPS的模型的模型 包含了硬包含了硬件、软件和物理环境的各种细节以及不同系统的异构性，导致件、软件和物理环境的各种细节以及不同系统的异构性，导致了状态空间膨胀，为系统了状态空间膨胀，为系统 验证带来了巨大的挑战，极大地增验证带来了巨大的挑战，极大地增加了验证成本。加了验证成本。4)4)计算的核心抽象区计算的核心抽象区少时间语义少时间语义：目前计算机领域里所有较高：目前计算机领域里所有较高级别的抽象中都隐藏着时间性，程序的执行是不可预测的，尤级别的抽象中都隐藏着时间性，程序的执行是不可预测的，尤其是在复杂的其是在复杂的CPSCPS中。但是由于中。但是由于CPSCPS要实现计算与物理世界的直要实现计算与物理世界的直接交互，因此不能讲时间抽象分离。接交互，因此不能讲时间抽象分离。
