信息物理系统CPS
信息物理系统 国家政策
信息物理系统国家政策信息物理系统（CPS, Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。
通过3C（Computation、Communication、Control）技术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。
CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。
信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。
它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如设备互联，物联传感，智能家居，机器人，智能导航等。
信息物理系统的主旨是将物理设备和软件相集成，以实现更高效、更智能、更可靠的系统。
通过实时感知、传输、计算、控制和优化，信息物理系统可以优化生产过程、提高安全性和效率、降低能源消耗和环境污染等。
信息物理系统在各个领域都有广泛的应用，其中智能制造是最为重要的一种。
在智能制造领域，信息物理系统可以实现自动化生产、智能化工厂、自动化物流等，提高生产效率和质量，减少生产成本和资源浪费。
国家非常重视信息物理系统的发展，出台了一系列相关政策。
其中，《“十四五”数字经济发展规划》中明确提出推进信息物理系统关键技术研发及产业化。
此外，各地政府也出台了相关政策，支持信息物理系统的研发和产业化。
例如，2023年6月24日，深圳市人民政府发布的《关于发展壮大战略性新兴产业集群和培育发展未来产业的意见》，将信息物理系统列为未来产业的重要发展方向之一，并提出要加强核心技术攻关，推动产业化发展。
除了上述提到的国家政策，还有一些其他相关的国家政策涉及到信息物理系统的不同方面。
《中国制造2025》：作为中国的国家级战略，该政策强调了制造业的转型升级，并提出了通过发展智能制造、工业互联网等手段提高制造业的竞争力。
信息物理系统CPS
信息物理系统
信息物理系统（Cyber Physical System，CPS），也有人称为信息物理融合系统。
CPS概念最早是由美国国家基金委员会在2006年提出，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（Computation、Communication、Control）的融合。
2008年美国加利福尼亚大学的E.Lee在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成，嵌入式计算机和网络监测、控制物理过程，系统通常具有物理过程影响计算、计算也影响物理过程的反馈循环。
从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的核，以及物理环境中的结构所监测和控制。
华东师范大学何积丰院士在2010年6月《中国计算机学会通讯》发表综述CPS的文章，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。
”。
简述信息物理系统 (CPS) 及其网络安全风险
简述信息物理系统(CPS) 及其网络安全风险本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
摘要：本文首先详细介绍了信息物理系统（CPS）的概念及其特点，其次简要概述了CPS的网络安全保护措施以及针对CPS的攻击及隐私泄露问题，并给出了典型的具体案例。
当前关注的重点应当放在那些有针对性的专门攻击CPS系统并可能造成物理损害的网络攻击。
一、信息物理系统概述Cyber-PhysicalSystems(CPSs)即信息物理系统，它是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，信息物理系统这个概念与物联网概念相似，但与物联网相比，信息物理系统更注重强调控制。
CPSs这个词是2006年由美国国家科学基金会（NSF）的海伦·吉尔首次进行详细的描述，其认为信息物理系统是通过计算核心（嵌入式系统）实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。
信息物理系统的功能由计算和物理过程交互实现。
此后得到美国政府和科学界的高度重视，随后各个国家都提出了相似的技术框架和相应的标准，其中最具代表性的包括“德国工业4.0”和“中国制造2025”。
CPSs存在于众多嵌入式计算机和通信技术的物理系统的自动化行业，包括航空航天、汽车、化工生产、民用基础设施、能源、医疗、制造业、新材料和运输等领域。
CPSs主要包括3个部分，这三个部分为感知层、数据传输层（网络层）和应用控制层。
感知层主要是由传感器、控制器和采集器等设备组成。
感知层中的传感器是作为信息物理系统的末端设备，其主要作用是采集环境中的信息数据，并且定时的发送给服务器，服务器在接收到数据之后作出相应的处理，再返回给物理末端设备作出相应的变化。
数据传输层主要是连接信息世界与物理世界的桥梁，主要实现的是数据传输，为系统提供实时的网络服务，保证网络分组实时可靠。
应用控制层则是根据认知结果，将物理设备传回来的数据进行分析，并以可视化的客户端界面呈现给客户。
信息物理融合系统研究综述
信息物理融合系统研究综述信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems, CPS）是现今科技领域的一个热门话题。
CPS代表了计算和物理世界的深度融合，通过这种融合，我们可以在系统级别上理解和优化我们的环境和行为。
本文将探讨CPS的基本概念、研究现状、应用领域，以及未来的研究方向。
CPS的基础是信息科学和物理科学的交叉。
信息科学于数据的获取、处理和分析，而物理科学则研究物质的性质、结构和运动。
