信息物理融合系统的特性_架构及研究挑战_许少伦

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信息物理融合系统WCET分析工具与挑战

Information Technology •信息技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 247【关键词】信息物理融合系统 WCET 分析工具挑战1 信息物理融合系统WCET相关概念信息物理系统是这样一类系统：其通过集成先进的感知、计算、通信和控制等信息技术以及自动化控制技术，构建了物理世界与信息世界中人、机、物、环境和信息等因素通过高效协同适时交互以达到相互映射的复杂系统，其实现了系统里面资源自动配置和运行的三个需求：按需响应、快速迭代和动态优化。

信息物理融合系统具有实时的特性和需求，所以其调度需要以任务的WCET 作为输入之一，因此WCET 分析是CPS 任务调度的基础之一。

一个任务的最坏执行时间指的是此任务在特定的硬件平台上去执行所需要的时间长度的最大值。

最坏执行时间的分析是具有实时性要求的系统的调度分析中最重要的事情之一。

实时计算的主要特征是在给定时间内或在给定期限内完成计算的要求。

计算或执行时间通常在某种程度上取决于输入数据和其他可变条件。

然后重要的是找到最坏情况下的执行时间（WCET ）并验证它足够短以满足所有情况下的截止期限。

2 WCET分析的类别WCET 分析可以分成静态分析、动态测量和混合方法共3 类方法。

动态测量方法指的是直接在目标环境中运行程序，通过尽可能多的测试用例来得出程序的WCET 。

因此其测量工具有模拟器、逻辑分析仪和示波器等，主要应用在工业上。

静态分析方法则通过抓取和分析程序代码，综合程序所有可能的输入，系统运行状态和软硬件间平台及交互的前提下，对软硬件进行建模分析以确定其最坏执行时间，而无需真实地运行程序。

静态分析首先进行代信息物理融合系统WCET 分析工具与挑战文/罗韶杰张立臣码的高层分析和结合硬件的低层分析，然后通过3种方法之一求解WCET ，分别是基于路径的、基于隐藏路径的和基于语法树的分析方法。

信息物理系统

信息物理系统标题：信息物理系统：融合信息与物理的新时代摘要：信息物理系统以信息和物理的融合为核心，具有广泛的应用前景和研究价值。

本文将全面介绍信息物理系统的概念、特征、应用领域以及前景展望，探索信息物理系统对社会经济发展和科技进步的深远影响。

第一章：引言信息物理系统，即物理世界与信息世界的融合，是近年来新兴的跨学科领域。

信息物理系统以信息技术和物理技术为基础，将传感器、数据存储和处理、通信网络等相互关联起来，实现人与环境之间的智能连接和智能交互。

本章将介绍信息物理系统的背景和研究意义，为后续内容的展开做好铺垫。

第二章：信息物理系统的特征信息物理系统具有多个显著特征，包括高度集成化、实时性、自适应性、协同性和安全性。

本章将详细介绍这些特征，并通过实际案例解释其重要性和优势。

第三章：信息物理系统的应用领域信息物理系统在各行各业都有广泛的应用，本章将从农业、工业、交通、医疗等领域出发，展示信息物理系统的应用场景和具体实例。

特别强调信息物理系统在解决现实问题和提升生产力方面的巨大潜力。

第四章：信息物理系统的发展趋势信息物理系统在科技发展和社会进步中将扮演重要角色，本章将分析信息物理系统的发展趋势和前景，并探讨其可能带来的变革和挑战。

同时，提出在政策、技术和人才培养等方面应采取的举措。

第五章：信息物理系统对社会经济发展的影响信息物理系统的应用广泛，其深远的影响不仅局限于技术层面，还涉及社会经济发展和人类生活的各个方面。

本章将从多个维度分析信息物理系统对社会经济的影响，包括经济增长、产业升级、人类生活质量等。

第六章：总结与展望本章将对全文进行总结，并对未来信息物理系统的发展进行展望。

强调信息物理系统在人类社会发展中的重要作用，同时指出信息物理系统仍然面临的挑战和需要解决的问题。

结论：信息物理系统是信息和物理紧密结合的新时代产物，具有广泛的应用领域和研究价值。

通过不断推动信息技术和物理技术的交叉融合，信息物理系统将在未来为社会经济发展和科技进步提供强大支持，引领我们进入一个更加智能化、高效和可持续发展的未来。

信息物理融合系统的相关研究

信息物理融合系统的相关研究作者：梁昂昂来源：《科学与财富》2018年第08期摘要：信息物理融合系统CPS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。

本文主要阐述CPS的基本概念，对CPS系统的现有研究成果进行分析，总结我国CPS系统发展中的问题，并指明今后的发展方向。

关键词：信息物理融合系统实时感知动态控制随着计算科学、数据处理等技术的发展，物理过程中的计算过程、通信过程已经实现了高度集中和物理装置的网络化、神经化、信息化，由此产生了信息物理融合系统，简称CPS系统。

CPS系统可以对物理信息（反映环境、性质等状态的参数）的实时感知、动态处理与反馈机制，可实现对物理过程的自动化控制，达到类人的智能效果。

一、CPS的基本概念与来源自二十世纪六十年代以来，电子技术，计算技术和网络技术等取得了飞速发展，特别是网络技术的革新成为了这场方兴未艾的伟大IT革命的重要动力源泉。

网络的规模及其新应用领域正日益得到扩展，其最引人举目的是新网络技术和物理设备系统的结合。

随着传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、各种消费类和工程类电子设备等物理设施的大量接入，新型计算机化和网络化的物理设备系统网络的规模得以急剧膨胀。

同时，随着国家大型电力网络、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗与社区医保网络、海洋搜寻与救援网络等大型或者特大型网络物理设备系统的蓬勃发展，以及网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、心房脉冲产生器、纳米级制造控制系统等小型或者微型网络物理设备系统的出现，突破了传统物理领域中的网络应用形式，使得用联网计算方式来整合物理系统和计算系统以实现物理设备的功能扩展成为物理系统发展的新趋势，并由此导致出现了新一代的并由此导致出现了新一代的工程系统：信息物理融合系统。

