CPS 网络化控制 研究与思考
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信息物理融合系统的网络化 控制研究与思考
南京财经大学经济学硕士 南京昂氏原点企业管理咨询有限公司研究部总监
——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系统
-- CPS的概念 -- CPS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
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
过渡页
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。
随着生活水平的提高，人们对于电力行业的服务要求 越来越高，对新业务的需求也越来越人性化，现有的
中的用户交互CI (Consumer Interactive) 能力。即存在
C2C, B2C,以及BC2BC的模式。
系统不能完全满足新的需求。
城市化发展对能源供应的需求与日俱增，从而促使电 网负荷越来越高。
回路均衡
通过网络智能的实现解
CPS解决方案
（针对电力系统目前现状和发展趋势 ，为了构建更加智能的电力网络， 保证其更加高效、坚强、柔性）
二
面向电力系统，通过异构网络将
决人性化业务的需求。 四
——智能电网CPS环境
通过信息物理融合增强系
各个相对独立的自治系统的物理 过程联系在一起。
统间的交互，实现各个系
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。
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
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
多样性：能源多样，发电方式也多样的。 混杂性：系统混杂，包括液体或气体为燃料的内燃机、微 型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力 发电、生物质能发电等。
新能源技术的革命对电网系统提出了新的要求。
3、CPS应用举例
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
2
智能电网CPS
一
针对电力系统，通过新的信息技术的引入，增强二次
2、发展现状
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
3
中国
国家自然科学基金（NSFC）、“973 计划”和 “863 计划”都将其列入重点资助领域
从2009 年开始，国家自然科学基金委员会资助
了多项明确以CPS 为主题的基金项目
3、CPS应用举例
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
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。
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 通信-communication 强可靠性和功能。CPS 通信
更快、更高效、节能的飞机 空中交通控制系统使得更好的利用领空 汽车高智能、更便宜、低能耗
新的可再生能源，分布式能源 家庭和办公室更节能，操作更便宜 家庭医疗护理的持续增加 更强大的医疗装置进行医疗检测 网络化、自动化的生物医学系统 电网更可靠、更高效 高速公路车行更加密集，但运行更安全性
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
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。
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
通过计算、通信与物理进程的融合，CPS带来很多益处
系统更安全、更有效 降低系统构建、操作成本 使构建具备新功能的复杂系统成为可能
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
交通 能源和 工业自动化 医疗保健 和生物医学 关键基础设施
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。
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。
CPS即信息物理融合系统，英文为Cyber Physical System
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
1
美国——国家研究重点
Βιβλιοθήκη Baidu
八大研究重点支持领域 CPS位列首位
NSF大量资金资助CPS相关研究课题
2、发展现状
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
2
欧盟
计划从2007 年到2013 年在嵌入
智能与系统的研究与技术（ARTMEIS） 上投入54 亿欧元，以期在2016 年
成为CPS 的世界领袖。
压力传感器 无 线 通 信 基 站 (wifi 802.11 abg, WIIMAX) 用于计算的后端服务器
车
无线通信设备 显示和视频设备 司机 用于接收SMS的手机
3、CPS应用举例
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
1
智能交通CPS
1.车辆进入高速公 路的入口，并加入 网络
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
2
智能电网CPS 电网发展面临的问题
目前电网发展趋势
长期以来，传统的电力行业中存在地区性自治管理的 现象，而我国电网规模庞大、系统复杂，保障电网整 体的安全性、稳定性、可靠性都需要进行整体协调。
分布式：不仅有主干网支撑，而且存在许多发电功率在几 千瓦至数百兆瓦（也有限制在30～50兆瓦以下）的小型模 块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元 ，DG (Distributed Generation)——交互力：强调网络
1智能交通CPS
2智能电网CPS
3、CPS应用举例
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
1
智能交通CPS
背景
CPS如何改善这种情况
路
基础设施
城际交通 每年发生大量交通事故 原因：
长途交通 高速运行
车载网络系统 车辆间互联通信 路况报告 汽车收集路况和传感器信息 汽车用手机或 WiFi 网络向服 务器传递信息 用户登录服务器可浏览实时路 况、个人驾驶习惯。
统环节之间的协调与优化。 三
Thanks
2嵌入式传感器检测到的交通 信号（速度，状态）
6.加入该网络的车辆，将定 期收到通知，并显示在输出 设备 5. 消息将发送到网络中 的每个 节点：无线电台，手机 7.接收服务器传输的蜂窝设 备的短信 3. 数据库连接和操作 4. 为车辆准备有用信 息
3、CPS应用举例
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
Cyber-Physical Systems Executive Summary, CPS Steering Group, March 6, 2008 (available at http://varma.ece.cmu.edu/summit/)
2、发展现状