CPS将这两者结合，使得我们可以通过计算和智能化的方法对物理世界进行精确的建模、预测和控制。
近年来，CPS的研究已经涵盖了许多领域，包括自动化控制、机器人技术、制造系统、交通系统、医疗健康等。
这些研究工作不仅在学术上推动了CPS理论的发展，也为实际应用提供了强大的支持。
在自动化控制领域，CPS被广泛应用于实现高精度的实时控制，例如在工业制造和无人驾驶系统中。
在机器人技术领域，CPS使得机器人能够进行自主决策和动态适应环境。
在制造系统方面，CPS可以提高生产效率、降低能源消耗，并实现个性化生产。
CPS的应用领域十分广泛，并且已经深入到我们生活的方方面面。
例如，智能家居中的各种设备可以通过CPS进行集中控制，实现节能和便捷的生活方式。
在智能交通领域，CPS可以实时预测和调整交通流量，以减少拥堵和提高效率。
在未来，我们预期CPS将会有更广泛的应用，包括但不限于智能城市的建设、智能农业的发展，以及远程医疗的实现。
这些应用将会极大地改善我们的生活质量和社会效率。
尽管CPS已经取得了许多成果，但仍然存在许多挑战和问题需要解决。
例如，如何保证CPS的安全性和隐私性？如何处理CPS中的大规模数据和复杂模型？如何设计和实施可扩展、可互操作的CPS？这些都是未来研究的重要方向。
随着物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的发展，CPS将会与这些技术产生更多的交叉。
例如，我们可以利用AI进行CPS的自主控制和决策，或者利用IoT实现CPS的全面感知和动态交互。
CPS简介
CPS (信息物理系统(CPS, Cyber Physical Systems)信息物理系统(CPS, Cyber Physical Systems)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术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。
CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。
CPS将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。
它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如机器人，智能导航等。
近年来，CPS不仅已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向，预计也将成为企业界优先发展的产业领域。
开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。
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。
基于此项研究的报告《站在风暴之上》随后发布。
在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统CPS列为重要的研究项目。
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8大关键的信息技术，其中C PS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，NIT与社会科学。
欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能电子系统的世界领袖。
CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。
CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。
CPS(物理信息系统)介绍
CPS系统介绍Cyber-Physical System定义CPS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介绍视频信息世界是指工业软件和管理软件、工业设计、互联网和移动互联网等；物理世界是指能源环境、人、工作环境、局域通信以及设备与产品等。
信息世界与物理世界交汇融合形成且能够自我学习，自我判断，自我决策及学习成长的系统，这是我们追求的终极CPS介绍视频CPS 发展传感网IoT泛在计算环境智能嵌入式系统物理信息系统2002200520002006嵌入式(Embedded System)系统是软件和硬件的综合体，在某些情况下，还可以包括机械装置。
传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联。
物联网(The Internet of Things)指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。
传感网(Sensor Network)节点是传感器，通过自组织的方式构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理属性，实现特定区域的监测。
图解工业4.0的核心技术——信息物理系统（CPS）
概念最早由美国国家基金委员会于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主要指Computing、Communication信息世界指工业软件和管理软件、工业设计；物理世界指能源环境、人、工作环境信以及设备与产品等。
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网络根本上改变人类构建工程物理系统的方式。
CPS概念从上世年代的嵌入式系统演变而来。
