CPS信息物理系统介绍

课程设计

课程名称新技术专题

题目名称CPS信息物理系统学生学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

2014年12 月12 日

目录

一、CPS系统定义与意义 ------------------------------------------- 3

1、CPS系统定义---------------------------------------------- 3

2、CPS的意义------------------------------------------------- 3

二、嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系--- 4

三、CPS技术特点 ---------------------------------------------------- 4

四、CPS研究热点 ---------------------------------------------------- 4

五、CPS基本功能单元与系统架构 ------------------------------- 5

1、CPS基本功能单元---------------------------------------- 5

2、系统架构---------------------------------------------------- 6

六、CPS在智能电网上的应用 ------------------------------------- 7

1、智能电网定义 -------------------------------------------- 7

2、CPS在智能电网中的优势------------------------------- 7

七、CPS的发展与展望 ---------------------------------------------- 7

1、CPS发展---------------------------------------------------- 7

2、CPS研究展望---------------------------------------------- 8

八、CPS的机遇与挑战 ---------------------------------------------- 9

九、CPS相关实例实例 ---------------------------------------------- 9

一、CPS系统定义与意义

1、CPS系统定义

信息物理系统（CPS,Cyber-Physical Systems ）是一个结合电脑运算领域以及传感器和致动器装置的整合控制系统。目前已有某些领域出现似于CPS的电子控制整合系统，例如航空、汽车、化学制程、基础建设、能源、健康、制造、交通控制、娱乐和消费性电子产品，但目前这些系统通常都是嵌入式系统，嵌入式系统比较强调机器的计算能力，CPS则更为强调各个实体装置和电脑运算网络的连结。CPS是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，CPS 系统的本质就是人、机、物的融合计算。所以，国内又将CPS称为人机物融合系统。和传统的嵌入式系统不同，一个完整的CPS被设计成一个实体装置的互动网络，而不只是一个单独运作的装置。这个概念类似于机器人网络和无线传感网络。据推测，接下来的数年在科学和工程的进步会使得计算和物理实体单元能够更紧密的互相结合，而使得CPS的适应性、自动化、效率、功能、可靠性、安全性和可用性大幅提升。科技进展也会让CPS在多个方面的可能应用变大，例如：行动介入（避免行为冲突）；精准度（机器手术和纳米层级的制造）; 在危险或是无法进入的环境下行动（搜寻和营救、消防和深海或太空探测）;协调（空中交通控制、战斗行动协调）；效率（零能源额外损耗建筑）；扩增人类的能力（医疗监控和照护）。

2、CPS的意义

CPS的意义在于将物理设备联网，是连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，因为CPS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。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

二、嵌入式系统、物联网、传感网和CPS 的区别和联系

嵌入式(Embedded System)系统是软件和硬件的综合体，在某些情况下，还可以包括机械装置。传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联。

物联网(The Internet of Things) 指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。

传感网(Sensor Network)节点是传感器，通过自组织的方式构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理属性，实现特定区域的监测。

CPS简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是3C 融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，这对于CPS来说太过简单，CPS需要实现的是感控，也就是说，CPS不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。

三、CPS技术特点

1.信息世界与物理世界的交互协同、深度集成

2.系统体系结构具有开放性、动态性和多维度的异构性特点

3.同时存在时间、空间方面的约束，在时空层次上具备高度的复杂性

4.自主适应物理环境的动态变化，具备自适应、重配置的能力

5.信息世界与物理世界问存在反馈闭环控制，实现智能控制和提供高

质量的服务

6.必须满足实时性、可靠性和安全性方面的要求

四、CPS研究热点

拥有众多复杂功能的CPS系统是多学科交叉的前沿研究领域，其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、系统安全等

一、网络融合

现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、Ad hoc网络、wi-Fi、WiMAX、无线传感网等，因为每种网络的规模都很大，且结构与通信方式皆不同，所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代的可能，以达到互联互通的目的。因此，如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互通，是CPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。

二、节点接入与管理

CPS网络本身就是一个开放式的网络，允许各种网络、各种节点自由接人、退出网络，对于其他网络，CPS网络的规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由是CPS网络通信的难题。而且，当前对节点的接人与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网络的节点管理的研究还很少，所以这也是一个亟待解决的问题。

三、安全性问题

与互联网类似，CPS网络也面临传统的网络威胁，因此安全与隐私问题也是目前的研究热点。像现有的拒绝服务攻击、僵尸网络、身份欺骗、信息窃取等网络攻击手段，都是CPS可能遇到的问题，且由于CPS网络涉及各种物理节点(如传感器等)，攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使系统接收到虚假信息，这些安全问题都是CPS网络需要解决的问题。

五、CPS基本功能单元与系统架构

1、CPS基本功能单元

PS的基本组件包括传感器、执行器和决策控制单元。基本组件结合反馈循环控制机制构成了CPS的基本功能逻辑单元，执行CPS最基本的监测与控制功能

决策控制单元

传感器被控对象

执行器

用户输入控制指令控制量

感知信息

2、系统架构

CPS 系统是由众多异构元素构成的复杂系统，对于不同行业的特定应用通常需要构建特定的系统结构。但是从技术实现的角度分析，一般可以将其分为物理层(PL)、网络层(NL)和应用层(AL)。这样的结构仅反映了实现技术的层次关系，实践中要包含的组成元素可能千差万别，层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂。 新一代网络网络节点

