CPS信息物理融合网络化控制的研究PPT
简述信息物理系统 (CPS) 及其网络安全风险
简述信息物理系统(CPS) 及其网络安全风险本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
摘要：本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
当前关注的重点应当放在那些有针对性的专门攻击CPS系统并可能造成物理损害的网络攻击。
一、信息物理系统概述Cyber-PhysicalSystems(CPSs)即信息物理系统，它是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，信息物理系统这个概念与物联网概念相似，但与物联网相比，信息物理系统更注重强调控制。
CPSs这个词是2006年由美国国家科学基金会（NSF）的海伦·吉尔首次进行详细的描述，其认为信息物理系统是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。
信息物理系统的功能由计算和物理过程交互实现。
此后得到美国政府和科学界的高度重视，随后各个国家都提出了相似的技术框架和相应的标准，其中最具代表性的包括“德国工业4.0”和“中国制造2025”。
CPSs存在于众多嵌入式计算机和通信技术的物理系统的自动化行业，包括航空航天、汽车、化工生产、民用基础设施、能源、医疗、制造业、新材料和运输等领域。
CPSs主要包括3个部分，这三个部分为感知层、数据传输层（网络层）和应用控制层。
感知层主要是由传感器、控制器和采集器等设备组成。
感知层中的传感器是作为信息物理系统的末端设备，其主要作用是采集环境中的信息数据，并且定时的发送给服务器，服务器在接收到数据之后作出相应的处理，再返回给物理末端设备作出相应的变化。
数据传输层主要是连接信息世界与物理世界的桥梁，主要实现的是数据传输，为系统提供实时的网络服务，保证网络分组实时可靠。
应用控制层则是根据认知结果，将物理设备传回来的数据进行分析，并以可视化的客户端界面呈现给客户。
简述信息物理系统 (CPS) 及其网络安全风险
简述信息物理系统(CPS) 及其网络安全风险本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
摘要：本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
当前关注的重点应当放在那些有针对性的专门攻击CPS系统并可能造成物理损害的网络攻击。
一、信息物理系统概述Cyber-PhysicalSystems(CPSs)即信息物理系统，它是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，信息物理系统这个概念与物联网概念相似，但与物联网相比，信息物理系统更注重强调控制。
CPSs这个词是2006年由美国国家科学基金会（NSF）的海伦·吉尔首次进行详细的描述，其认为信息物理系统是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。
信息物理系统的功能由计算和物理过程交互实现。
此后得到美国政府和科学界的高度重视，随后各个国家都提出了相似的技术框架和相应的标准，其中最具代表性的包括“德国工业4.0”和“中国制造2025”。
CPSs存在于众多嵌入式计算机和通信技术的物理系统的自动化行业，包括航空航天、汽车、化工生产、民用基础设施、能源、医疗、制造业、新材料和运输等领域。
CPSs主要包括3个部分，这三个部分为感知层、数据传输层（网络层）和应用控制层。
感知层主要是由传感器、控制器和采集器等设备组成。
感知层中的传感器是作为信息物理系统的末端设备，其主要作用是采集环境中的信息数据，并且定时的发送给服务器，服务器在接收到数据之后作出相应的处理，再返回给物理末端设备作出相应的变化。
数据传输层主要是连接信息世界与物理世界的桥梁，主要实现的是数据传输，为系统提供实时的网络服务，保证网络分组实时可靠。
应用控制层则是根据认知结果，将物理设备传回来的数据进行分析，并以可视化的客户端界面呈现给客户。
信息物理融合系统研究综述
信息物理融合系统研究综述信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems, CPS）是现今科技领域的一个热门话题。
CPS代表了计算和物理世界的深度融合，通过这种融合，我们可以在系统级别上理解和优化我们的环境和行为。
本文将探讨CPS的基本概念、研究现状、应用领域，以及未来的研究方向。
CPS的基础是信息科学和物理科学的交叉。
信息科学于数据的获取、处理和分析，而物理科学则研究物质的性质、结构和运动。
CPS将这两者结合，使得我们可以通过计算和智能化的方法对物理世界进行精确的建模、预测和控制。
近年来，CPS的研究已经涵盖了许多领域，包括自动化控制、机器人技术、制造系统、交通系统、医疗健康等。
这些研究工作不仅在学术上推动了CPS理论的发展，也为实际应用提供了强大的支持。
在自动化控制领域，CPS被广泛应用于实现高精度的实时控制，例如在工业制造和无人驾驶系统中。
在机器人技术领域，CPS使得机器人能够进行自主决策和动态适应环境。
在制造系统方面，CPS可以提高生产效率、降低能源消耗，并实现个性化生产。
CPS的应用领域十分广泛，并且已经深入到我们生活的方方面面。
例如，智能家居中的各种设备可以通过CPS进行集中控制，实现节能和便捷的生活方式。
在智能交通领域，CPS可以实时预测和调整交通流量，以减少拥堵和提高效率。