经历1990年的泛在计算年的普适计算、2000年的环境智能，直到2006根据英国电气工程师协会（U.K. Institution of Electrical 的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备器或用于工厂运作的设备。
与个人计算机等通用计算机系统嵌入式系统通常执行带有特定要求的预先定义的任务由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，因此设计人员能对其减小尺寸降低成本。
一旦基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间发生相互作用，必将诞生全新的系统功能例如智能手机囊括许多应用和服务，备本身的通话功能。
由于全新的划时代应用和服务的提供商不渐渐形成新价值链，所以CPS也将对现有业务与市场模式带来范式上的转变。
是实现了多个软件对多个硬件控制的网络络功能主要实现控制目的，利用物联网、传感器的无线连接和实现进一步管理和控制。
条件下的智能工厂可以实现可视化生产传统的制造过程中存在许多无法定量的因素括加工过程中的设备性能下降、零部件的突发故障通过可视化实时监控生产数据，使得智能工厂管理者能够客观评估制造和设备的使用状态并通过管理实现预测性制造，起到降低成本改进产品质量的作用。
目前所说的制造业信息系统，首先强调计算机辅助设计）、CAM (Computer Aided4.0”通过CPS实现生产工艺与信息系统融合体现了生产模式从“集中型”到“分散型”的范式转变因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步同时，分散型智能利用代表了生产制造过程的虚拟世界与物理世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥连接了信息世界与物理现实世界，创造了一个真正的网络世界嵌入式系统与生产线上的物联网传感器是构成这些技术被称为“物理技术”。
信息物理系统cps的基本功能单元
信息物理系统cps的基本功能单元信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一种融合了计算机科学、通信技术和物理系统的新型系统。
它通过物理组件与计算机组件的紧密集成，实现了对实时数据的感知、处理和决策，从而使得物理系统能够智能化、自主化地运行。
CPS的基本功能单元是由物理组件和计算机组件组成的节点。
物理组件可以是传感器、执行器、机器人等，用于感知环境的物理量和执行特定的任务。
计算机组件则负责对物理组件进行控制、数据处理和决策。
在CPS中，物理组件通过传感器实时感知环境中的数据，并将数据传输给计算机组件进行处理。
计算机组件通过算法和模型对这些数据进行分析和推理，得出相关的知识和信息。
然后，计算机组件根据这些知识和信息制定相应的决策，并通过执行器将决策结果转化为物理行为。
CPS的基本功能单元还可以通过通信网络相互连接，形成一个分布式的系统。
这样，不同的节点可以共享自身感知到的数据和知识，进一步提升系统的智能性和决策能力。
通过网络连接，CPS可以实现物理组件之间的协同工作，例如协作机器人的协同运动和任务分配。
除了基本的感知、控制和决策功能，CPS还具有许多其他的功能，例如实时性、可靠性和安全性。
CPS需要能够实时地感知和处理环境中的数据，以及及时做出响应。
同时，CPS还需要能够保证系统的可靠性，即在物理组件出现故障或通信网络中断的情况下，仍然能够正常运行。
此外，由于CPS涉及到物理系统的控制和决策，安全性也是一个重要的考量因素。
总之，CPS的基本功能单元是由物理组件和计算机组件组成的节点，它们通过实时感知、数据处理和决策来实现智能化、自主化的运行。
通过网络连接，CPS可以实现分布式的协同工作。
此外，CPS还需要具备实时性、可靠性和安全性等功能。
Cyber Physical System(信息物理融合系统)
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CPS 重要性
PCAST在《挑战下的领先——竞争世界中的信 息技术研发》中列为8大关键的信息技术之首
CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列 现有产业布局。不亚于一场工业革命
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CPS的前景
广阔的应用领域
智能交通系统 医疗设备系统 能源保护 环境监控 航空航天软件 关键基础设施（电力、水） 节能建筑
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美国2008年成立CPS指导小组，把CPS应 用放在交通、国防、能源、医疗、农业 和大型建筑设施等方面。
列入美国国家科学基金会(NSF)和欧洲第 七框架(FP7)的大型科研资助计划中
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国内，CPS技术还刚刚兴起，还需较长时 间的发展和培育。
目前上海已在智能交通领域开展类似试 点。
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与嵌入式系统相比
嵌入式系统侧重在处理器上运行，是一种在有 限资源环境下的优化技术。
CPS是计算与物理成分的集成，相当于嵌入式 系统+网络+控制，是嵌入式系统的发展方向 和研究热点。
CPS将计算和通信能力嵌入到传统的物理系统 之中，导致了计算对象的变化。它作为计算进 程和物理进程的统一体，集成了计算、通信与 控制于一体，是一个智能系统。
分布式控制 多速率嵌入式系统
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IV. MULTI- DOMAIN DIRECTION OF INQUIRY V. CONCLUSION
