浅析信息物理融合系统（CPS）

文/王雯萱王凯

浅析信息物理融合系统（CPS）

文/王雯萱1王凯2

CPS是计算资源与物理资源进行深度融合的产物，在未来它可能将会改变人类与物理的交互方式。本文阐述了 CPS的基本概念，并对其系统体系结构做出简单的说明和研究，分析了信息物理系统现在的研究现状和未来所要面临的挑战和机遇，为 CPS在未来的发展过程中提供了方法并促进计算机科学技术的进一步发展。

信息物理系统 计算资源 物理资源理论体系结构

1 引言

随着传感器网络技术、嵌入式的开发技术以及控制理论与实时系统的发展，物理智能系统正在慢慢的渗入人们的日常生活中。CPS是一个在环境感知的基础上，深度融合了通信、计算和控制能力可信、可控、可扩展的和安全高效的 CPS网络化物理设备系统，其核心是3C 技术融合。它为一项新的科学研究与工程应用领域在应用需求、科学技术创新和理论研究等方面奠定了基础，是普适计算、传感器技术、人机交换技术和嵌入式计算以及通信和网络技术不断发展的形成产物。下面我将对 CPS的具体概念和系统体系结构以及 CPS所面临的重大挑战和研究现状进行简要分析。

2 CPS基本概念

Edward Lee将 CPS定义为计算和物理过程的集成。CPS是一个综合计算、网络和物理环境多维复杂系统，通过与 3C 技术以及人机交互接口实现和物理进程的交互，并使用网络化空间来对一个物理实体进行远程的、可靠地、实时的、安全的、协作的操控，实现计算资源与物理资源的紧密结合与协调的下一代智能系统。从微观的角度看，CPS通过在物理系统中嵌入计算与通信内核实现计算进程与物理进程的一体化[1]，通过使用 CPS的计算核，系统可以实现对物理资源的控制、检测和操作，并实现对每一个物理组件的分布式处理和实时反馈。从本质上讲，它的意义在于将物理设备联网，使它具有控制属性的网络，但又有别于现有的控制系统。现涉及的应用领域有设备互联、机器人、智能家居、智能导航和物联传感等。

3 CPS系统体系结构

3.1 CPS的基本功能逻辑单元

CPS的基本组件包括传感器、执行器和决策控制单元（DCU）。传感器是一种嵌入式设备，可以对外界环境进行检测、控制以及感知外界温度、湿度等物理条件；执行器是对系统传来的指令进行操作控制的嵌入式设备；决策控制单元则是根据用户定义的语句生成控制逻辑的逻辑控制单元。

3.2 CPS体系结构特性

CPS技术是基于嵌入式技术和传感器技术发展起来的，嵌入式技术是设备具有智能性，传感器技术使设备具有感知能力，这两者的结合，就达到了物理设备和计算深深融合的目的。从 CPS需求分析并对比现有系统分析 CPS具有的性能需求如下：

（1）计算/信息过程与物理过程紧密结合，以至于对系统的行为特征无法判断究竟是物理定律还是计算过程甚至两者共同影响的结果。

（2）自治性。系统的自治性是 CPS的基础，系统会通过传感器感知环境做出相应的反应，人可以对系统进行干预，也可以在不干预的情况下使系统能够正常运行。

（3）并发性。并发是 CPS物理环境中的基本特征，其中计算模块则是顺序的。CPS是计算与物理模块的紧密结合的系统，新的并发计算软件系统可以应对如今 CPS的需求。

（4）分布性。CPS系统中有大量的网络化嵌入式计算，其分布的则是计算的网络，由于其每个节点的能力有限，是一种典型的分布式计算系统。

3.3 CPS体系结构概述

CPS是计算和物理设备紧密融合的过程。松耦合的分布式计算系统和物理系统通过下一代互联网连接形成 CPS的资源基础，并基于该基础建立了智能设备和应用软件等。CPS体系结构是 CPS的骨架和灵魂。只有建立合理的体系结构，才能使计算和物理模块紧密的融合，使设备科学高效的为人类服务。

我们将CPS划分为物理层、网络层和应用层。物理层是提供基层服务的，它是对感知系统进行信号接收、接收执行系统的指令并将该指令进行传递的一层服务基准；网络层则是将处于物理层的设备实现其网络化，通过网络共享设备进行资源传输和网络共享，并使数据在传输过程中能够进行有效地融合；应用层则是为人类提供服务接口，该层为用户提供各种CPS服务使用户在不了解下面两层的基础上仍然能够正常的与系统进行交互。CPS各单元不能独立完成各任务，每个单元之间需要相互协调，相互制约才能实现系统的目标。

4 CPS所面临的重大挑战与研究现状

CPS之所以面临的巨大挑战是由该系统与物理世界的深度融合和系统的规模与复杂性所带来的。缺乏协同分析与协同设计，系统设计与验证的挑战等这些都会造成 CPS面临严重的挑战。 CPS给计算机科学的基础学科、应用技术和关键领域等都带来了重大挑战。解决这些挑战，需要相关领域的专家进行进一步的研究。尽管现在 CPS已经引起了国内人士的广泛关注，但由于这项技术刚刚起步，在管理以及技术等方面考虑还不是很完善，所以取得的研究成果还是非常有限的。目前人们的研究领域主要集中在系统验证、中间件、系统建模、网络技术与安全性等领域。

5 总结

CPS是计算与物理进行深度融合的物理信息系统。在本文中，依据其基本概念简单的对物理信息系统进行了描述，并进一步对 CPS的系统体系结构进行了分段分析。首先通过描述基本功能逻辑单元，介绍各单元的基本功能，对 CPS的性质进行分析和描述，简要概述 CPS的系统体系结构。如今，CPS由于处于新兴阶段，人们对各方面的把握程度会有松有紧，这就要求处于计算机科学研究领域的专家要对 CPS做进一步的探讨和研究。

[1]黎作鹏,张天驰,张菁.信息物理融合系统(CPS)研究综述[J].哈尔滨工程大学,2001(09),25-31.

[2]陈丽娜,王小乐,邓苏.CPS体系结构设计[J].国防科学技术大学C41SR国防科技重点实验室,2011(05)：295-300.

作者单位
1.山东科技大学信息工程系 山东省泰安市271000
2.青海大学水利水电学院 青海省西宁市810000