信息物理融合系统

（ｈｎｏｇＫｙＬｂｒｔｙｏｕｏｏｉｌｔｎｃ，ｎｔｕＡｔｔｎＳａｄｎｅａｏａｏｒｆＡｔｔｅＥｅｒｉＩｓｔｔｍｖｃｏｓｉｅｕｏｉ，ｍａｏＳａｄｎｃｄｍ厂ｃｎｅ，ｉａ５０４ＣｉａｈｎｏｇＡａｅｙｏＳｉｃｓＪｎ２０１，ｈｎ）ｅｎ
生活的各个领域广泛存在，其典型应用有通信系统、飞机控制系统、汽车电子、家电、武器装备、电子玩具等。
随着计算、网络和控制技术的发展，以及现代工业需求的提高，物理设备提出了信息化和网络化的需求，对由于传统的嵌入式系统是封闭的，没有外留运算接口，能满足现在物理设备可控、并不可信和可扩展等功能需求，使得集计算、这通信和控制能力于一体的信息物理融合系统（ｙｅ—ｈｓａＳｓｍ，ＣＳ成为物理设备ＣｂｒｐｙｉｌｙｔｓＰ）ｃｅ
信息理融合系统物
刘祥志，刘晓建，王知学，成巍，李建新
（山东省科学院自动化研究所，山东省汽车电子技术重点实验室，山东济南２０１）５０４摘要：信息物理融合系统（Ｐ）ＣＳ被认为是继计算机、联网之后信息技术的第三次浪潮。本文围绕ＣＳ的核互Ｐ心内容３ｓ计算、Ｃ（通信、制）介绍ＣＳ的研究现状，控，Ｐ阐述嵌入式系统、物联网、传感网与ＣＳ的区别和联Ｐ系，分析ｃｓ发展中面临的巨大挑战，Ｐ阐明其中基本的科学与技术问题，并以ｃｓ在汽车电子和智能电网上Ｐ的典型应用为例，明ｃｓ国民经济发展的深远影响。说Ｐ对

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。

信息物理融合系统的结构与特征

188 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering数据库技术• Data Base Technique【关键词】信息物理融合系统物理科学分析研究1 信息物理融合系统的理论支持体系信息物理融合系统，也就是现阶段人们常说的CPS 技术，利用计算、通讯以及调控技术有机结合，从而将电子计算机资源和物理学科密切地融合在一起，形成崭新的智能系统。

微观层面，信息物理融合系统在物理学科中应用了电子计算机和通讯内核，以满足电子计算机程序和物理系统全面朝着一体化方向发展，二者有机结合，利用反馈循环的方法互相影响，满足了嵌入式的互联网络对物理系统程序进行实时稳定地检测和调控。

宏观层面，信息物理融合系统工作在不同时间和空间的分布式、异布系统中，涵盖了感知、决策以及调控等类型的可编辑程序，各个子系统利用有限或无限通讯手段，凭借网络基础设备进行相互协调工作，有效满足了对物理系统的远程协调感知，从而为人们提有效服务。

2 信息物理融合系统的整体结构信息物理融合系统基础组件中包含传感设备、执行设备以及决策调控设备。

其中，传感设备是一类嵌入式器材，可以精准地检测到外部讯号、光、热等物理信息以及烟雾等化学成分；执行设备也是嵌入式器材，可以在第一时间接收到调控命令，并对调控对象加以处理；而决策调控设备则是一类逻辑调控器材，可以依据用户自定义的语序生成调控逻辑。

基础组件的协调结合运行，组合形成了循环调控体制，进一步形成了信息物理融合系统的基础性能逻信息物理融合系统的结构与特征文/赖丹丹张立臣辑层面，进而执行最基础的检测和调控性能，系统实际运行过程中，传感设备和执行设备是物理计算空间纬度的接入端，决策调控层面依据调控规则安排检测工作，进而再将所收集到的数据信息反馈到决策调控层面，作为调控规则算法的录入经过计算获取调控命令，进而执行设备再依据调控命令对物理对象进行调控。

信息技术与物理学科融合

信息技术与物理学科融合随着科技的不断进步和发展，信息技术和物理学科的融合已经成为了一个重要的研究领域。

信息技术作为一门涉及信息处理和传输的学科，与物理学科的关联紧密。

本文将探讨信息技术与物理学科融合的意义、应用领域以及未来发展趋势。

信息技术与物理学科的融合具有重要的意义。

在信息时代，信息的处理和传输已经成为了社会发展的基石。

物理学科作为自然科学的重要组成部分，研究物质和能量的运动规律，为信息技术的发展提供了理论基础。

将信息技术与物理学科融合，可以更好地利用物理学的原理和方法，提高信息技术的效率和可靠性。

信息技术与物理学科的融合在多个领域得到了应用。

其中一个重要领域是通信技术。

通信技术是信息技术的重要应用领域，而物理学为通信技术的发展提供了关键的支撑。

例如，光纤通信技术利用了物理学中的光学原理，实现了高速、大容量的信息传输。

另外，无线通信技术的发展也离不开物理学的支持，物理学中的电磁波理论为无线通信技术的设计和优化提供了理论基础。

另一个重要领域是能源技术。

能源是社会发展的基础，而信息技术与物理学科的融合为能源技术的研究和应用提供了新的方向。

例如，信息技术的发展可以提高能源系统的智能化程度，实现能源的高效利用和管理。

同时，物理学在能源技术中的应用也日益重要，例如太阳能电池、风力发电等利用了物理学的原理，实现了可再生能源的利用和开发。

信息技术与物理学科的融合还在其他领域得到了广泛应用。

例如，在医学领域，信息技术的发展为医疗设备的智能化和远程监测提供了可能，而物理学的成果也为医学成像技术的发展做出了贡献。

在环境监测和控制方面，信息技术与物理学科的融合可以实现对环境的实时监测和控制，提高环境保护的水平。

在交通运输领域，信息技术与物理学的融合可以实现智能交通系统的建设，提高交通运输的效率和安全性。

未来，信息技术与物理学科的融合仍将持续发展。

随着科技的进步，新的物理学原理和方法将不断涌现，为信息技术的发展提供新的机遇和挑战。

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。

信息物理系统CPS

信息物理系统CPS在当今科技飞速发展的时代，信息物理系统（CPS）正逐渐成为推动各领域创新和变革的关键力量。

或许对于很多人来说，“信息物理系统”这个名词还稍显陌生，但实际上它已经在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。

