信息物理融合系统的特性_架构及研究挑战_许少伦

收稿日期：2013-05-02；修回日期：2013-06-24。

基金项目：国家863计划项目（2012AA050803）；新能源电力系统国家重点实验室开放课题（LAPS13009）。

作者简介：许少伦（1978－），男，山东临沂人，工程师，博士研究生，主要研究方向：信息物理融合系统、SCADA 、智能电网；严正（1964－），男，江西赣州人，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统优化运行、电力系统稳定分析、智能电网；张良（1990－），男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统分析和计算；唐聪（1988－），男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统分析和计算。

文章编号：1001-9081（2013）S2-0001-05信息物理融合系统的特性、架构及研究挑战许少伦1，2*，严正1，2，张良1，2，唐聪1，2（1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海200240；2．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）(*通信作者电子邮箱slxu@sjtu．edu．cn)摘要：近年来，信息物理融合系统（CPS ）已成为国内外学术界和科技界研究的重要方向，被认为是继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮。

CPS 是一个多维、异构、深度融合的开放式系统，涉及计算机、通信、控制等多个学科的知识，由于各个学科领域在研究理论和方法上存在明显不同，所以给CPS 的应用研究带来了极大的挑战。

基于此背景，从整体的角度对CPS 进行综合阐述，首先介绍CPS 的定义、主要特性以及国内外的应用研究现状，之后阐述CPS 的典型组成架构、抽象框架以及CPS 节点的主要构成，最后以电力、能源行业的CPS 应用研究为主线，从系统理论基础、建模、仿真、设计开发以及其核心组成部分（计算、通信、控制）等多个方面论述了目前CPS 研究过程中所面临的主要挑战和初步解决方案。

关键词：信息物理融合系统；系统架构；信息抽象；CPS 节点；网络融合中图分类号：TP393文献标志码：ACyber physical system:features，architecture，and research challengesXU Shaolun 1，2*，YAN Zheng 1，2，ZHANG Liang 1，2，TANG Cong 1，2(1．Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion，Ministry of Education (Shanghai Jiao Tong University )，Shanghai 200240，China ;2．School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China )Abstract:In recent years，Cyber-Physical System (CPS)has become an important research direction of the academic and scientific fields．It is considered to be the third wave of the information technology．CPS is a multi-dimensional，heterogeneous，deeply integrated open system，including lots of knowledge from domains of computer，communication and control．The significant differences in the theory and methods of these subjects bring great challenges to the research of CPS．Based on this，the definition，main features and the domestic and international research status were introduced．Next，the system architecture，abstraction strategy and CPS node module were illustrated．Finally，taking the research on the power and energy industries as the main line，the research challenges in system theory，modeling，simulation，design，development of CPS and its core components (computing，communication and control)were presented in detail．Key words:Cyber-Physical System (CPS );system architecture;information abstraction;CPS node;network convergence0引言随着计算机技术、网络通信技术的发展，以及现代工业需求的提高，对物理设备提出了信息化和网络化的需求，由于传统的嵌入式系统是封闭的，并没有外留运算接口，不能满足现在物理设备可控、可信和可扩展等功能需求，这使得对计算单元与物理对象通过通信网络高度耦合的大型复杂系统的研究出现并得到发展。

这类集计算、通信和控制能力于一体的信息物理融合系统（Cyber-Physical System ，CPS ）已成为当今工业信息化发展的新趋势。

CPS 不同于现有的传感器嵌入式系统，也不同于传统的计算机控制系统，它是一种全新的设计理念，其建设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。

本文首先介绍CPS 的定义、特性以及国内外的应用研究现状，之后阐述了CPS 的典型组成架构和CPS 节点，最后从多个方面论述了电力、能源等大型基础设施行业的CPS 应用研究过程中所面临的主要挑战。

1信息物理融合系统概述1．1信息物理融合系统的定义信息物理融合系统的概念最早是由美国国家基金委员会于2006年提出，国内外的学者和研究机构分别从不同的角度对CPS 进行了描述，其中将比较综合、全面的说法简述如下：美国国家基金委员会提出：“CPS 是一种计算资源和物理资源紧密结合和协作的系统。

未来的CPS 在适应性、自主性、效率、功能、可靠性、安全性和可用性方面均将远远超过现Journal of Computer Applications 计算机应用，2013，33(S2):1－5，45ISSN 1001-9081CODEN JYIIDU 2013-12-31http://www．joca．cn在的系统。

CPS希望能通过提供响应更快、精度更高、规模更大、分布式协调控制功能更强、效率更高的系统来改变我们的世界，这些均需通过计算智能、通信、控制的深度融合，新的传感、动作机构的驱动机制以及适应于物理系统的可重构组件等技术来实现”［1］。

我国何积丰院士指出：“CPS，从广义上理解，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一个物理实体”［2］。

由此可见，CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，其核心是通过3C（Computation，Communication，Control）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，以使系统更加可靠、高效和实时协同，并具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能，具有重要而广泛的应用前景。

1．2信息物理融合系统的特征CPS由计算设备、网络设备、物理设备融合而成，所有设备相互协作，共同决定其独特的功能和特征，其主要特点如下：1）复杂性。

CPS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物理设备联网［3］。

它是由很多具有通信、计算和决策控制功能的设备组成的智能网络，使物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治五大功能，所有设备相互协作，使整个系统处于最佳状态。

2）异构性。

CPS是一个异构的分布式系统，由多种异构的通信网络、计算系统、控制系统和异质的物理设备构成，因此涉及多样的异构数据需要处理。

3）深度融合。

CPS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，通过实时交互来扩展新的功能，每个物理设备均深度嵌入了计算和通信功能［3］。

这导致了计算对象从数字的变为模拟的，从离散的变为连续的，从静态的变为动态的，是一个有多种类型的计算对象并存的系统。

4）自组织与自适应性。

CPS从规模上可以覆盖一个大的区域甚至整个国家，其接入的物理设备数量非常庞大，管理非常困难。

CPS促进了嵌入式系统和混合系统的生成，使计算组件和物理环境之间实现更灵活的交互，主要体现在可以通过代理来实现自组织、自适应［4］。

5）实时性。

CPS需要及时了解物理设备的现况，通过网络化控制手段对物理设备进行必要的控制和干预，但由于移动设备的接入会造成设备状态随机变化，所以需要对物理设备进行实时动态重组，这对计算过程的时间确定性和并行性要求很高，对网络实时性要求也非常高。

6）海量性。

大型CPS是由大量的物理设备彼此连接和整合而成的动态网络，这些数量庞大的智能设备进行实时数据采集和信息交互，会产生巨大的数据量，因而海量数据处理的需求会变得非常迫切。

此外，CPS还具有不确定性、灵活性、高效性、可靠性、安全性、隐私性等特征。

2国内外应用研究现状在国外，有关CPS的研究主要集中在美国。

美国国家自然科学基金会从2006年开始就举行了多次CPS研讨会，探讨CPS的概念和技术。

2007年8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》的报告中把CPS作为网络与信息技术领域的第一项提案［5］，这使得美国迅速掀起了CPS研究热潮。

近年来，CPS的研究得到了美国多个机构的支持包括：NSF，DOD/ DAＲPA，DOE，NASA，HSAＲPA，NIST，NSA，NIH。