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INTRODUCTION
CDIO conceive design implement operate
PBL Progect-based Learning
信息物理系统的发展
信息物理系统的发展信息物理系统（CPS）是计算资源（如计算机、传感器、数据等）和物理资源（如设备、机器人、能源等）的集成，通过通信、数据交换和共享，实现复杂系统的高效、智能、自适应和可靠运行。
近年来，信息物理系统的发展取得了显著的进步，为工业自动化、智能制造、智慧城市等领域的发展提供了强有力的支持。
一、信息物理系统的技术进步随着物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展和融合，信息物理系统的技术也在不断进步。
物联网技术：物联网是信息物理系统的基础，通过物联网技术，可以实现物理设备的互联互通，实现数据的实时采集和共享。
云计算技术：云计算为信息物理系统提供了高效的计算和存储资源，可以实现大规模数据的处理和分析，提高系统的响应速度和效率。
大数据技术：大数据技术可以对海量的数据进行处理和分析，挖掘出更多的价值信息，为决策提供更加准确的数据支持。
人工智能技术：人工智能技术可以实现对数据的深度学习和模式识别，实现系统的智能化和自主决策，提高系统的自适应性和可靠性。
二、信息物理系统的发展趋势未来，信息物理系统将会朝着更加智能化、自主化、协同化的方向发展。
智能化：未来的信息物理系统将会更加智能化，通过人工智能等技术，实现系统的自主决策和自我优化，提高系统的效率和可靠性。
自主化：未来的信息物理系统将会更加自主化，通过自动化和智能化的技术，实现系统的自主控制和管理，减少人工干预和操作。
协同化：未来的信息物理系统将会更加协同化，通过多系统、多设备的协同工作，实现系统的整体优化和协同控制，提高系统的整体效率和性能。
三、信息物理系统的应用前景信息物理系统具有广泛的应用前景，未来将在工业制造、智慧城市、智能交通、医疗健康等领域得到更广泛的应用。
例如：在工业制造领域，信息物理系统可以实现工厂的自动化和智能化生产，提高生产效率和产品质量；在智慧城市领域，信息物理系统可以实现城市管理的智能化和精细化，提高城市管理和服务水平；在智能交通领域，信息物理系统可以实现交通信号的智能化控制和交通信息的实时共享，提高交通运行效率和安全性；在医疗健康领域，信息物理系统可以实现医疗设备的互联互通和医疗数据的共享利用，提高医疗诊断和治疗水平。
能源互联网的信息物理系统
能量流 信息流
风力
控制中心
水力
生物 能源 局域网 能源 局域网 能源互联网的信息物理系统（CPS）
控制
采用集中与分布结合的系统控制架构
主要是考虑能源互联网的系统复杂性及各能源局域网的高度自治能
力，构建能源用户局部利益 与能源系统全局利益 相协调的集中与分 布相结合的系统控制架构，为实施多层级交叉的能量管理与协同控 制奠定基础。
能源互联网是通过能源技术与信息技术的深度融合 ，逐渐形成的 以电力为核心，涵盖供电、供热、供冷、供气、电气化交通等多 个复杂系统的综合能源网络，必将要求其是一个 信息物理系统， 以保证能源互联网的 灵活性、自治性、可靠性、经济性和安全性。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
信息流 能量流
计算中心
基于能源互联网大数据的类型、特点及分析需求，重点突破平台体
系架构、大数据建模、大数据存储和大数据分析等关键技术，构建 能源互联网大数据处理分析平台。
研究提出支持横向扩展， 具有分布、并行、高效等 特点，且面向服务的支持 大数据工程全生命周期活 动的平台体系架构。 研究提出合理的集群存储 资源映射方法，建立基于 Hadoop分布式文件系统 的大数据存储机制。
能源互联网的信息物理系统（CPS）
• • • • •
感知
构建高级量测体系（AMI）
主要以支持智能计量终端的 双向化、智能化、多功能化、多表计化
发展为目标，为能源分时定价、用户需求侧响应、多种能源协调互 补等奠定基础。 高级量测体系
• • • • • 完善智能电表等智能计量 终端的计量功能 增强智能计量终端的监控 互动能力 拓展计量数据的应用范围 加强与其它系统的信息集 成能力 …
析影响各层通信可靠性和网络安全性的因素；对传统电网通信网络 的通信协议分析, 根据能源互联网信息物理系统的体系结构改进或重 新设计通信协议。
信息物理融合系统(cps)原理
信息物理融合系统(cps)原理Cyber-physical systems (CPS) are integrated systems of communication and computation that monitor and control physical processes. 信息物理融合系统（CPS）是集成的通信和计算系统，监控和控制物理过程。
These systems are at the forefront of technological innovation, with applications in a wide range of industries, including healthcare, transportation, energy, and manufacturing. 这些系统处于技术创新的前沿，应用于包括医疗保健、交通运输、能源和制造业在内的广泛行业。
One of the key principles behind CPS is the integration of real-time data from physical systems with computational models and algorithms to make intelligent decisions. CPS的一个关键原理是将物理系统的实时数据与计算模型和算法集成，以做出智能决策。