在未来，我们预期CPS将会有更广泛的应用，包括但不限于智能城市的建设、智能农业的发展，以及远程医疗的实现。
这些应用将会极大地改善我们的生活质量和社会效率。
尽管CPS已经取得了许多成果，但仍然存在许多挑战和问题需要解决。
例如，如何保证CPS的安全性和隐私性？如何处理CPS中的大规模数据和复杂模型？如何设计和实施可扩展、可互操作的CPS？这些都是未来研究的重要方向。
随着物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的发展，CPS将会与这些技术产生更多的交叉。
例如，我们可以利用AI进行CPS的自主控制和决策，或者利用IoT实现CPS的全面感知和动态交互。
CPS(物理信息系统)介绍
CPS系统介绍Cyber-Physical System定义CPS就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。
CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式介绍视频信息世界是指工业软件和管理软件、工业设计、互联网和移动互联网等；物理世界是指能源环境、人、工作环境、局域通信以及设备与产品等。
信息世界与物理世界交汇融合形成且能够自我学习，自我判断，自我决策及学习成长的系统，这是我们追求的终极CPS介绍视频CPS 发展传感网IoT泛在计算环境智能嵌入式系统物理信息系统2002200520002006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。
信息物理融合系统
课程设计说明书设计题目：信息物理融合系统学院、系：专业班级：计算机科学与技术学生姓名：指导教师：成绩：2013年12月1日摘要：信息物理融合系统(Cyber-physicalsystems,CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与高度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。
本文首先介绍了CPS的概念和特征,综述了CPS的当前发展状况与应用前景；对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望。
关键词信息物理融合系统；实时；CPS体系结构；高性能；嵌入式系统,网络控制一、CPS概述1.1 CPS简述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8大关键的信息技术，其中CPS位列首位。
近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。
开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。
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。
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，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。
CPS，从广义上来理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。
Cyber Physical System(信息物理融合系统)
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9
CPS 重要性
PCAST在《挑战下的领先——竞争世界中的信 息技术研发》中列为8大关键的信息技术之首
CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列 现有产业布局。不亚于一场工业革命
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CPS的前景
广阔的应用领域
智能交通系统 医疗设备系统 能源保护 环境监控 航空航天软件 关键基础设施（电力、水） 节能建筑
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美国2008年成立CPS指导小组，把CPS应 用放在交通、国防、能源、医疗、农业 和大型建筑设施等方面。
列入美国国家科学基金会(NSF)和欧洲第 七框架(FP7)的大型科研资助计划中
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国内，CPS技术还刚刚兴起，还需较长时 间的发展和培育。
目前上海已在智能交通领域开展类似试 点。
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与嵌入式系统相比
嵌入式系统侧重在处理器上运行，是一种在有 限资源环境下的优化技术。
CPS是计算与物理成分的集成，相当于嵌入式 系统+网络+控制，是嵌入式系统的发展方向 和研究热点。
CPS将计算和通信能力嵌入到传统的物理系统 之中，导致了计算对象的变化。它作为计算进 程和物理进程的统一体，集成了计算、通信与 控制于一体，是一个智能系统。
分布式控制 多速率嵌入式系统
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IV. MULTI- DOMAIN DIRECTION OF INQUIRY V. CONCLUSION