那么，究竟什么是信息物理系统呢？简单来说，信息物理系统是一个将计算、通信和控制技术深度融合的系统，它实现了物理世界和信息世界的交互与协同。

想象一下，一辆自动驾驶汽车，它不仅能够感知周围的环境，还能根据实时数据进行决策和控制，从而安全、高效地行驶。

在这个过程中，车辆上的各种传感器收集物理世界的信息，如道路状况、车辆位置和速度等，然后通过网络将这些信息传输到计算中心进行处理和分析，计算中心再根据分析结果向车辆的控制系统发送指令，实现车辆的加速、减速、转向等操作。

这就是一个典型的信息物理系统。

信息物理系统的核心在于“融合”。

它打破了传统上物理系统和信息系统之间的界限，使得两者能够紧密结合、协同工作。

在工业生产中，信息物理系统可以实现生产设备的智能化监控和管理。

通过在设备上安装传感器，实时采集设备的运行状态、温度、压力等数据，并将这些数据传输到控制中心，工作人员可以及时发现设备的故障隐患，提前进行维护和修理，从而大大提高生产效率，降低生产成本。

在医疗领域，信息物理系统可以为患者提供更加精准、个性化的医疗服务。

例如，智能血糖仪可以实时监测患者的血糖水平，并将数据自动传输到医生的电脑上，医生可以根据这些数据调整治疗方案，更好地控制患者的病情。

信息物理系统的发展离不开一系列关键技术的支持。

首先是传感器技术，它是信息物理系统获取物理世界信息的“眼睛”和“耳朵”。

传感器的精度和可靠性直接影响到系统的性能。

其次是通信技术，高效、稳定的通信网络是确保信息快速、准确传输的关键。

5G 技术的出现，为信息物理系统的发展提供了更强大的通信支持，使得海量数据能够在瞬间传输。

此外，云计算和大数据技术为信息物理系统提供了强大的计算和数据分析能力，人工智能技术则可以帮助系统实现智能化的决策和控制。

信息物理融合系统研究综述_王中杰

第37卷第10期自动化学报Vol.37,No.10 2011年10月ACTA AUTOMATICA SINICA October,2011信息物理融合系统研究综述王中杰1谢璐璐1摘要信息物理融合系统(Cyber-physical systems,CPS)是多维异构的计算单元和物理对象在网络环境中高度集成交互的新型智能复杂系统,具有实时、鲁棒、自治、高效和高性能等特点.本文首先介绍了CPS的概念和特征,综述了CPS的当前发展状况与应用前景;其次,对CPS的系统构成进行了简要分析,讨论了CPS与相关技术的区别与联系;最后,对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望.关键词信息物理融合系统,实时,高性能,嵌入式系统,网络控制DOI10.3724/SP.J.1004.2011.01157Cyber-physical Systems:A SurveyWANG Zhong-Jie1XIE Lu-Lu1Abstract Being a real-time and robust autonomous system with high performances,cyber-physical systems(CPS)are a kind of novel intelligent complex systems with diﬀerent scales of computation and physical components tightly integrated and interacted under the future networks.The notion and the characteristics of CPS as well as the development of this technology areﬁrst presented.Then,the technology framework of CPS and its relationship with other related systems and technologies are discussed.Finally,challenges to be dealt with for CPS are pointed out,and the future research directions are discussed.Key words Cyber-physical systems(CPS),real-time,high performance,embedded system,networked control嵌入式技术、计算机技术和网络技术的发展,为人类的生活带来了极大便利.但随着硬件产品性能和数据处理能力的不断提升,网络通信技术的飞速发展,计算机系统的信息化与智能化,人们对于各种工程系统和计算设备的需求已不仅仅局限于系统功能的扩充,而是更关注系统资源的合理有效分配和系统性能效能的优化,以及服务个性化与用户满意度的提升.在这种需求的引导下,信息物理融合系统(Cyber-physical systems,CPS)作为一种新型智能系统应运而生,并引起了各国政府、学术界和商业界的高度重视.CPS可以理解为基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统,它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自主协调等方面的能力,是时空多维异构的混杂自治收稿日期2010-04-14录用日期2011-05-17Manuscript received April14,2010;accepted May17,2011国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA040502),国家自然科学基金(71071116),上海市基础研究重点项目(10JC1415300)资助Supported by National High Technology Research and Devel-opment Program of China(863Program)(2011AA040502),Na-tional Natural Science Foundation of China(71071116),and Shanghai Key Project of Basic Research(10JC1415300)1.同济大学电子与信息工程学院上海2018041.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai201804系统[1−2].CPS在功能上主要考虑性能优化,是集计算、通信与控制3C(Computation,communica-tion,control)技术[3]于一体的智能技术,具有实时、安全、可靠、高性能等特点.相较于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统,CPS关注资源的合理整合利用与调度优化,能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控,并提供相应的网络信息服务,且更为灵活、智能、高效.CPS与人类的生活和社会的发展息息相关,是涵盖了小到纳米级生物机器人,大到全球能源协调与管理系统等涉及人类基础设施建设的复杂大系统. CPS的典型应用包括智能交通领域的自主导航汽车、无人飞行机;生物医疗领域的远程精准手术系统、自主计算与感控的植入式生命设备;以及智能电网、家庭机器人、智能建筑等,是构建人类未来智慧城市的基础.