嵌入式系统导论 cps方法
CPS软件可信性演化非线性动力学建模与分析
CPS软件可信性演化非线性动力学建模与分析1、引言信息物理融合系统（Cyber - Physical System,CPS）是一种集成计算、通信与控制功能的新型智能嵌入式系统，系统中计算进程和物理进程在开放环境下持续交互、深度融合，从而实现大规模物理系统的实时感知、远程精确控制和信息服务[1],并在国防安全、航空航天、智能电网、医疗设备等多个领域得到了广泛应用。
不同于传统的计算机控制系统和传感器网络，首先，CPS 是动态、自治、异构的复杂系统；其次，CPS 包含传感器节点（Sensors）、执行器节点（Actua-tors）和控制器节点（Controllers）,各节点间通过有线或无线网络连接实现节点间的高效协作、精确控制、资源的动态组织与协调分配、体系结构重配置等功能[2].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、可扩展且安全高效的CPS 网络，进而改变人与物理世界交互的方式[3].软件是CPS 的灵魂，其在CPS 中所起的作用也越来越大。
由于CPS 主要应用于安全关键系统中，生存环境恶劣，极易遭受感染与攻击，且其功能需求也在不断增加，导致CPS 软件日趋庞大化、复杂化，并不可避免地产生了越来越多的缺陷及漏洞，这也使得CPS 愈发脆弱，一旦系统失效或发生故障，将造成难以挽回的巨大损失。
2010 年爆发的“震网”病毒是首例针对工业控制系统的恶意代码，可突破CPS 的物理域限制直接对物理世界中的工业设施造成破坏，伊朗核电站便因遭受“震网”攻击而被迫推迟发电；2012 年，“火焰”（Flame）爆发，“火焰”能够使用服务器远程控制受感染的计算机，并通过录音、截图及记录网络消息等手段来盗取机密文件、联系人数据等重要信息[4].因此，我们必须提高CPS 软件的可信性，防止软件漏洞及系统内部缺陷被恶意攻击所利用，这对CPS 的安全性和有效性至关重要[5].虽然目前采用了防火墙技术、主动防御技术、入侵检测技术等多种防护手段来保障软件的运行安全，但这些传统的安全防护技术只能较好地对抗外部入侵，而从内部发起的攻击与窃密仍旧防不胜防。
信息物理社会融合
• 群智感知（Crowd and Participatory Sensing）
- 大量普通用户使用移动设备作为基本感知单元，通过物联网/移动互联 网进行协作，实现感知任务分发与感知数据收集利用，最终完成大规 模的、复杂的社会感知任务。
CPSS典型应用：智慧城市
科学决策
人类移动性数据为健康卫生、传染病防 范提供决策依据。
政府服务
社会感知数据为政府了解社情民意、打 造服务平台等提供支持。
城市规划
利用人流轨迹发掘城市功能区域，完善 城市规划。
能源消耗
利用带GPS 的出租车掌握城市能耗，并 为制定城市能源政策提供依据。
CPSS实例：健康计算
cpscpscpsscpss西北工业大学西北工业大学融合算法人和环境因素提供高效服务物联网为输入云计算为平台移动互联网为服务cpscyberphysicalsystems物理基础设施系统通信网络分布式控制器传感器动作器多实体实时交互与协同形成能力优化的品质更高cps及其特点cps具有强烈的现时代重大应用背景基于经济与社会发展面临的交通拥挤能源危机气候变化医疗成本等挑战cps实现计算通信控制技术与物理系统的一体化设计可使新一代复杂工程系统更加可靠高效智能协作使系统具备更优的功能性能品质
CPS（Cyber –Physical Systems ）视角
• CPS之前
– 嵌入式系统 – 实时物理信号 实时工业控制
• CPS兴起
– 信息-物理融合系统 – 融合计算、通信和控制 – 智能电网系统、航空航天系统
• CPS的“3C”融合
动作器
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物理基础设 施/系统
基于CPS的智能控制生产线框架设计
基于CPS的智能控制生产线框架设计陈容;陈映波【摘要】设计合理的智能控制生产线框架可以降低生产成本、提高生产效率、更好地支持用户对产品个性化、定制化的要求.未来对生产线的智能控制必将是信息域和物理域深度融合的结果,在分析CPS内涵和特点的基础上,使用层次化的方法设计了一个基于CPS的智能控制生产线框架,从资源层、资源组织管理层、资源服务层、应用层详细阐述了框架的设计思路,给出了该框架网络化互联、分段化建模、模块化服务、个性化定制的实现流程,该框架能够有效地实现对生产线智能化闭环控制.%Well-designed architecture of intelligent control production line can reduce production costs,improve productivity and better support personalized and customized requirements of users.In the future,the intelligent control of the production line will be the result of integration of information domain and physical domain.After analyzing the concept and features of CPS,this paper designs a architecture of intelligent control production line based on CPS by introducing hierarchical method,and elaborate design ideas of the architecture with respect to the resource layer,resource organization and management layer,resource service layer and application layer.Then this paper present the realize process of the architecture:.networking interconnection,segmented modeling,modular services,personalized customization.This architecture can effectively implement the intelligent closed loop control of the production line.