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
南京财经大学经济学硕士 南京昂氏原点企业管理咨询有限公司研究部总监
——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系统
-- CPS的概念 -- CPS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
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
过渡页
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。
随着生活水平的提高，人们对于电力行业的服务要求 越来越高，对新业务的需求也越来越人性化，现有的
中的用户交互CI (Consumer Interactive) 能力。即存在
C2C, B2C,以及BC2BC的模式。
系统不能完全满足新的需求。
城市化发展对能源供应的需求与日俱增，从而促使电 网负荷越来越高。
回路均衡
通过网络智能的实现解
CPS解决方案
（针对电力系统目前现状和发展趋势 ，为了构建更加智能的电力网络， 保证其更加高效、坚强、柔性）
二
面向电力系统，通过异构网络将
决人性化业务的需求。 四
——智能电网CPS环境
通过信息物理融合增强系
各个相对独立的自治系统的物理 过程联系在一起。
统间的交互，实现各个系
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。
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
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
多样性：能源多样，发电方式也多样的。 混杂性：系统混杂，包括液体或气体为燃料的内燃机、微 型燃气轮机、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、风力 发电、生物质能发电等。
新能源技术的革命对电网系统提出了新的要求。
3、CPS应用举例
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
2
智能电网CPS
一
针对电力系统，通过新的信息技术的引入，增强二次
2、发展现状
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
3
中国
国家自然科学基金（NSFC）、“973 计划”和 “863 计划”都将其列入重点资助领域
从2009 年开始，国家自然科学基金委员会资助
了多项明确以CPS 为主题的基金项目
3、CPS应用举例
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
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。
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 通信-communication 强可靠性和功能。CPS 通信
更快、更高效、节能的飞机 空中交通控制系统使得更好的利用领空 汽车高智能、更便宜、低能耗
新的可再生能源，分布式能源 家庭和办公室更节能，操作更便宜 家庭医疗护理的持续增加 更强大的医疗装置进行医疗检测 网络化、自动化的生物医学系统 电网更可靠、更高效 高速公路车行更加密集，但运行更安全性
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
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。
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
通过计算、通信与物理进程的融合，CPS带来很多益处
系统更安全、更有效 降低系统构建、操作成本 使构建具备新功能的复杂系统成为可能
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
交通 能源和 工业自动化 医疗保健 和生物医学 关键基础设施
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。
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。
CPS即信息物理融合系统，英文为Cyber Physical System
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
1
美国——国家研究重点
Βιβλιοθήκη Baidu
八大研究重点支持领域 CPS位列首位
NSF大量资金资助CPS相关研究课题
2、发展现状
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
2
欧盟
计划从2007 年到2013 年在嵌入
智能与系统的研究与技术（ARTMEIS） 上投入54 亿欧元，以期在2016 年
成为CPS 的世界领袖。
压力传感器 无 线 通 信 基 站 (wifi 802.11 abg, WIIMAX) 用于计算的后端服务器
车
无线通信设备 显示和视频设备 司机 用于接收SMS的手机
3、CPS应用举例
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
1
智能交通CPS
1.车辆进入高速公 路的入口，并加入 网络
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
2
智能电网CPS 电网发展面临的问题
目前电网发展趋势
长期以来，传统的电力行业中存在地区性自治管理的 现象，而我国电网规模庞大、系统复杂，保障电网整 体的安全性、稳定性、可靠性都需要进行整体协调。
分布式：不仅有主干网支撑，而且存在许多发电功率在几 千瓦至数百兆瓦（也有限制在30～50兆瓦以下）的小型模 块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元 ，DG (Distributed Generation)——交互力：强调网络
1智能交通CPS
2智能电网CPS
3、CPS应用举例
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
1
智能交通CPS
背景
CPS如何改善这种情况
路
基础设施
城际交通 每年发生大量交通事故 原因：
长途交通 高速运行
车载网络系统 车辆间互联通信 路况报告 汽车收集路况和传感器信息 汽车用手机或 WiFi 网络向服 务器传递信息 用户登录服务器可浏览实时路 况、个人驾驶习惯。
统环节之间的协调与优化。 三
Thanks
2嵌入式传感器检测到的交通 信号（速度，状态）
6.加入该网络的车辆，将定 期收到通知，并显示在输出 设备 5. 消息将发送到网络中 的每个 节点：无线电台，手机 7.接收服务器传输的蜂窝设 备的短信 3. 数据库连接和操作 4. 为车辆准备有用信 息
3、CPS应用举例
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
Cyber-Physical Systems Executive Summary, CPS Steering Group, March 6, 2008 (available at http://varma.ece.cmu.edu/summit/)
2、发展现状
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