By combining the physical and digital worlds, CPS has the potential to revolutionize the way we interact with the environment, paving the way for more efficient and sustainable processes. 通过结合物理和数字世界，CPS有可能彻底改变我们与环境互动的方式，为更高效、更可持续的过程铺平道路。
信息物理系统
机遇与挑战
• 但CPS带来的挑战也是物联网 所无法比拟的。这些挑战很大 程度上来自控制与计算之间的 差异。
机遇与挑战
• 通常，控制领域是通过微分 方程和连续的边界条件来处 理问题，而计算则建立在离 散数学的基础上;控制对时间 和空间都十分敏感，而计算 则只关心功能的实现。通俗 地说，搞控制的人和搞计算 机的人没有“共同语言”。 这种差异将给计算机科学和 应用带来基础性的变革。
CPS应用覆盖了小到智能家庭 网络大到工业控制系统乃至智能交通 系统等国家级甚至世界级的应用，这 种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连 在一起，而是要催生出众多具有计算、 通信、控制、协同和自治能力的设备。 因此CPS的发展将面临着巨大的挑战， 但机遇也是无限的。
目前，国内从事CPS研究的机构 不多，其中西北工业大学，大连理工 大学，电子科技大学等高校先后成立 了CPS研究组。
CPS深度结合嵌入式实时系统， 集传感，控制，计算及网络技术于一 体，通过网络将信息系统与物理系统 连接在一起，构成一种大型的分布式 实时系统。CPS体系架构可分为：感 知层，网络层，认知层，控制层。
CPS发展
• CPS在对网络内部设备的远 程协调能力、自治能力、 控制对象的种类和数量， 特别是网络规模上远远超 过现有的工控网络。
CPS发展
• 在资助CPS研究上扮演重要角 色的美国国家科学基金会(NSF) 认为，CPS将让整个世界互联 起来。“如同互联网改变了人 与人的互动一样，CPS将会改 变我们与物理世界的互 动。”NSF计算机与信息科学 和工程总监Branicky表示。
cps
连接人物体和系统
CPS定义
• 信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)作为计算进程 和物理进程的统一体，是集成 计算、通信与控制于一体的下 一代智能系统。信息物理系统 通过人机交互接口实现和物理 进程的交互，使用网络化空间 以远程的、可靠的、实时的、 安全的、协作的方式操控一个 物理实体。
1.信息物理系统(CPS)安全技术研究
S {s1 , s2 ,..., sN }
X { x1 , x 2 ,..., xt }, xt S
V {v1 , v2 ,..., vM }
Y { y1 , y2 ,..., yt }, yt V
N N
观察矩阵： Q q
pij P ( xt 1 s j | xt si ),1 i, j n
一、信息物理系统简介
CPS的核心概念
数据存储、分析、处理
传感器网络 泛在通信网络
控制执行器 协调控制
一、信息物理系统简介
CPS的组成
CPS由传感器节点、执行器节 点、传感器与执行器组合节点、计算 系统和控制系统等组成。
CPS的通信网络可以逻辑地视为由 传感器网络、执行器网络、计算机 网络构成的组合通信网络。
二、信息物理系统信息安全
CPS系统安全架构
为了实现安全互联互通，提出了一种适合信息物理系统的安全架构，从 底向上（从物理世界到信息世界），分别为数据接收层、网络访问层、数据管 理层、智慧服务层简介
二、信息物理系统安全综述
三、信息物理系统信息安全测评
三、信息物理系统信息安全测评
一、信息物理系统简介
CPS的典型逻辑框架
一、信息物理系统简介
CPS基本逻辑功能
实时处理 智能控制
可靠传输
全面感知
一、信息物理系统简介
CPS相关子系统
一、信息物理系统简介
软件密集系统
概念：系统中的软件在系统研制费用、研制时间或系统功能特性等 一个或多个方面占主导地位的系统。 特点：面向信息、面向知识。 发展难点：随着软件密集系统规模的增长，其可靠性问题逐渐凸显 ，成为限制其发展的难点。
信息物理系统的特征
信息物理系统的特征信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是由计算和通信组件与物理组件相互交互构成的系统。
这些系统将计算、通信和控制功能深度融入到物理系统中，使得物理系统能够感知、理解和响应环境的变化。
1.综合性：信息物理系统融合了计算、通信和控制技术，具有综合的功能和性能。
它能够收集、处理和传输大量的数据，同时通过控制算法将这些数据转化为对物理系统的控制信号。
2.实时性：信息物理系统通常需要在实时环境下运行，对数据的采集和响应速度要求高。
它能够及时感知环境的变化，并根据变化调整物理系统的控制策略。
3.多样性：信息物理系统可应用于各种不同的领域，如智能交通、智能电网、智能制造等。
它能够适应不同领域的需求，灵活应用各种技术手段和算法。
4.可靠性：信息物理系统对于实时性、安全性和可靠性的要求较高。
它需要保证数据的传输可靠，控制算法的安全性，系统的稳定性和鲁棒性。
5.互联性：信息物理系统通常是由多个分布式系统组成，这些系统往往是网络化的，能够通过网络相互连接，并且能够和互联网进行通信。
这使得信息物理系统能够获取远程数据，并将控制信号传输到远程设备。
6.复杂性：信息物理系统通常具有高度复杂的结构和关联，由多个软硬件组件组成。
它们需要智能的协调和管理，以实现系统整体的高性能和高效能。
7.自适应性：信息物理系统能够在运行过程中根据环境的变化和任务的要求进行自适应。
它可以通过学习和优化算法来适应不同的工作场景和任务需求。
8.安全性：信息物理系统需要保证数据的安全性和系统的安全性。