网络节点控制指令监测命令接受 接受

提供

监测事件资源管理知识库

服务器

应用软件全局时钟管理实时监控应用层

软件管理、系统集成等网络层物理层物理世界

抽象、仿真、

信息处理

感知、控制

人机交互

物理世界

CPS

单元CPS 单元CPS 单元CPS 单元 物理层是CPS 系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，CPS 通过物理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。

物理层由地理上分布的各种CPS 单元组成，这里的CPS 单元可以是一个单独的CPS 节点，例如一台手持终端PDA 或移动手机就是一个CPS 单元。另外，一个CPS 单元也可以是一组CPS 节点集合，如一组探测仓库温度的智能传感器集合通过一个超级智能传感器组合连接入新一代网络与其他CPS 单元交互，这一组智能传感器被认为是一个CPS 单元，其中每个智能传感器是一个CPS 节点。

网络层将物理层的大量异构CPS单元实现互联互通，并支持CPS单元之

间的互操作。网络层是CPS实现资源共享的基础。CPS网络需要屏蔽掉物理层CPS单元的异构性，实现无缝连接，为应用层提供资源共享的基础网络，以透明的方式为用户提供即插即用式服务

网络层是由大量的中间件服务器组成的，这里的中间件主要用于不同网络协议和网络体系结构的转换，相当于异构网络的中间转换服务器。不同公司生产的、功能各异的、甚至编码方式和硬件都不兼容的设备，通过中间件服务器可以将异质信息转化为同质，无障碍地进行数据交换。

应用层是面向用户的一个一体化平台，该层将网络层和物理层的详细信息封装成为不同的应用模块，使用户不用关心低层细节而直接进行业务处理。

六、CPS在智能电网上的应用

1、智能电网定义

智能电网是包括各种发电设备、输配电网络、用电设备和储能设备的物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、网络技术、通讯技术、计算技术、自动化与智能控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网。它是一个完全自动化的供电网络，其中每一个发电设备、每一个输配电设备用户(乃至用电设备)和每一个节点都得到了实时监控，并保障从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。

2、CPS在智能电网中的优势

CPS系统中的物理设备强调精确控制，实现远程交互和协作，同时系统是一个多维度而非单维度的开放式系统，具有高度的复杂性，能支持建造国家级甚至全球级的大型或者特大型联网物理设备。这些特点决定了CPS系统在智能电网建设方面将大有用武之地，通过CPS系统，能够从发电、输电、变电、配电、用电、调度等方面实现精确控制、远程协作和自治，从而为社会创造并节约宝贵的能源。

七、CPS的发展与展望

1、CPS发展

CPS是在嵌入式系统、传感器技术和网络技术的基础上发展起来的，尤其是前两者的发展直接导致了CPS概念的提出。

CPS在继承IoT无处不在通信模式的基础上，更强调物体间的感知互动，强

调物理世界与信息系统间的循环反馈，它将地理分布的异构嵌入式设备通过高速稳定的网络连接起来，实现信息交换、资源共享和协同控制，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，是未来网络演进的必然趋势

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统(CyberPhysicsSystem，CPS)列为重要的研究项目。

到了2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

何积丰院士认为，CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。

本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，其在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。

但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS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。

CPS在对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。

在资助CPS研究上扮演重要角色的美国国家科学基金会(NSF)认为，CPS将让整个世界互联起来。“如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。”NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示。

2、CPS研究展望

CPS网络是一种全新的局部操控、全局控制，具有多学科交叉应用的混合网络，作为一种全新的组网方式，CPS网络在众多领域如个人医疗救助、智能交通、环境监测等具有巨大应用潜力，并对未来人们生活方式带来深远的影响与深刻的变化．预计CPS网络领域未来一段时间内研究的重点方向包括：

1)网络控制与中间件

2)网络连接向多层次发展

3)网络层次模型多样化

4)可供实验的完整网络实验平台

5)完整可实现的CPS系统

八、CPS的机遇与挑战

如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元，那么，CPS的市场规模则难以计数，因为CPS涵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等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是，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、协同和自治性能的设备。

“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”何积丰表示，“CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局。”

但CPS带来的挑战也是物联网所无法比拟的。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异。

通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。

九、CPS相关实例实例

1．CPS的主要应用在传感器系统和自动系统上，例如：有许多无线传感网络监控环境并且将资讯回传到主控节点。其他类型的CPS包括了自动车系统、医疗监控、流程控制系统、分散式机器人和航空自动驾驶系统。

2．目前研发的CPS系统有MIT的Distributed Robot Garden，这个花园里有一群的机器人负责照顾番茄。这个系统结合了传感网络(每一株植物上都有传感器会去监控植物状态)、导航、机器人控制和无线网络。

3．另外一个MIT正在发展的CPS系统是CarTel计划，这个计划里，有一队的出租车会搜集波士顿的即时交通资讯，路径规划就可以使用即时的交通资讯和历史资讯规划出最快的交通路径。