本文对信息物理融合系统这一新兴技术进行了概述.首先,介绍了CPS的概念和特点,综述了CPS的发展现状和应用前景;其次,对CPS的系统构成和理论基础进行了说明,分析了现有的CPS架构,讨论了CPS与计算机系统、嵌入式系统、网络控制系统和物联网等技术的区别与联系;最后,分析了CPS研究所面临的挑战,并对CPS的技术发展和应用实现进行了展望.1158自动化学报37卷1信息物理融合系统(CPS)1.1CPS的基本定义CPS的理念最早由美国自然基金委提出,该概念一经提出便获得了国内外的广泛关注.各国科研学者从CPS的理论方法、相关组件、运行环境、系统设计和实现等不同层面对CPS进行了深入研究.但由于CPS具有较高的复杂性,继承并融合发展了多个学科的不同技术,很难给出一个精确而全面的定义;加上不同领域的研究者对CPS的理解各异,短期内还未能完全达成共识.本文给出了几个较具代表性的定义:Lee[1]提出,CPS是一系列计算进程和物理进程组件的紧密集成,通过计算核心来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.Baheti等认为CPS是系统中各种计算元素和物理元素之间紧密结合并在动态不确定事件作用下相互协调的高可靠系统[2−4].Sastry[5]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.Branicky和Krogh等[6−7]则从嵌入式系统和设备开发的角度,指出“Cyber”是涉及物理过程与生物特性的计算、通信和控制技术的集成,CPS的本质正是集成了可靠的计算、通信和控制能力的智能机器人系统.马文方指出,CPS是在环境感知的基础上,深度融合计算、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,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、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体[8].结合以上各种概念,本文认为,CPS强调“Cyber-physical”的交互,涉及未来网络环境下海量异构数据的融合、不确定信息信号的实时可靠处理与通讯、动态资源与能力的有机协调和自适应控制,是具有高度自主感知、自主判断、自主调节和自治能力,能够实现虚拟世界和实际物理世界互联与协同的下一代智能系统.1.2CPS的主要特征在实际应用中,CPS旨在提高人类生活质量,促进人和环境的和谐发展.在系统实现上,CPS以同时保证“实时性”和系统的“高性能”为主要目标,具有自治、交互、精准、抗毁、协同、高效的特性,能够实现对Cyber与Physical大规模动态异构资源的监控管理.相较于现有的各种智能技术,CPS在结构和性能等方面主要有以下几大特征[9]:1)信息与物理组件高度集成;2)各物理组件都应具有信息处理和通信能力;3)是网络化的大规模复杂系统;4)在时间和空间等维度上具有多重复杂性;5)能实现资源的高效动态组织与协调分配;6)系统高度自治自动化,满足实时鲁棒控制;7)系统安全、可靠、抗毁、可验证;8)自学习、自适应、动态自治、自主协同.2CPS的发展自2005年提出至今[3],CPS的发展得到了许多国家政府的大力支持和资助,已成为学术界、科技界争相研究的重要方向,获得了国内外计算机、通信、控制,以及生物、交通、军事、基础设施建设等多个领域研究单位与学者的关注和重视,具有很高的科研意义.同时,它也成为了各行业优先发展的产业领域,具有广阔的应用前景和商业价值.2.1CPS的国内外研究现状1)美国在美国,近年举办了多次CPS相关的国际性会议和研讨活动,就CPS的基础理论、CPS的应用、CPS的性能以及CPS的安全性等问题展开了较为深入的讨论,引发了人们对CPS的研究.同时,CPS连续多年均被美国国家自然科学基金会(National Science Foundation,NSF)列为科研热点和重点,进一步促进了CPS及其相关技术的开发和应用.基于对近年来获得NSF资助的CPS相关科研项目的分析,其研究热点集中在嵌入式与自动化开发、网络化与信息安全和信息基础设施建设三大方面,主要涉及:节能、廉价、灵活、通用的CPS智能自治嵌入式设备以及相关软硬件组件及环境的设计开发;安全可靠的CPS有线与无线异构网络通信协议、网络服务和通讯环境的构建与优化;复杂工业工程系统和智能电网等大规模基础设施的网络化精准协同控制,以及对相关资源的高效管理和智能调度决策等问题.目前已取得了较好的初步成果.麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)设计了基于移动机器人的分布式智能机器人花园,研究了面向动态环境感知、多节点协调通讯和任务自主获取与执行的CPS自治建模和控制,为进一步提高CPS的节点间的自主交互与高效实时通讯构建了基础.宾夕法尼亚工程学院研究的汽车导航软件GrooveNet,在系统的协调性、稳定性和可信度上做了很多创新,能够同时支持10期王中杰等:信息物理融合系统研究综述1159对真实车辆与虚拟车辆的运行监控,为车辆CPS的构建和自治导航的协调优化提供了一个良好的建模与仿真测试平台.Carnegie Mellon大学的Marija Ilic课题组将支持向量机预测模型和马尔科夫状态控制等方法运用于智能电网CPS的建模优化,实现了风力发电中能量的优化协调和配置,相关方法有望适用于未来分布式新能源CPS的调度管理[10−11]. Indiana大学在城市下水道网络的管理和监控上引入了CPS的思想和技术,正在开发完善的CSONet 监控系统[12]旨在实现人类需求和气候环境动态变化下的城市管道排放水网络的自治调度管理.此外, CPS相关技术也正被广泛应用于新型智能生物医疗设备的设计与开发;在抗灾预警、金融调控、军事演练、社会行为分析、物流和供应链优化等领域需求层面上,也均有一定应用.2)欧洲在欧洲,CPS研究还处在理论创新的尝试阶段.许多学者对于CPS的构架与建模新方法展开了讨论和研究.Rammig提出了将生物系统理论和智能计算方法与CPS技术相结合的思想,实现了系统计算性能的优化[13].此外,欧盟在智能电子系统以及多元件的复杂系统集成上做了很多工作,于2008年启动了ARTEMIS(Advanced research and technology for embedded intelligence and sys-tems)等项目,将CPS作为智能系统的一个重要发展方向,并创办了CPS专刊“International Journal of Cyber-Physical Systems”.3)日韩在日韩等国,CPS从2008年左右开始备受关注.韩国科技院等高等教育机构和科研院尝试开展了CPS的课程,从自动化研究与发展的角度,关注计算设备、通讯网络与嵌入式对象的集成跨平台研究.