对于数据的传输和存储，它需要采用安全的加密和认证机制。
对于系统的控制和操作，它需要有安全的访问控制和权限管理。
总而言之，信息物理系统是一种融合了计算、通信和控制技术的系统，具有综合性、实时性、多样性、可靠性、互联性、复杂性、自适应性和安全性等特征。
通过这些特征，信息物理系统能够实现对物理世界的感知、处理和控制，为许多领域的自动化和智能化提供了技术支持。
《信息物理系统》PPT课件(47页)
《信息物理系统》PPT课件(47页)第一部分：信息物理系统的概述信息物理系统（CyberPhysical Systems, CPS）是将物理过程与计算过程紧密结合的系统，通过感知、计算、通信、控制等技术实现物理世界与信息世界的深度融合。
CPS具有实时性、可靠性、安全性和可扩展性等特点，广泛应用于工业自动化、智能交通、智慧城市、医疗健康等领域。
1. 信息物理系统的定义与特点实时性：CPS能够实时感知物理过程的状态，并做出快速响应。
可靠性：CPS能够保证系统的稳定性和可靠性，即使在异常情况下也能正常运行。
安全性：CPS能够保证系统的安全性，防止恶意攻击和信息泄露。
可扩展性：CPS能够方便地扩展系统的规模和功能，满足不断变化的需求。
2. 信息物理系统的组成物理实体：物理实体是CPS中实际执行任务的物理设备，如传感器、执行器、机器等。
计算系统：计算系统是CPS中负责数据处理、信息融合、决策控制等功能的计算设备，如计算机、嵌入式系统等。
通信网络：通信网络是CPS中连接物理实体和计算系统的通信设备，如无线传感器网络、工业以太网等。
软件系统：软件系统是CPS中负责实现各种功能的软件程序，如操作系统、应用程序、中间件等。
3. 信息物理系统的关键技术信息物理系统的实现需要依赖于多种关键技术，包括：传感器技术：传感器技术用于感知物理世界的信息，并将信息转换为数字信号。
嵌入式系统技术：嵌入式系统技术用于实现CPS中的计算和控制功能。
网络通信技术：网络通信技术用于实现CPS中物理实体和计算系统之间的信息交换。
软件技术：软件技术用于实现CPS中的各种功能和应用。
4. 信息物理系统的应用领域信息物理系统已经在多个领域得到了广泛应用，例如：工业自动化：CPS可以提高工业生产的自动化水平和效率，降低生产成本。
智能交通：CPS可以实现交通流的实时监控和智能调度，提高交通效率和安全性。
智慧城市：CPS可以实现城市基础设施的智能化管理，提高城市运行效率和居民生活质量。
CPS信息物理系统介绍
课程设计课程名称新技术专题题目名称CPS信息物理系统学生学院专业班级学号学生姓名指导教师2014年12 月12 日目录一、CPS系统定义与意义 ------------------------------------------- 31、CPS系统定义---------------------------------------------- 32、CPS的意义------------------------------------------------- 3二、嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系--- 4三、CPS技术特点 ---------------------------------------------------- 4四、CPS研究热点 ---------------------------------------------------- 4五、CPS基本功能单元与系统架构 ------------------------------- 51、CPS基本功能单元---------------------------------------- 52、系统架构---------------------------------------------------- 6六、CPS在智能电网上的应用 ------------------------------------- 71、智能电网定义 -------------------------------------------- 72、CPS在智能电网中的优势------------------------------- 7七、CPS的发展与展望 ---------------------------------------------- 71、CPS发展---------------------------------------------------- 72、CPS研究展望---------------------------------------------- 8八、CPS的机遇与挑战 ---------------------------------------------- 9九、CPS相关实例实例 ---------------------------------------------- 9一、CPS系统定义与意义1、CPS系统定义信息物理系统（CPS,Cyber-Physical Systems ）是一个结合电脑运算领域以及传感器和致动器装置的整合控制系统。
信息物理系统CPS简介及应用领域探索
信息物理系统（CPS）简介及应用领域探索概述：信息物理系统（（CPS）是指由计算机科学和工程学领域的计算、网络和软件技术与物理学科的传感、控制和嵌入式系统技术相融合的一种新型智能系统。
它将物理系统与信息系统相融合，通过实时感知、分析和响应环境的物理状态来实现智能化的自适应控制和决策。
CPS不仅仅是传感器和执行器的简单连接，而是将各个组件通过网络连接起来，并且通过数据交互来实现互联互通。
应用领域：CPS技术在多个领域都具有广泛应用的潜力。
其中最重要的应用领域之一是智能交通系统。
CPS可以通过实时感知和分析交通状态、优化路线和调整信号灯等方式，提高交通效率、减少交通拥堵。
另一个重要的应用领域是智能制造系统。