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)011【总页数】5页(P97-101)【关键词】智能制造;生产线;智能控制;信息物理系统【作者】陈容;陈映波【作者单位】岳阳职业技术学院机电工程系,湖南岳阳414000;岳阳职业技术学院国际信息工程学院,湖南岳阳414000【正文语种】中文【中图分类】TN-9当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。
智能电网CPS的混合控制方法
智能电网CPS的混合控制方法摘要为了使电网具有了灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性，本文将CPS引入到智能电网中。
重点分析了CPS在电力系统中的混合控制方法，并详细介绍了微电网CPS体系结构，把CPS控制分为应用层、网络层、连接层、协调层、调节层和物理层，从而实现了CPS的混合控制方法。
关键词: CPS，控制方法，智能电网1.绪论近年来，智能电网已经成为电力工业界和学术界关注的热点。
智能电网应具有灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性等重要特征。
此外，智能电网还必须能够支持大规模间歇性可再生能源和分布式电源，能够促进电力市场公平、有效运营，能够促进用户侧参与等。
要实现上述目标和要求，就需要进一步发展电力系统现有的理论、模型、方法和算法体系。
其中，引入新的计算、通信和传感技术，并实现信息系统和电力系统更紧密的融合与协作是实现电力系统智能化的关键。
信息物理融合系统(cyber physical system, CPS)为解决这些问题提供了一种新的途径。
CPS是涉及信息系统和物理系统交互与融合的一个新的研究领域。
CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。
CPS具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。
CPS是物理过程、经济过程和计算过程的集成系统，描述人类与物理世界的交互。
可以看出，CPS 与物联网概念有相似之处，即两者都强调物理实体的互联。
然而，CPS与物联网也有显著区别。
建立物联网的主要目的在于采集各种物理实体信息，以实现对物理世界的感知。
另一方面，CPS可以看做是对物联网的进一步发展，其目标是在感知物理世界的基础上，进一步实现对各种物理实体的最优控制。
CPS愿景的实现意味着人类将拥有远超以往的对物理世界的强大控制能力。
2.电力CPS的混合控制方法未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。
信息物理融合系统概述
信息物理融合系统概述作者：姜宏来源：《电脑知识与技术》2011年第35期摘要：信息物理融合系统（CPS）作为计算进程与物理过程的结合体，是集传感、通信、计算与控制于一身的下一代智能系统。
本文介绍了CPS的定义、特点及国内外研究现状，分析了我国发展CPS现今与未来将面临的机遇与挑战。
并以CPS在智能交通、智能家居为典型代表的两方面应用为例，阐明CPS对我国社会经济生活的重大影响。
关键词：信息物理融合系统，智能交通，智能家居21世纪是信息技术产业迅猛发展的年代，如雨后春笋般不断涌现的的技术突破与创新，正使人类生活的环境与方式发生着翻天覆地的变化，尤其是以嵌入式计算设备为主体的信息系统在社会生活各方面的应用为主。
传统的嵌入式设备往往是一步成型，对外界而言是封闭的，远远不能满足当下对物理设备可控制、可交互、可通信、可扩展等众多应用需求。
因此，在环境感知基础上，实现人、机、物的互联互通与深度融合的信息物理融合系统（cyber-physical system， CPS）不仅已成为国内外学术界研究开发的重要方向，也将成为企业界优先投资发展的重点领域。
同时，对于加速推进我国工业化和信息化的融合也具有重要意义。
1. CPS简介1.1. CPS定义CPS中文译为信息物理融合系统，是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。
其概念最早是由美国国家自然基金委员会与2006年提出的。
它将计算进程与物理进程良好的结合到一起，有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次产业浪潮。
它的核心概念是3C（Computation、Communication、Control），即通过人机交互接口来实现与物理进程的交互，使用网络（往往是传感器网络）以实时的、可靠的、远程的、安全的方式监控一个物理实体的具体动作行为。
1.2. CPS特点人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统，其本质是实现人类在时间、空间方面的延伸控制。
（1）与嵌入式系统相比。
CPS将如何改变未来工厂?