在日本,以东京大学和东京科技大学为首,对CPS技术在智能医疗器件以及机器人开发等方面的应用投入了极大的科研力量.4)中国中国于2008年在北京召开的IEEE嵌入式研讨会上,将信息物理融合系统的研究列为今后技术发展的一大重点.2009年举办的一系列网络控制技术和网络信息技术论坛以及计算机大会中,也高度关注了CPS技术在工业等领域的发展状况.2010年,国家863计划信息技术领域办公室和专家组在上海举办了“信息-物理融合系统(CPS)发展战略论坛”,对这项技术给予了高度关注.国内学者也已经进行了一些相当有意义的CPS 前沿技术研究,并取得了一些研究基础.计算机领域的学者结合物联网和云计算等技术,针对CPS的普适化网络环境开展了一些探索性研究,武汉大学信息资源研究中心提出了结合云计算和下一代互联网的理念,进行CPS语义中间件的设计,研究CPS网络互联和自主交互等技术.Xia等[14]则从系统自动化控制的角度出发,提出了“面向复杂信息物理融合系统的实用型高可信无线通信协议”,基于结点间反馈控制技术开展了医疗应用中传感器任务调度和控制的研究.此外,清华大学、华东师范大学、天津大学、同济大学等多所研究机构也开展了CPS技术的相关研究.香港和台湾各大学也于近年举办了多次有关CPS的研讨会,并成立了名为UCCPS(User-centric cyber-physical systems workshop)的CPS 亚洲论坛.2.2CPS的应用前景依据CPS的发展现状,可以看出,虽然该技术还处在发展初期,但已被运用于医疗、能源、交通等多个重要发展领域,具有广阔的应用前景.1)在社会生活方面,各种CPS智能感控设备和相关应用程序的开发,将便于人们更准确地感知周围的环境,及时获得所感兴趣的信息与服务的动态更新,促进信息和知识的及时有效共享,增进人与人之间的沟通和联系.2)在分布式能源开发和建设上,CPS的自主协调与大范围实时通信能力,能在太阳能、风能、生物能等不稳定新能源加入的情形下,实现分布式电能的合理生产与调度,提高电网的负载能力和稳定性,改善电力系统的性能.同时,通过对无线信号的传感与控制,能提高对智能家电和电动汽车等各种智能可控负载的管理和协调能力.3)在交通运输上,目前主要存在交通网络拥堵、交通事故频发、燃油消耗与碳排放高、道路运输能力与利用效率不均衡等问题.基于CPS技术的未来交通系统,能通过散布于道路、交通工具以及人之间的各种智能感控设备进行实时信号的传递和处理,宏观上这将有助于交通流和交通行为的分析与预测,微观上则能进一步实现“人-车”以及“车-车”之间的自治协调与协同.4)在生物医疗方面,CPS旨在提高相应医疗与手术器材的灵活性和使用寿命,通过远程诊断与手术治疗,实现医疗资源的合理高效利用.基于CPS 的廉价居民便携式医疗设备的使用和普及,将实现对人体各项生理参数和生活环境的实时远程精准监测与记录,便于医务人员更全面地了解记录病患的病历和生活习惯,更早发现并预防潜在病因,避免病情延误,对症下药,保证医治效果,提高居民整体健康水平.5)在工业自动化领域,CPS能依据环境中各节1160自动化学报37卷点信息的交互,实现生产资源、人力资源和经济资源的合理分配,并对工厂中各物理实体进行实时高效的调整和控制,提高工程监管的效率.此外,CPS 设备能被布置在一些不易人为监测和管理的环境中,实现监控与预警操作,并能在紧急情况下实现无人监控的应急处理,避免工业设备的大规模级联失效等故障.6)在城市基础设施建设上,CPS能提高资源的利用效率,并能有效收集和分析民众的愿望和建议,使得开发建设更加节能、环保、高效,相应的服务能切实满足人民需求.同时,该技术可被用于提高设备的可维修和可利用率、公共设施和智能建筑的安全性和智能性、以及城市整体建设和规划的灵活性和通透性等.目前,CPS技术已经得到了国际工商业界和许多大型国际公司的高度关注,发展速度极为迅速.主要有汽车制造领域的戴姆勒、通用、福特等公司;医疗卫生领域的美国数字卫生中心、飞利浦;制造与过程控制领域的United Technologies、爱默生Emerson Process Control等;防御与航空领域的Rockwell Collins,Lockheed Martin Corporate Headquarters,BAE,Boeing Phantom Works以及重要设施构建领域的IBM Global Energy and Util-ity Solutions,SAIC和风险投资公司New Venture Partners等[9].此外,CPS在农业生产等领域,也将有巨大的发展潜力.由此可见,CPS是一种面向资源实时优化配置和高效能可持续利用的智能技术,并具有较高的兼容性和普适能力,将被应用于人类社会生活的各个领域.CPS相关产品和技术的研发与应用,将大大促进这些领域的科技与经济发展,为人类提供更优质的生活体验和服务,创造新的社会发展机遇.然而,CPS作为一个崭新的研究领域,概念新颖、学科跨度大,和现有的系统理论与研究基础存在较大不同.在CPS技术的未来研究中,将主要面临CPS架构设计、系统抽象与建模、系统设计方法、系统验证体系、仿真工具和实现平台等方面的挑战.为了更好地实现CPS在未来各个行业领域中的融合和应用,把握技术发展和革新的机会,需要突破现有的计算模式、物理架构、控制方法和通讯环境,从CPS技术理论层面,对该技术进行切实深入的研究.3CPS的系统构成系统结构的优劣将从根本上影响系统的最终性能和所能满足的功能需求,更不用说系统的平台兼容性和灵活性等问题,因此,CPS组件抽象与架构建立是实现整体研究的基础,具有非常重要的地位.本文将依据国内外现有研究,从CPS的抽象结构、运行方式、物理构成和实现架构这4个方面,对CPS的架构进行分析和讨论.3.1CPS的抽象结构简单地说,CPS中的“Cyber”和“Physical”可以视为两个具有节点交互的网络:“Physical”层包含了多个相互联系的物理实体,“Cyber”层由众多的智能监控节点(包含了人、服务器、信息站点或者各种移动设备等)和它们之间的通讯联系构成[3].在“Physical”层和“Cyber”层相互作用下,系统通过计算、通信和控制3C技术实现信息的交互和决策,如图1所示.图1CPS的抽象结构[3]Fig.1Abstraction of CPS然而,具体Cyber-Physical的3C对应关系是如何实现的,各组件和资源间是如何协调的,还是一个亟待解决的问题.因此,又有许多学者从CPS的运行方式、物理构成和系统实现等角度,对CPS的结构进行了不同的描述.本文选取其中比较有代表性的几种结构进行了分析.3.2CPS的运行方式Bestavros等提出了CPS系统运行方式的抽象结构[15],如图2所示.物理层的实体通过对环境的感知,对相应的信息进行处理,并在进行处理的同时将信息经网络发送到信息层,信息层组件在获取感知信息后,针对物理环境和网络中用户需求的改变,自动调整内部关联与模型,将指令通过人机界面或者执行器和驱动设备传送给物理层各组件.物理实体接受指令,并通过实体间的自主协调,执行系统所要求的相应操作.