信息物理系统研究与应用综述

李伯宇，高 飞，朱建平，韩瑞艳

（云南民族大学，云南昆明650500）

0 引言

信息物理系统（Cyber－Physical Systems，CPS）这一概念是由美国科学家Helen Gill于2006年在美国国家科学基金会上提出[1]，并很快引起各国研究者与企业的广泛关注。欧洲联盟在2008年启动ARTEMIS（Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems）等重大项目，将CPS作为智能系统的一个重要研究方向。同样的，基于2007年8月的美国总统科学与技术顾问理事会的建议，美国国家科学基金会一直为CPS的基础研究和教育提供资金支持[2]。包括中国，韩国，德国在内的其他国家也已经提出或实施了类似的方案。

CPS正吸引着越来越多的研究者的兴趣。许多国际会议都把“Cyber Physical System”作为会议讨论的主题。例如：IEEE Real－Time Systems Symposium（RTSS）[3]已经连续三届把“Cyber Physical System”作为会议讨论的主题。International Conference on Cyber－Physical Systems（ICCPS）已经连续召开五届。前三届没有确定的会议主题，只是作为一个推进CPS发展的论坛。由ACM SIGBED（宾夕法尼亚大学的一个嵌入式团队）与IEEE TCRTS（IEEE计算机协会中关注实时系统的一个技术社区）联合赞助的2013年4月8日至11日在美国费城召开的第四届International Conference on Cyber－Physical Systems，讨论了关于CPS的各个方面，包括：理论、工具、实验平台、应用等[4]。由TWT GmbH－Science ＆Innovation（一家为汽车，航空航天，医疗保健和能源领域的原始设备制造商提供技术支持的公司）赞助的2014年4月14日至17日在德国柏林召开的第五届International Conference on Cyber－Physical Systems，讨论的三大主题分别是：交通运输、机器人以及能耗[5]。还有Hybrid Systems：Computation and Control（HSCC）[6]、International Workshop on Service－Oriented Cyber－Physical Systems in Converging Networked Environments （SOCNE）[7]、IEEE International Conference on Cyber－Physical Systems（CCPS）[8]等一些国际会议也关注CPS的发展。总之CPS已成为当今一个热门的研究领域。

为了展现对CPS的关注度。分别从谷歌学术搜索（www.scholar.google.com）、IEEE Xplore（http：／／ieeexplore.ieee.org）以及中国知网（www.cnki.net）中按年份统计与“Cyber Physical System”或者“信息物理系统”相关的文献数量（见表1～3）。从3个表中，可以看出有关CPS的文献数量总体是呈现一个上升的趋势，特别是从2010年开始，与CPS相关的文献数量增长较快。由此可见研究者对CPS发展的关注度越来越高。

1 CPS的基本概念

虽然各国的研究学者从理论思路、数学建模等不同的方面对CPS进行研究，但是由于CPS本身的复杂度较高，涉及的学科广泛，再加上不同领域的学者对CPS的理解不同，所以到现在为止，业界还没有对CPS的做出一个得到公认的定义。文中列举了几个比较有代表性的定义。

表1 谷歌学术检索结果

表2 IEEE Xplore检索结果

表3 中国知网检索结果

CPS概念的提出者Helen Gill在文献[9]中讲述到：CPS是融合计算与物理能力，能通过多种方式与人类进行互动的新一代系统。与物理世界交互或者增大物理世界的能力是通过计算和通信的方式，控制技术是实现新一代系统的核心。

加利福尼亚大学伯克利分校的Edward A LEE教授与Shankar Sastry教授分别对CPS定义。Edward A LEE在文献[10]中提出，CPS是一系列计算进程和物理进程组件的紧密集成，通过计算核心监控物理实体的运行，而物理实体又借助于网络和计算组件实现对环境的感知和控制。而Shankar Sastr在文献[11]中描述道：从计算科学与信息存储处理的层面出发，认为CPS集成了计算、通信和存储能力，能实时、可靠、安全、稳定和高效地运行，是能监控物理世界中各实体的网络化计算机系统。

第五届International Conference on Cyber－Physical Systems官方网站[3]上指出：随着计算机计算能力越来越快以及通信带宽价格的降低，计算及通信能力将被嵌入到物理环境中各种物体中。而利用这些能力的应用将带来巨大的社会影响和经济效益。现在把这种联接信息世界与物理世界的系统称之为信息物理系统。