CPS将如何改变未来工厂？王喜文【期刊名称】《中国信息化》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】3页(P15-17)【作者】王喜文【作者单位】工业和信息化部国际经济技术合作中心【正文语种】中文CPS概念最早由美国国家基金委员会提出，被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮，其核心是3C（Computing、Communication、Control）的融合。
CPS是融合技术，包括计算、通信以及控制（传感器、执行器等）。
中国科学院何积丰院士指出：“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。
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”。
据资料显示，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月美国发布《美国竞争力计划》，将信息物理系统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、网络信息技术与社会科学。
CPS连接了信息世界与物理现实世界，使智能物体互相通信、相互作用，创造一个真正的网络世界。
生产设备中的嵌入式系统与生产线上的物联网传感器是构成CPS的要素之一，这些技术被称为“物理技术”。
但是，CPS 体现了相对当前嵌入式系统和物联网的进一步进化，与互联网或者网上可搜集的数据、服务结合在一起，实现更加广泛的基于创新型应用或过程的新物理空间，淡化物理世界与信息世界的界限。
cps8100f标准
CPS8100F 标准
CPS8100F 是一种用于无线充电系统的磁感应式无线功率发射芯片，由易冲半导体公司开发，符合 WPC Qi v1.2.4 标准和 AEC-Q100 车规标准。
CPS8100F 可以支持多种快充协议，如QC2.0/QC3.0/PD3.0/SCP/AFC 等，以及高达 50W 的私有协议快充。
CPS8100F 采用定频结构，具有高效率、低功耗、低频偏、高集成度等特点，适用于车载、桌面、嵌入式等多种无线充电场景。
CPS8100F 的主要技术参数如下：
输入电压范围：3.9V~26V
输出功率范围：0~50W
工作频率：110~205kHz
通信方式：ASK/FSK
通信接口：I2C/2x UART
内核：32-bit ARM Cortex-M0
存储器：34KB MTP/32KB ROM/6KB SRAM
ADC：12-bit，多通道
驱动器：全桥驱动，BUCK 转换器，DC-DC 控制器
封装：6mmx6mm，48-Pin QFN。
1.1 嵌入式系统的定义和组成
逻辑结果正确 在要求的时间内
2．RTOS特点
约束性
时间约束 资源约束（能耗，费用） 执行顺序约束（多任务操作系统，每一组任务都要 在时间约束内完成） 性能约束（可靠性）
完成实时任务所需的执行时间应该是可知的 在系统最坏情况下都能正常工作或避免损失
可预测性
可靠性
交互性
硬件层
output
analog
CPU
input
analog
embedded computer
mem
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的体系结构
冯· 诺依曼体系结构 哈佛体系结构(指令数据分别存储在不同 memory中，且不同总线)，
精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC） 复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer, CISC）。
硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等 用来存放大数据量的程序代码或信息，
容量较大 读取速度慢
通用设备接口和I/O接口
与外界交互所需要的通用设备接口
GPIO、 A/D（模／数转换接口） D/A（数／模转换接口） RS-232接口（串行通信接口） Ethernet（以太网接口） USB（通用串行总线接口） 音频接口 VGA视频输出接口 I2C（现场总线） SPI（串行外围设备接口） IrDA（红外线接口）
轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、 便于移植、可配置 实现方法：
大数据时代下CPS的制造系统调度优化
大数据时代下CPS的制造系统调度优化摘要傳统制造系统调度多为离线的静态调度，存在“滞后、不一致、不协调”等问题，调度结果并不十分理想。
近年来，随着数据采集技术的智能化、计算机系统的信息化，信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）应运而生，其将网络和物理世界在时间和空间上紧密配合起来，为制造系统生产过程的调度优化提供了一种全新的思路与有效的实现途径。
本文基于CPS的概念并结合制造系统的特点，构造出基于CPS的制造系统生产调度基本框架，并对该框架各组成部分进行了分析。