这种系统运行方式较为直观地体现了通过Cyber-Physical交互,将物理世界和虚拟世界互联的思想,不足之处在于没有突出物理组件所具有的自主协调、自主验证和自主决策能力,也没有充分考虑人在系统中的地位和作用.10期王中杰等:信息物理融合系统研究综述1161图2CPS 的运行方式[15]Fig.2Operation of CPS [15]3.3CPS 的物理构成在CPS 的物理构成上,Al-Hammouri 等[16]提出了CPS 结构的一般性描述(图3),并说明了基于此结构的CPS 的特点.图3CPS 的物理构成[16]Fig.3Structure of CPS [16]CPS 与传统的计算机控制系统和无线传感网络在物理构成上存在较大的不同.首先,CPS 的网络环境是异构的,能同时涵盖不同属性的网络,并且信息通信范围不受限制;其次,CPS 传感网络中不单包含传感器节点(Sensors),还包含了执行器/驱动器节点(Actuators),以及一部分同时具有传感与执行能力的节点(Sensor +Actuator).在CPS 环境中,控制者可以代表具有自主协调和计算能力的控制器设备,也可以指人和其他生命体.此外,控制者、传感器和执行器位于同一层面与物理世界交互,指出CPS 是包含了人和生物等生命体在内的与物理环境直接交互的反馈系统.3.4CPS 的实现架构基于CPS 的物理实现,Tan 等[17]在ACMSIGBEDReview 上提出了一种基于可信的CPS 原型架构,研究了基于下一代网络技术和Web service 的全局标识时间、事件/信息驱动、发布/订购机制、语义控制规则和量化机制等技术,如图4所示.图4CPS 的实现架构[17]Fig.4An architecture of CPS [17]该结构的特点在于从系统构建和实现的角度,较为全面地说明了CPS 在设计和具体运行实现时,所可能涉及的关键技术.主要包括:1)CPS 中的传感器和执行器节点是在现有传感器节点中融入了控制和计算能力的新型节点;2)“下一代网络”是实现CPS 实时通信和信息交互的重要节点和环境;3)CPS 中的信息流包含语义事件信息和普通数据信息,因此,信息层对应的系统CPU 内核应具有语义识别和控制能力,以便提高系统的实时感知能力;4)“人”是CPS 系统反馈结构中的一个组件;5)信息安全和可靠数据服务是CPS 的关键问题.基于该架构的CPS 系统在原型设计中若能添加对系统性能的量化和验证模块,比如哪些模块能够保证系统的实时性和高性能,或者会影响这些性能,则这个框架会更加完善.此外,也有学者从节省系统能耗、增强系统的自适应感知能力和提高系统在多平台协作下的实时性和可靠性等角度,对CPS 的架构进行了很多有意义的研究.4CPS 的相关技术依据CPS 的概念及特性描述,可以认为CPS 技术结合了计算机系统、嵌入式系统、工业控制系统、无线传感网络、物联网、网络控制系统和混杂系统等技术的特点(如图5),但又和这些系统有着本质不同.为了更好地实现CPS 的抽象与建模、研究系统设计与仿真实现的方法、构建CPS 的验证体系,需要充分认识、利用并改进现有的相关技1162自动化学报37卷术.图5CPS 的相关技术Fig.5CPS-related technologies4.1CPS 与计算机系统CPS 也必须具备计算机系统中的软硬件组件与功能,比如具有中央处理机、存储器和外部设备,以及操作系统、语言处理系统、数据处理系统和人机交互系统等.但在各个组件的具体设计与实现上,将会有很大的不同.这主要在于现有计算机系统的主要目的是为了高效存储、转换和处理数据.而CPS 的最终目的是实现计算过程和物理过程的实时有效交互.因此,在传统计算机系统中不非常重要的实时性、安全性、可靠性、防御性、保密性以及自适应等特性,却是CPS 关注的重点.此外,计算机系统中的网格技术、云计算、并行计算等技术,在一定程度上也满足CPS 分布式分散控制和高效计算的特性.可以考虑将这些技术与CPS 相结合,并针对不同的系统需求与问题,进行自适应的改进和优化.4.2CPS 与嵌入式系统在技术构成上,虽然嵌入式系统是依照软硬件协同理念进行开发和设计的,但CPS 中计算单元和物理对象的结合与传统的软硬件协同技术不同.CPS 要求硬件中一定要包含Cyber 组件.软硬件协同的目的是为了提供一个稳定的集成环境,以便通过在物理设备中嵌入一定的计算设备和相应的软件来增强嵌入式系统的功能.而CPS 中的Cyber-Physical 集成是为了使系统更好地适应周围不确定的、动态发展和变化的环境,更注重计算资源与物理资源的深层耦合、协调同步,以及资源的有效利用等问题.在控制实现上,嵌入式系统的控制大多是基于连续动态反馈实现的,往往忽略实现过程中的细节问题,比如模式转换、错误检测、时间约束等问题.在系统实时监控上也常采用基于事件的设计方法,但该方法对于稳定性、短暂恢复和参数变化等随时间动态变化的问题无法实现有效监控.CPS 需要面对的是更为复杂的应用程序,比如大型安全系统、自治系统和多智能体系统,这些系统往往具有分布式混杂系统的特性,需要精密的数字化控制算法.因此,单纯从工程化的角度,利用现有基于测试的嵌入式平台是不够的[18],可考虑在CPS 系统中采用基于多模型的设计结构来替代传统基于事件的结构.在产品开发应用上,首先,嵌入式软件主要面向小型计算机的设计,对应的问题也是在有限资源环境下的优化.而CPS 要解决如何在时间和空间多维异构环境下的大范围复杂巨系统的系统一致和高效等问题[19].其次,嵌入式系统是封装式的,一旦和具体应用结合在一起,它的升级换代也必须和具体产品同步进行,导致了系统不够灵活,平台兼容性和适用性较差,系统更新换代的代价较大.这些问题正是CPS 旨在避免和解决的.然而,虽然存在以上几大不同,CPS 的核心却离不开嵌入式.可以将CPS 技术视为对现有嵌入式技术的完善与优化.4.3CPS 与工业控制系统CPS 是一个具有控制属性的网络,但它又有别于现有的工业控制系统.现有控制系统基本是封闭的系统,即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能,但其工控网络内部总线大都使用的是工业控制总线,网络内部各个独立的子系统或者设备难以通过开放总线或者互联网进行互联,通信的功能也比较弱.而CPS 则把通信放在与计算和控制同等地位上,这是因为CPS 是涉及人和生物等感知因素的智能控制系统,它强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的.CPS 具有对网络中设备远程协控的能力,并且CPS 在被控对象的种类和数量、特别是在网络规模上都将远远超过现有的工控网络.文献[20]对CPS 技术和工业控制系统的异同,以及CPS 技术在现有工业系统中的发展趋势进行了较为详细的探讨.4.4CPS 与无线传感网络无线传感器网络(Wireless sensor network,WSN)主要由部署在监测区域内大量的微型传感器节点(Sensors)构成,是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络.无线传感器网络技术的发展将有助于CPS 的实现,现有无线网络环境的构建将为CPS 的发展提供很好的平台.但WSN 技术有一定的局限性.主要在于这些节点在被投放到监测地点后,在空间上基本是静态配置的,技术专有化程度高,适用性不广,而且其中的具体连接方式不明朗,。