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INTRODUCTION
CDIO conceive design implement operate
PBL Progect-based Learning
《信息物理系统》PPT课件(47页)
信息物理系统（CyberPhysical Systems,CPS）PPT课件第1页：封面信息物理系统（CyberPhysical Systems, CPS）副PPT课件（共47页）作者：[您的名字]日期：[日期]第2页：目录第1部分：引言第2部分：信息物理系统的定义与特征第3部分：信息物理系统的关键技术第4部分：信息物理系统的应用领域第5部分：信息物理系统的挑战与未来展望第3页：引言信息物理系统（CPS）是一种融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统的新兴研究领域。
CPS的目标是将物理世界中的各种设备和系统与计算机系统紧密集成，实现智能化、自主化和协同化。
第4页：信息物理系统的定义与特征信息物理系统是一种通过计算机系统与物理系统的深度融合，实现智能化、自主化和协同化的系统。
跨学科性：融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统等多个学科的知识。
实时性：CPS需要实时处理和分析大量的数据，以实现对物理系统的实时控制。
互联互通性：CPS中的各个设备和系统需要通过网络进行互联互通，实现信息的共享和协同。
可靠性：CPS需要具备高可靠性，以保证物理系统的安全和稳定运行。
第5页：信息物理系统的关键技术CPS涉及多种关键技术，包括：传感器技术：用于感知物理世界中的各种信息。
通信技术：用于实现设备和系统之间的数据传输和共享。
控制算法：用于对物理系统进行实时控制和优化。
计算机系统：用于处理和分析大量的数据，并提供智能化的决策支持。
第6页：信息物理系统的应用领域CPS在各个领域都有广泛的应用，包括：智能交通系统：通过CPS技术实现交通流的优化和管理。
智能家居：通过CPS技术实现家庭设备的智能化控制和自动化。
智能医疗：通过CPS技术实现医疗设备的远程监控和智能诊断。
智能制造：通过CPS技术实现生产过程的智能化控制和优化。
第7页：信息物理系统的挑战与未来展望安全性问题：CPS需要具备高安全性，以防止恶意攻击和数据泄露。
cps定义
应用层的主要技术
• 人机交互技术
资源层（云端）的主要技术
• 大数据 • 普适计算
CPS
工业4.0
智能工厂（CPPS） 智能生产
其他
智能电网系统
智能交通系统
传感器技术 • 嵌入式计算 • 普适计算 • 人机交互技术 • 通信和网络技术
ＣＰＳ三层体系结构
• 包含实体的物理层 • 将资源互联互通的网络层 • 为用户提供服务的应用层
ＣＰＳ智能交通系统体系结构框架
物理层
• 未来交通ＣＰＳ中，汽车、 道路设备不再仅仅是简单 的机械设备，而将是嵌入 了大量传感器、计算、控 制部件的智能体。智能汽 车、智能道路、智能桥梁 等交通智能设备分布在环 境中，直接与物理环境相 互作用。这些具有感知、 计算以及控制等功能的交 通设备构成了交通ＣＰＳ 的物理层
CPS的定义
• 信息物理系统（CPS,Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和 物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、 Control）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、 动态控制和信息服务。 • Edward Lee认为CPS是一种集成计算能力和物理过程的系统。系统利用 嵌入式计算机和网络对物理处理过程进行监控，并且带有反馈环，物 理过程影响计算，计算影响物理过程； • CPS是集成计算、通信及存储能力和监视和/或控制物理和工程系统能 力的系统，这种系统以安全、可靠、有效、实时的方式进行操作； • Insup Lee则认为CPS是一种计算、通信和物理过程集成系统，嵌入式计 算机实时地监视和控制物理过程。
网络层的主要技术
• 通信和网络技术
应用层
• 应用层主要是指面向用户提供服务的应用软件。例如智能汽车的 车载软件、交通管理部门的集中监控软件等。智能不意味着把人 排除在外，而是为了更好地为人服务。交通ＣＰＳ的应用层正是 与人直接交互的部分，它需要考虑面向人的设计、执行和确认问 题，例如使用舒适度、可用度和操作正确性等。
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Cyber—— 计算，通信和控制， 离散的，逻辑型的， 切换的
Physical——自然的 或者人工的系统， 按连续时间进行操 控
信息物理融合系统 (Cyber Physical System，CPS)是物理
进程与计算进程的融
1 合，是计算、通信和
控制的深度融合
CPS中，计算和通信嵌入物理进程中，并与之深度交互，使得物
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
单元不确定、不可靠
CPS由各种异构异质的计算、通信和物理单元组成。由于系统复杂性、开放性等原因，许多单元体现出严重
的不确定性和不可靠性。 比如，与传统控制系统不同，CPS中计算单元的负载往往具有时变性，计算设备本身可能是商用产品（而不是 专用的工控产品），从而具有性能不确定性、非实时性，且可靠性较低，容易出现硬件或软件故障。 由于节点间通信可能处于开放环境中（如无线通信），通信链路可能会由于环境噪声的影响而体现出不稳定 性，节点甚至可能会因为受到恶意攻击而失效。