现在大多数中文文献将“Cyber Physical System”翻译为“信息物理系统”，即认为“Cyber”来源于“Cyberspace”一词，然而无论是“Cyberspace”还是“Cyber”都应该来源于“cybernetics”。“cybernetics”一词是由控制论的创始人Norbert Wiener提出。Wiener认为cybernetics是控制与通信的结合体。而且Wiener所理解的“cybernetics”是一个闭环系统，其控制命令由所测得的物理进程所决定，反过来，控制命令用于控制物理进程[12]。所以“Cyber”不仅有“信息世界”的含义也有“控制”的含义。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的S.Shyam Sunde于2012年3月13日在美国国家标准与技术研究院CPS研究部，对CPS进行了梳理[13]。认为CPS本质上是一个控制系统。

综上所述，信息物理系统（CPS）是融合嵌入式系统（ES）、计算机、无线传感器网络（WSN）、物联网（IOT）等技术，能够处理、融合海量异构数据，在复杂环境下能稳定、安全的处理信息，有较高的自适应、自主协调以及自治能力，计算与物理进程以相互反馈信息的方式紧密融合、互相影响的新一代智能网络控制系统。

2 CPS的特性

根据第1部分的描述，以及对有关CPS文献的研读。总结了CPS几大特性。

（1）紧密融合。通过多个工程学科的融合，例如，无线传感器网络（WSN）、物联网（IOT）、嵌入式系统等学科的融合，实现信息世界与物理世界的融合。达到实时控制物理世界或者与物理世界交互的目的。

（2）网络化。CPS与现在的嵌入式技术相比，最大的改进之处就是网络化[14]。网络化是能为实现海量数据便于传输目的，也是实现物理世界与信息世界相联接的关键一环。可以在CPS的3C[15]模型中得以体现（图1）。图1中可以清晰看到“Communication（网络）”起联接“Computation（信息世界）”与“Physical（物理世界）”的作用。为实现网络化，CPS会用到许多网络技术，例如：WIFI、GSM、GPS、WLAN等。

（3）异构性。涉及两种不同的环境：连续的物理世界与离散的信息世界。运用的网络技术、节点异构。

（4）安全性。由于CPS是信息世界与物理世界的高度融合，如果信息世界出现在问题，则可能会给物理世界带来灾难性的后果。Ten等在文献[16]、[17]介绍了在智能电网中，如果信息世界出新问题，就可能导致电能的损耗甚至导致整个电网瘫痪。所以CPS必须要有安全性。

（5）闭环系统。正如在图2所描述的CPS的模型，为更加精确、有效的控制物理世界，CPS一般会采用比较高级的反馈系统。

（6）节点嵌入到物理世界中每个器件中。如果把节点嵌入到物理世界

的每个器件中，那么物理世界中的每个器件就拥有一定的计算和通信能力。这样就会使信息世界获取更多的关于物理世界的信息，也使信息世界与物理世界融合的更加紧密。

（7）实时性。实时性在CPS中有两层含义：一是数据到达服务器或者基站的时间要短，及延时小；二是系统要在限定的时间内对外来事件做出反应，当然这个限定时间的范围是根据实际需要定。在目前的C语言中是没有时间语义的，即使程序运行时间超过限定的时间，最终运行结果也是正确的，然而这影响整个系统的性能。在CPS中实时性尤为重要，因为物理世界中出现的一些事件，系统必须在限定的时间内做出适当的响应，否则可能会出现灾难性的后果，例如：地震预警。因此CPS要具备实时性。

（8）可靠性、鲁棒性。由于CPS节点所在的环境复杂，必须要保障CPS有较强的自适应，自学习能力以及拓扑快速回复重建能力。以此保障CPS可靠性和鲁棒性。

（9）可重组、可重新配置。这个特性是现在大型嵌入式系统不具备的。现在的大型嵌入式系统在重组方面面临着很大的困难，因为一旦重新分配资源或者更新器件，就需要花费大量资金用于检测更新的器件对于整个系统带来稳定性、安全性的影响以及后续的优化问题。在文献[14]讲述到，在制造飞机时为避免资源重组情况的发生，一般采用同一家公司的同一条生产线，生产所有的芯片或者是器件。并且还要生产出未来30年乃至50年的飞机制造计划中的全部的芯片或者是器件。而在CPS中，可以根据不同的需求动态的重组资源。