CPS 可以实现生产线的自动化和智能化控制，通过实时传感器数据监测和分析，对生产过程进行优化和调整，提高生产效率和产品质量。
此外，CPS还被广泛应用于智能家居、智能健康监测和医疗系统等领域。
挑战与展望：在CPS技术的发展与应用过程中，仍然面临一些挑战。
首先是安全性和隐私保护的问题。
CPS的各个组件都通过网络连接，这给系统的安全性带来了新的挑战。
另外，CPS中涉及到大量的数据收集和处理，如何保护用户的隐私也是一个重要问题。
其次，CPS的复杂性也是一个难以克服的挑战。
CPS涉及到多个学科的交叉，系统的设计和组件的集成非常繁琐和复杂。
然而，CPS技术仍然具有广阔的应用前景。
随着物联网技术的快速发展，CPS将会在更多领域实现应用，从交通、制造到医疗、农业等多个领域都将受益于CPS的智能化控制和决策。
通过CPS的应用，可以实现资源的合理利用、提高生产效率、改善生活质量等目标。
结论：信息物理系统（（CPS）的出现将物理系统与信息系统相融合，通过实时感知、分析和响应环境的物理状态来实现智能化的自适应控制和决策。
CPS的应用领域广泛，涵盖了交通、制造、家居、健康监测等多个领域。
尽管面临一些挑战，CPS技术仍然具有广阔的应用前景，将为我们的生活和工作带来巨大的变革。
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研究热点（三）
一、安全性问题
与互联网类似，CPS网络也面临传统的网络威 胁，因此安全与隐私问题也是目前的研究热点。 像现有的拒绝服务攻击、僵尸网络、身份欺骗、 信息窃取等网络攻击手段，都是CPS可能遇到的 问题，且由于CPS网络涉及各种物理节点(如传感 器等)，攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使 系统接收到虚假信息，这些安全问题都是CPS网 络需要解决的问题。
要用于不同网络协议和网络体系结构的转换，相当于异构 网络的中间转换服务器。不同公司生产的、功能各异的、 甚至编码方式和硬件都不兼容的设备，通过中间件服务器 可以将异质信息转化为同质，无障碍地进行数据交换。
系统架构
应用层
应用层是面向用户的一个一体化平台，该层将网络层和物
理层的详细信息封装成为不同的应用模块，使用户不用关
CPS研究展望
CPS网络是一种全新的局部操控、全局控制，具有多学 科交叉应用的混合网络，作为一种全新的组网方式，CPS网 络在众多领域如个人医疗救助、智能交通、环境监测等具有 巨大应用潜力，并对未来人们生活方式带来深远的影响与深 刻的变化．预计CPS网络领域未来一段时间内研究的重点方 向包括： 1)网络控制与中间件
嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系
传感网(Sensor Network)节点是传感器，通过自组织的方式
构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强 度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理 属性，实现特定区域的监测。 CPS简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能， 其核心是3C融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功 能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。 物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感 知，这对于CPS来说太过简单，CPS需要实现的是感控，也 就是说，CPS不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对 设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。
系统架构
网络层
网络层将物理层的大量异构CPS单元实现互联互通，并支
持CPS单元之间的互操作。网络层是CPS实现资源共享的 基础。CPS网络需要屏蔽掉物理层CPS单元的异构性，实 现无缝连接，为应用层提供资源共享的基础网络，以透明 的方式为用户提供即插即用式服务
网络层是由大量的中间件服务器组成的，这里的中间件主
2)网络连接向多层次发展 3)网络层次模型多样化
4)可供实验的完整网络实验平台
5)完整可实现的CPS系统
系统架构
物理层
物理层是CPS系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世
界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，CPS通过物 理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。
物理层由地理上分布的各种CPS单元组成，这里的CPS单
元可以是一个单独的CPS节点，例如一台手持终端PDA或 移动手机就是一个CPS单元。另外，一个CPS单元也可以 是一组CPS节点集合，如一组探测仓库温度的智能传感器 集合通过一个超级智能传感器组合连接入新一代网络与其 他CPS单元交互，这一组智能传感器被认为是一个CPS单 元，其中每个智能传感器是一个CPS节点。
6. 必须满足实时性、可靠性和安全性方面的要求
研究热点（一）
拥有众多复杂功能的CPS系统是多学科交叉的前沿研究领域，
其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、系统安全等
一、网络融合