《信息物理系统》PPT课件(47页)

信息物理系统（CyberPhysical Systems,CPS）PPT课件第1页：封面信息物理系统（CyberPhysical Systems, CPS）副PPT课件（共47页）作者：[您的名字]日期：[日期]第2页：目录第1部分：引言第2部分：信息物理系统的定义与特征第3部分：信息物理系统的关键技术第4部分：信息物理系统的应用领域第5部分：信息物理系统的挑战与未来展望第3页：引言信息物理系统（CPS）是一种融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统的新兴研究领域。

CPS的目标是将物理世界中的各种设备和系统与计算机系统紧密集成，实现智能化、自主化和协同化。

第4页：信息物理系统的定义与特征信息物理系统是一种通过计算机系统与物理系统的深度融合，实现智能化、自主化和协同化的系统。

跨学科性：融合了计算机科学、控制理论、通信技术和物理系统等多个学科的知识。

实时性：CPS需要实时处理和分析大量的数据，以实现对物理系统的实时控制。

互联互通性：CPS中的各个设备和系统需要通过网络进行互联互通，实现信息的共享和协同。

可靠性：CPS需要具备高可靠性，以保证物理系统的安全和稳定运行。

第5页：信息物理系统的关键技术CPS涉及多种关键技术，包括：传感器技术：用于感知物理世界中的各种信息。

通信技术：用于实现设备和系统之间的数据传输和共享。

控制算法：用于对物理系统进行实时控制和优化。

计算机系统：用于处理和分析大量的数据，并提供智能化的决策支持。

第6页：信息物理系统的应用领域CPS在各个领域都有广泛的应用，包括：智能交通系统：通过CPS技术实现交通流的优化和管理。

智能家居：通过CPS技术实现家庭设备的智能化控制和自动化。

智能医疗：通过CPS技术实现医疗设备的远程监控和智能诊断。

智能制造：通过CPS技术实现生产过程的智能化控制和优化。

第7页：信息物理系统的挑战与未来展望安全性问题：CPS需要具备高安全性，以防止恶意攻击和数据泄露。

智能制造中的信息物理系统研究

智能制造中的信息物理系统研究随着科技的不断发展，工业生产的模式也在不断变化。

特别是近年来，智能制造已经成为了一个风口行业，引起了广泛的关注。

而在智能制造中，信息物理系统研究是一个关键领域，它的发展对整个智能制造的发展起到了至关重要的作用。

一、信息物理系统的定义何谓信息物理系统呢？它是指将传感器、计算机和通信技术等信息处理技术与物理系统相融合，形成一个新的系统，用于收集、处理、分析和应用物理量及其变化过程中产生的大量信息。

也就是说，信息物理系统是将物理系统和信息系统集成起来，在物理世界中实现实时控制和各种智能应用，以实现高效生产、智能制造和智慧城市建设的目的。

信息物理系统的核心是传感器网络，其将物理空间和虚拟空间连接起来，实现数字和物理世界的融合。

传感器网络通过节点之间的无线通信收集数据，并将其传送到相关设备或计算机中进行处理和分析，以实现对物理过程的最优化控制。

二、信息物理系统在智能制造中的应用智能制造是追求产品质量、生产效率和资源利用率的优化，在实施智能制造的过程中，信息物理系统是一个关键环节。

其应用可以改变繁琐的机械操作，提高生产自动化程度，减少生产过程中的人为错误，并能够实现生产数据的实时监控和分析，进而优化生产过程和提高生产效率。

以工业机器人和智能制造设备为例，这些设备具有非常高的自主性和灵活性，能够根据环境和工作任务的实际情况进行调节和计算。

同时，通过信息物理系统的控制，这些设备还能够实现自适应控制和智能决策，将机器人的自主性和智能化发挥到极致。

三、信息物理系统的发展趋势在信息物理系统的研究和应用中，随着物联网、云计算和人工智能等新兴技术的出现，其发展趋势也在不断变化和突破。

在未来的发展中，信息物理系统将体现出一些新趋势：1. 大数据分析：随着物联网设备的不断普及，信息物理系统将产生大量的数据。

如何对这些数据进行有效地分析，成为信息物理系统发展的重要方向。

2. 云计算技术：云计算技术的出现，使得信息物理系统的计算能力得到了巨大的提升。

物理教学中的信息技术融合

物理教学中的信息技术融合在当今数字化时代，信息技术已经渗透到各个领域，物理教学也不例外。

在传统的物理教学中，信息技术的融合为学生提供了更加丰富、实际、互动的学习体验。

本文将探讨物理教学中信息技术融合的意义及具体应用。

一、信息技术融合的意义信息技术融合在物理教学中具有重要的意义。

首先，信息技术可以增加物理教学的趣味性和互动性。

通过多媒体和互联网技术，教师可以将抽象的物理概念呈现得更加直观生动，通过实例、动画、视频等形式，帮助学生更好地理解物理原理。

同时，信息技术还可以提供互动的学习环境，学生可以通过计算机模拟实验、网络讨论等方式主动参与学习，激发学生的学习兴趣。

其次，信息技术融合可以促进物理实验的改进和创新。

传统的物理实验通常存在仪器设备昂贵、操作复杂等问题，限制了学生的实际操作能力和实验体验。

而借助信息技术，可以开发出虚拟实验软件、远程实验平台等，为学生提供更加安全便捷的实验环境。

同时，信息技术还可以帮助学生进行数据采集、处理和分析，提高实验的精确度和学生对实验结果的理解。

最后，信息技术融合可以扩展学生的学习空间和学习资源。

通过网络，学生可以获得各种物理相关的学习资源，如教材、论文、教学视频等。

学生可以根据自己的兴趣和能力选择适合的学习内容，进行自主学习。

同时，信息技术还可以提供在线学习平台和社交工具，学生可以通过网络进行远程协作学习和交流，共同解决问题，促进彼此的学习和成长。

二、信息技术在物理教学中的具体应用1. 多媒体教学：教师可以利用多媒体软件和设备，将物理概念以图像、动画、视频等形式呈现给学生，从而提高学生的理解和记忆效果。

同时，教师还可以通过多媒体教学软件进行课堂互动，激发学生的思考和讨论。

2. 虚拟实验：通过计算机模拟软件或虚拟实验平台，学生可以在没有实际实验装置的情况下进行实验操作和数据分析，从而提高实验技能和理解能力。

虚拟实验还可以将复杂的实验过程展示给学生，帮助他们更好地理解实验原理和分析结果。

(2021年整理)信息物理融合系统

信息物理融合系统编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（信息物理融合系统）的内容能够给您的工作和学习带来便利。