图1 CPS抽象模型[15]

3 CPS的应用

CPS可应用在许多的领域，解决现在面临的诸多问题。美国国家工程院（The U.S.National Academy of Engineering）列出了与环境、健康、社会有关的14大问题，而CPS的发展将有助于这些问题的解决[9]。CPS将使未来人类生活的世界变得更加快捷（例如：防止碰撞或者防止拥堵无人驾驶系统），更加精确（例如：制造误差在纳米级范围）。基于CPS制造的应用能在危险的环境下工作（例如高度自治的营救系统），CPS也能为人力提供大规模的分布式协调系统（例如：交通自动控制系统），提高社会社会福利（例如：辅助医疗，健康监测技术）等。在文献[18]中Rajkumar列举了众多CPS可应用的领域，包括智能电网，全自动交通工具，高产农业以及社会领域。

介绍三类典型的CPS应用：智能电网；生物与医疗系统；智能高速公路与无人驾驶。

3.1 智能电网

传统电力系统存在着一系列问题，如用电峰值时的“电荒”、信息获取不及时及造成的设备利用率低等。而智能电网为解决上述问题提供了技术方案，智能电网和传统电力系统之间的区别如图2所示，最大的差异性之一在于配电环节。在传统电网中，用户不能实时的了解电价信息，配电公司也不能了解用户的用电信息，由此可能造成能源的浪费；而在智能电网中，用户与配电公司都可以了解与自己密切相关的信息。借此双方即可以获得最大的经济利益，又可以节约电能。例如用户在电价低的期间，可以为电动汽车充电、用洗衣机洗衣服等。在电价高的期间，可以把电动汽车的电能接入到电网中，由此获得差价。在文献[19]中讲述一种电力供应商与用户之间基于需求侧管理的博弈方法，通过这种方法可以使电力供应商与用户均获得最大利益。

图2 传统电网和智能电网区别示意图[20]

智能电网在发电方面比传统电网也有优势。如图2所示，智能电网在发电环节不仅有水电、火电还有新能源。由于传统电网信息获取不及时、电能的实时调度性能差，再加上新能源（特别是风能和太阳能）具有间歇性，所以在传统电网中，如果把新能源直接并入电网必然会对骨干电网造成冲击，乃至造成整个电网的瘫痪。而在智能电网通过实时智能调度，例如：在光照条件充足或者是风力较大时，存储多余的电能，当光照不充足或是在风力较小时把存储的电能接到电网中，使新能源在接入骨干电网时维持电压、电流等参数的方面维持稳定，由此避免新能源在接入骨干电网时对电网造成的冲击。

3.2 生物与医疗系统

生物医疗领域包含许多方面，包括全国健康信息网络、电子病情记录仪、家庭护理、手术室等。上述这些逐步被有硬件、软件组成的电脑系统控制，并且这种系统满足实时性和安全性。未来的医疗护理越来越依靠联网的医疗器械和系统，并且能够根据不同病人病情进行医疗设备的动态重组。未来的医疗设备和系统也拥有能与病人、看护人交互的能力。图3展示了一个基于CPS的智能手术室。

3.3 智能高速公路与无人驾驶

世界卫生组织在2013年3月14日于日内瓦发布《2013道路安全全球现状报告》称，2010年，全世界有124万人死于道路交通事故。然而基于CPS智能高速与无人驾驶技术的 发展将会有益于这一问题的解决。无人驾驶汽车能更加高效的、安全的将乘客送达目的地。而且智能高速公路网络（见图4）允许汽车之间通信，这样既提高安全性，也避免了交通拥堵，从而提高了交通流量，使人们的生活更加快捷。

图3 CPS的应用：智能手术室[21－22]

图4 智能高速[23]

4 面临的挑战及今后的可能的研究热点

4.1 面临的挑战

对CPS的研究还处于起步阶段，还有许多问题亟待解决。但是由于CPS涉及到学科比较多，例如计算机科学、无线传感器网络（WSN）、嵌入式技术（IOT）、生命科学等，所以想要解决CPS所面临的问题尚需一段时间。以下部分指出CPS现阶段所面临的挑战。