现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、 Ad hoc网络、wi-Fi、WiMAX、无线传感网等，因 为每种网络的规模都很大，且结构与通信方式皆不 同，所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代 的可能，以达到互联互通的目的。因此，如何使各 种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互 通，是CPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。
技术特点
1. 信息世界与物理世界的交互协同、深度集成
2. 系统体系结构具有开放性、动态性和多维度的异构性特点
3. 同时存在时间、空间方面的约束，在时空层次上具备高度的 复杂性 4. 自主适应物理环境的动态变化，具备自适应、重配臵的能力 5. 信息世界与物理世界问存在反馈闭环控制，实现智能控制和
提供高质量的服务
研究热点（二）
二、节点接入与管理
CPS网络本身就是一个开放式的网络，允许 各种网络、各种节点自由接人、退出网络，对于 其他网络，CPS网络的规模更大，所以如何定位 节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由 是CPS网络通信的难题。而且，当前对节点的接 人与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网 络的节点管理的研究还很少，所以这也是一个亟 待解决的问题。
嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系
嵌入式(Embedded System)系统是软件和硬件的综合体，
在某些情况下，还可以包括机械装置。传统的物理设备通过 嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是 封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线 进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线 或者互联网进行互联。 物联网(The Internet of Things) 指通过射频识别、红外感 应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定 的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通 讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网 络。其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸 和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物 品与物品之间，进行信息交换和通讯。
系统架构
人机交互 知识库 资源管理 软件管理、 服务器 系统集成等 应用 软件 全局时 钟管理 实时 监控
应用层
物理世界 抽象、仿真、 信息处理 网络节点 提供 接受 感知、控制 CPS 单元 CPS 单元 监测事件 监测命令
网络层
新一代网络 网络节点
接受
CPS单元
控制指令
物理层
CPS 单元 物理世界
心低层细节而直接进行业务处理。
CPS在智能电网上的应用
一、智能电网定义 智能电网是包括各种发电设备、输配电网络、用电
设备和储能设备的物理电网为基础，将现代先进的传感
测量技术、网络技术、通讯技术、计算技术、自动化与 智能控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网。 它是一个完全自动化的供电网络，其中每一个发电设备、 每一个输配电设备用户(乃至用电设备)和每一个节点都 得到了实时监控，并保障从发电厂到用户端电器之间的 每一点上的电流和信息的双向流动。
CPS在智能电网上的应用
二、CPS在智能电网中的优势
CPS系统中的物理设备强调精确控制，实现远程交互和协
作，同时系统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 大型联网物理设备。这些特点决定了CPS系统在智能电网建 设方面将大有用武之地，通过CPS系统，能够从发电、输电、 变电、配电、用电、调度等方面实现精确控制、远程协作和 自治，从而为社会创造并节约宝贵的能源。
汇报内容
CPS系统定义
嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系
CPS的发展 技术特点 研究热点 基本功能单元
系统架构
CPS在行业中的应用 研究展望
定义
CPS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
发展
CPS是在嵌入式系统、传感器技术和网络技术的基础上发展
起来的，尤其是前两者的发展直接导致了CPS概念的提出。
CPS在继承IoT无处不在通信模式的基础上，更强调物体间的
感知互动，强调物理世界与信息系统间的循环反馈，它将地 理分布的异构嵌入式设备通过高速稳定的网络连接起来，实 现信息交换、资源共享和协同控制，具有广阔的市场前景和 巨大的经济效益，是未来网络演进的必然趋势
基本功能单元
CPS的基本组件包括传感器、执行器和决策控制单 元。基本组件结合反馈循环控制机制构成了CPS的基本 功能逻辑单元，执行CPS最基本的监测与控制功能
输入
决策控制单元
控制指令
执行器 传感器
控制量
被控对象
感知信息
系统架构
CPS系统是由众多异构元素构成的复杂 系统，对于不同行业的特定应用通常需要构 建特定的系统结构。但是从技术实现的角度 分析，一般可以将其分为物理层(PL)、网络层 (NL)和应用层(AL)。这样的结构仅反映了实现 技术的层次关系，实践中要包含的组成元素 可能千差万别，层间的联系与信息传递关系 也可能相当复杂。