同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。

本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为信息物理融合系统的全部内容。

课程设计说明书设计题目：信息物理融合系统学院、系：专业班级：计算机科学与技术学生姓名:指导教师：成绩：2013年 12月1日摘要：信息物理融合系统(Cyber-physicalsystems，CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与高度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务.本文首先介绍了CPS的概念和特征，综述了CPS 的当前发展状况与应用前景；对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望。

关键词信息物理融合系统；实时；CPS体系结构;高性能；嵌入式系统，网络控制一、CPS概述1。

1 CPS简述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CPS位列首位.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.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则把通信放在与计算和控制同等地位上,这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。

信息物理系统的发展

信息物理系统的发展信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是指由计算机系统与物理系统相互交互的一种综合性系统。

它将计算、通信与控制技术与现实世界的物理系统相融合，以实现数据采集、数据处理、决策与控制等功能。

信息物理系统的发展可以追溯到上世纪90年代初，随着计算机与通信技术的迅猛发展，信息物理系统正逐渐成为一个新兴的技术领域。

信息物理系统的发展具有多个特点。

首先，信息物理系统强调系统的整体性与综合性。

它不仅仅是计算机系统与物理系统的简单叠加，而是将二者有机结合，共同解决现实世界中的复杂问题。

其次，信息物理系统强调实时性与反应性。

它需要根据物理系统的实时变化状态进行决策与控制，以保证系统的稳定性与安全性。

此外，信息物理系统还强调系统的自适应性与智能化。

它需要根据环境变化与用户需求自动调整系统参数与行为，以提供更好的用户体验。

信息物理系统的发展有着广泛的应用领域。

首先，信息物理系统在交通领域具有重要的应用。

通过将交通设施、交通信息与交通控制系统相互连接，可以实现交通信号的智能化调度与优化。

其次，信息物理系统在制造业领域具有广泛的应用。

通过将传感器与执行器嵌入到生产设备与产品中，可以实现生产过程的实时监控与控制，提高生产效率与产品质量。

此外，信息物理系统还在能源领域、环境监测领域、医疗保健领域等方面发挥着重要作用。

信息物理系统的发展离不开关键技术的支持。

首先，感知技术是信息物理系统的基础。

它通过传感器与执行器收集现实世界的信息，并将其转化为数字信号。

其次，通信技术是信息物理系统的关键。

它将传感器与执行器连接到计算机系统中，以实现信息的传输与共享。

再次，控制技术是信息物理系统的重要组成部分。

它通过控制器对物理系统进行控制，以实现期望的功能与行为。

此外，安全与隐私保护技术、数据分析与决策技术等也是信息物理系统发展中的关键技术。

信息物理系统的发展还面临着一些挑战。

首先，信息物理系统的复杂性是一个重要挑战。

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。

信息世界和物理世界深度融合浅谈CPS及其应用论文

信息世界和物理世界深度融合浅谈CPS及其应用论文摘要：信息物理融合系统（CPS）是一种融合了计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统，系统中计算过程和物理过程在开放的环境下持续交互、深度融合与相互作用，一体化的实现开放嵌入式计算、网络化实时通信与远程精确控制等先进功能。

本文先介绍了CPS的概念及特性，然后分析CPS的典型应用场景：林业监控、精准农业、智能医疗等领域，在文章的最后部分对CPS的未来进行展望并指出发展方向。

关键词：信息物理融合系统；林业监控；精准农业；智能医疗1、什么是CPS信息物理融合系统，简称CPS，是一个包含了精确计算、网络以及动态的物理环境的复杂系统，通过计算、通信和控制等相关技术的相互协作，实现信息世界和物理世界的深度融合，实现大型系统的实时感知、动态控制和信息服务。

CPS强调的信息世界和物理世界的深度融合，尽量减少了人的参与，它可以自动的收集需要的信息，并传递给控制中心进行分析处理，再根据所作的决策，指挥传感器终端，做出响应，从而对物理环境进行改变。

这就是CPS区别于现有的系统的一个主要特点：反馈控制，接受物理世界的信息，经过处理后，再影响或改变物理世界。

2、CPS的应用2、1林业检测2022年，由香港科技大学启动了一个项目，其目标是在一个野外的真是环境，部署超过1000个节点的无线传感网系统，连续运转一年以上。

该系统能够为实现大规模林业监控提供技术支持和实践经验，系统的主要功能包括：一方面，通过传感器收集包括温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等多种数据，采集的信息为多种重要应用提供支持，如森林监测、森林观测和研究、火灾风险评估、野外救援等；另一方面，是无线传感器网络研究领域就建立长期大规模无线传感器网络系统而进行的前瞻研究与探索。

希望能够探索潜在的研究空间，提供可能的科学解决方案，特别是针对在原始森林中部署1000多个节点且需要持续工作一年以上的无线传感器网络系统所面临的研究和工程挑战，展开探索。

Cyber Physical System(信息物理融合系统)

CPS 模式

One pick and place machine Many OEM situational awareness
Cps模式具有环境感知能力

每个模块都含有一个OEM 每个小方块都是智能的方块与控制系统，各个方块之间都存在信息交互每个模块都会根据收集到的信息生成相应的计划向控制系统发出请求控制系统汇总信息生成最终执行的步骤，达到步骤最精简。

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

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。
The Towers of Hanoi as a Cyber Physical System

CPS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。
与物联网的关系

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，把世界上万事万物连接起来的网络（无需人的干预）物联网所擅长的基于RFID的连接，对于CPS来说太过简单。在很多应用中，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求远非RFID能比。
Education Case Study
I. II. INTRODUCTION TOWERS OF HANOI AS A CYBER-P HYSICAL SYSTEMCASE STUDY

III. TEACHING OPPORTUNITIES IN THE CASE STUDY IV. V. MULTI- DOMAIN DIRECTION OF INQUIRY CONCLUSION