最后，将该框架用于课题组提供的小型半导体Minifab生产线，同时根据实时生产状态调整调度规则进行调度优化，最终结果表明，融合了CPS的制造系统对于生产线性能的提高有显著作用。
关键词信息物理融合系统；制造系统；闭环调度；数据采集1 引言信息物理融合系统集成了计算系统与物理系统，并通过嵌入式计算机与网络实现两者之间的协作与融合，具备“深度嵌入、泛在互联、智能感知和交互协同”的特点[1]，随着嵌入式系统变得越来越普遍，CPS可将人、机器人或其他设备相互融合，形成一个统一高效的系统[2]。
由于CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体进行通信以及相互作用，淡化了现实世界与虚拟空间的界限，给信息世界与物理现实世界之间的相互作用关系带来了根本性变化，被称为是“工业4.0”的“实现技术”。
近年来，很多学者研究了CPS 在各领域的应用，并且已取得了一些极具价值的成果，如Tullio将CPS用于电力系统、Insup研究其在医疗领域的挑战和发展方向、Qu在交通方面进行了探索……本文尝试将CPS引入制造系统领域，探索基于CPS的制造系统调度优化。
2 研究现状2.1 CPSUCB的Lee对CPS的定义：“计算进程与物理进程的集成和相互影响，即通过嵌入式计算机和网络实现对物理进程的监测和控制，并通过反馈循环实现物理进程对计算进程的影响”。
基于数据的自适应CPS_软件结构模型设计方法
文章编号：1006-3080(2022)06-0841-08DOI: 10.14135/ki.1006-3080.20210831004基于数据的自适应CPS 软件结构模型设计方法许 浩1， 虞慧群1,2（1. 华东理工大学计算机科学与工程系, 上海 200237；2. 上海市计算机软件评测重点实验室, 上海 201112）摘要：信息物理系统（Cyber-Physical System ，CPS ）一般在动态环境中控制物理设备的运行，因此环境参数影响着CPS 的结构和行为。
提出了一种基于数据的自适应软件结构模型设计方法，该方法中CPS 软件结构模型由单元模块通过层次化的组合构造而成。
CPS 的自适应演化通过面向方面建模方法实现，将环境因素的功能抽象成方面模型，通过对方面模型与基础模型进行编织得到综合的CPS 模型。
基于Petri 网和时态逻辑的形式化方法为CPS 模型提供了数学表达和分析手段。
理论分析和实验结果表明，本文的设计方法具有可行性和高效性。
关键词：信息物理系统；数据驱动；软件结构；自适应机制；软件设计中图分类号：TP311.5文献标志码：A信息物理系统（Cyber -Physical System ，CPS ）是将“信息成分”与“物理成分”紧密耦合的系统，在智慧能源、智能交通、医疗保健、航天航空等关键领域具有广泛的应用[1]。
CPS 软件是“信息成分”对“物理成分”实现有效控制的“大脑”，如何设计可信高的CPS 软件是具有挑战性的课题[2]。
与多数工程系统一样，CPS 设计流中涉及各种各样的模型，在结构、行为和数据方面呈现的复杂性对软件设计提出了新的要求，需要新的技术才能适应CPS 软件结构设计的需求。
因而，模型驱动设计（Model -Driven Design,MDD ）成为CPS 设计的重要方法[3]。
模型驱动设计方法将模型作为基本元素，软件开发归结为模型设计和模型转换[4]。
⊨如果能够建立CPS 需求规约R 和环境约束E 的形式化描述，那么系统模型S 的设计就归结为S 的综合过程[5]，即由R 导出的S 与E 的组合满足需求R ，形式地表示为S||E R 。
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嵌入式系统导论 cps方法
嵌入式系统导论：CPS方法
嵌入式系统是指嵌入到其他设备中的计算机系统，它们通常具有实时性、可靠性和安全性等特点。
CPS（Cyber-Physical Systems）方法
是一种用于设计和开发嵌入式系统的方法论，它将计算机科学和控制
工程相结合，以实现系统的高效、可靠和安全运行。
CPS方法的核心思想是将嵌入式系统看作是由计算机和物理系统相互
作用的系统。
在CPS方法中，物理系统被建模为状态空间模型，计算
机系统被建模为控制器。
控制器通过传感器获取物理系统的状态信息，并根据预设的控制策略来控制物理系统的行为。
通过这种方式，CPS
方法可以实现对嵌入式系统的全面控制和优化。
CPS方法的主要优点是可以提高嵌入式系统的可靠性和安全性。
通过
对物理系统的建模和控制，CPS方法可以有效地避免系统出现故障和
安全漏洞。
此外，CPS方法还可以提高系统的性能和效率，从而满足
不同应用场景的需求。
CPS方法的应用范围非常广泛，包括智能交通、智能制造、智能家居
等多个领域。
例如，在智能交通领域，CPS方法可以实现对交通流量
的实时监测和控制，从而提高交通效率和安全性。
在智能制造领域，CPS方法可以实现对生产过程的实时监测和控制，从而提高生产效率和质量。
总之，CPS方法是一种非常重要的嵌入式系统设计和开发方法论，它可以提高系统的可靠性、安全性、性能和效率，为不同领域的应用提供了强有力的支持。