子系统内部的物理设备同样需要由某种（或者多种异构的）网络 进行互联。
CPS 中，通信网络将在不同层次、不同规模、不同环境下被广泛
采用，从而在各个物理实体之间实现泛在的互联互通。
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
分布式的传感、计算和控制
物理部件都嵌入一定的信息处理功能，同时系统中各物理设备 （感知、驱动、对象等）往往被安置在不同的地理位置，它们 之间具有强耦合性 CPS 中的许多感知、计算和控制任务均是由地理上分散的多个 单元协同完成的，具有较严格的时间（即实时性）和空间约束。
物理组件上嵌入式系统的计算能力，能够将“被 动的”物理数据转换为“主动的”信息。
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
物理系统与信息系统的深度融合
CPS中，离散的计算/信息处理与连续的物理过程紧密交互为一体,其功能与 特点通过计算对象与物理过程互动所体现； 无法判定CPS的行为属性为哪一个或两个共同作用所产生的结果。 CPS不是简单地在传统产品中植入计算与通信设备,而是将计算和网络通信融
信息物理融合系统的网络化 控制研究与思考
梁瑞兵
什么是信息物理融合系统
提
纲
信息物理融合系统的发展与应用
目录页
什么是信息物理融合的特点
过渡页
1、CPS的概念
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
CPS即信息物理融合系统，英文为Cyber Physical System
r
感 器
通信
网 络
通过对信息的处理、管理，使信息系统和物理对 象按期望的模式运行，提高信息服务的可靠性。
统 系 l 式 入 ica 嵌 ys Ph
信息物理融合既是一种理念、思想，
将一系列计算系统连接起来，并将物理过程相连， 实现目标。 可以增强可靠性和功能。
控制
Systems 3C 融合是CPS 的本质特性 通过对信息的处理、管理，使信息系统和物理对象按期望 通信 控制 计算-Calculate 的模式运行，提高信息服务的可靠性。 网络化控制系统 计算
1
1、CPS的概念
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
计算
物理组件上嵌入式系统的计算能力，能够将“被动的”物 计算 理数据转换为“主动的”信息。 控制-Control
CPS 计算、通信、控制
控制
Cy be
传
将一系列计算系统连接起来，并将物理过程相连，可以增 也是一项技术和方法，更是我们的 CPS 通信-communication 强可靠性和功能。 通信
信息物理融合系统的发展与应用
--发展机遇 --发展现状 -- CPS应用举例
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1、发展机遇
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
科技和经济的驱动
计算、网络和感知成本降低.构成经济推动力； 无 所 不 在 的 计 算 和 通 信 促 成 国 家 或 全 球 范 围 的 CPS(如：国家级电网、 交通网络等)； 社会、经济的压力需要更高效的使用国家基础设施； 环境压力催生新技术，以改善能源效率，减少污染。
理系统具有新的性能
可靠， 安全， 高效，实时
Computing Foundations and Practice for Cyber-Physical Systems: A Preliminary Report Technical Report No. UCB/EECS-2007-72, May 21, 2007 Edward Lee, University of California at Berkeley
单元的不确定性和不可靠性在很大程度上会对CPS的系统性能产生 严重的影响。
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
由此可见
与传统系统相比，CPS 在系统规模、信息 交互内容与环境以及控制的目标与复杂性 等方面有很大的不同，是一类全新的复杂
系统对象。
计算、通信与控制的3C 融合是CPS 的本质 特性，其中计算系统与通信网络是实现CPS 大规模控制任务的基础，而实现系统的有 效控制则是CPS 的最终目标。
CPS本质上是分布式的
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
数据多源混杂
CPS 中蕴藏着大量由各种传感器生成的用于表征物理
世界不同状态的数据。这些感知数据是监测、观察和认
知物理世界的关键依据。 同时，分布式的计算单元（如控制器）将利用感知数 据生成各种用于驱动（执行器）物理动作或协调节点间 任务执行、调度与通信的大量控制信息。 在许多应用场合，由于系统节点数目大、种类繁多， CPS 中对海量数据的处理是不可避免的。 而且，系统目标任务、被控对象、感知方式的多样性和 复杂性，也使得CPS 中的数据呈现出混杂特性。
入物理系统中,以产生新功能并提升系统质量
2、CPS的特点
什么是信息物理融合系统
信息物理融合系统的发展与应用
全面的互联互通
CPS 是一个典型的“系统的系统”(System of systems) 各个子系统（如嵌入式控制单元）通过各种类型的通信网络进行
信息传输，一个子系统可能由多个规模较小的子系统互联组成。