（1）系统架构。一种技术的发展，必须要有良好的架构，如果没有要有良好的架构，则该种技术的优势就无法体现，更不要提与其他技术的兼容性。在文献[24]中，Graham等同样也认为，标准化的抽象和架构对于CPS中各种技术的融合以及对于CPS的创新至关重要。由于CPS涉及到的领域比较多（例如计算机科学、无线传感器网络、嵌入式技术、生命科学等），应用的环境比较复杂多样，而且现在一些建模方法已经跟不上CPS发展的速度。所以如何“忽略”不同技术领域的特点，对不同环境建立标准抽象，是CPS面临的问题之一。但是到目前为止，各国的学者还有没提出一个良好的CPS架构。

（2）混杂系统的建设。混杂系统（Hybrid System）指的是连续变量与离散事件同时存在并且相互影响和相互作用的一类系统[25]。由于CPS要采集物理世界的信息（连续变量），然后把这些信息传输到信息世界中（离散事件），由信息世界进行处理再反馈到物理世界中。所以混杂系统是CPS的一个基础，但是现在没有通用的混杂系统应用模型。而且物理世界中发生的事件一般是并行的，而信息世界在处理信息时是并发的。怎样让信息世界处理这些并行的连续的事件，又怎样让信息世界抽象物理世界，并且保证抽象出的离散信息尽可能的反应物理世界的全貌，也是CPS面临的问题。

（3）安全性与可靠性的建设。安全可靠是是设计大型复杂系统首要设计原则[9]。CPS紧密融合了虚拟世界与物理世界，一旦虚拟世界遭到黑客的攻击必然会对物理世界造成影响。如何在虚拟世界遭到攻击的情形下，避免物理世界不受影响，或者使物理世界受到的伤害尽可能的小，对于CPS来说是个难题。再者CPS应用的环境复杂，如何在复杂环境下保障可靠通信，对CPS也是一个富有挑战性的问题。

（4）可验证性及衡量标准。由于CPS设计到的学科比较多，虽然各个学科有各自的衡量标准。但是当融合这些到CPS中时，衡量CPS的标准却不是这些学科各自的标准相累加得到的结果。但是当一个CPS系统建成之后，用何种标准的方法去衡量CPS的系统性能指标；用什么标准去衡量应用的模型是否得当；整个系统优化又应该达到怎样的程度。到目前为止业界还没有对CPS系统提出一些通用的衡量标注。所以可验证性及衡量标准对于CPS来说又是一个难题。

（5）各个学科的集成。现在一个学科被分成多个专业，并且对这些专业做的定义比较狭隘。特别在高等教育方面，对具体学科的教育针对性较强。这就使整体性的研究被分解为一些独立的学科，比如，无传感器网络、通信工程、电子科学与技术等。这样带来的结果就是在系统设计和分析时，虽然会使用多种的模型和工具，但是每种模型只强调某些特性，而忽视了其他一些特性，所以致研究的对象得不到系统性的分析。最简单的例子就是现在所提出的CPS模型既不代表信息世界，也不代表物理进程，更不是二者的综合体。这就使CPS的研究进展比较缓慢。然而CPS是多个学科的融合，怎样有效的融合各个学科对于CPS的发展富有挑战性。

4.2 今后可能的研究热点

研究了International Conference on Cyber－Physical Systems（ICCPS）、IEEE Real－Time and Embedded Technology and Applications Symposium（RTETA）、Hybrid Systems：Computation and Control（HSCC）、International Workshop on Service－Oriented Cyber－Physical Systems in Converging Networked Environments（SOCNE）、IEEE International Conference on Cyber－Physical Systems（CCPS）近三年的会议征集论文的主题，认为今后CPS研究热点应该包含以下4个方面：系统架构、CPS的应用、实时系统以及安全。同时在IEEE Xpolre数据库中按“Index Terms”方式同时检索“Cyber Physical System”和上述4个方面中的任何一个，得到了与这4个方面有关的文献数量（表4）。通过表4可以看出，自从2010年之后，每个方面的文献数量都有较快增长；并且结合表1、表2、表3可以看出，每个方面文献的数量在各个年份中占的比例也比较高。这也验证了提出上述4个方面的合理性。

表4 4个研究方面文献统计

虽然现在的CPS研究还处于起步阶段，面临的问题较多。但是CPS的发展无疑会给未来智慧城市、智能电网、智能交通等的建设带来许多方便之处。总之未来CPS的发展空间很大。论文对CPS进行综述，希望能引起广大学者和读者对CPS的关注，也希望能够推动CPS的发展。

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