对信息物理融合系统(CPS)的初步学习

究工作分为7类：CPS的系统模型、CPS上数据传输与管
理技术、CPS的能源管理、CPS的系统安全、CPS软件设
计技术、CPS控制和CPS应用系统。
CPS模型的研究 由于CPS通常是应用驱动的，因此目前人们对CPS 模型的研究基本上都是针对某些具体的应用或者CPS的某 个侧面，主要包括CPS的事件模型、实时性与可靠性模型 ，物理系统模型。
三、学习心得及其计划
• 1，多看 • 2，多翻译 • 3 ，多讨论
谢谢！ 祝大家学习进步，生活愉快！
技术史上的下一次革命，Internet改变了人与人之间的交互方式， CPS将会改变人与现实物理世界之间的交互方式．
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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 统和控制系统组成。传感器节点、执行器节点、传感器与执行器组合节点分 布在物理世界，实现对物理世界直接感知，并通过操作物理世界的对象正确
•
如图2所示，RSE(道路设施）让MA执行一个特殊任 务：做一个服务器。MA应该根据服务需求(如：数据交付 延迟)，网络特性调整自己的行为，在增加网络寿命的同 时，仍满足这些服务的需求。MA致力于减少信息冗余和 通信开销，在三个层延长VANET网络的寿命。
节点层:通过本地处理消除应用程序的冗余。
地控制物理世界。计算系统完成CPS要求的各种计算任务，提供各种服务，
确定对物理世界的控制策略，协调各个执行器对物理世界的对象执行正确操 作，实行对物理世界的协同控制。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。
3. 嵌入式系统、物联网、传感网和CPS 的区别和联系
对信息物理融合系统的初步学习
汇报人：蔡易席
汇 报 目 录
1 CPS简介
2
对CPS的简单的认识 3 学习心得与工作计划
一、CPS简介
1.CPS的基本概念
CPS是一种大规模、分布式、异构、复杂的，以及深度嵌入 式的实时系统，是当今最前沿的交叉研究领域之一，涉及计算科学
、网络技术、控制理论等多个学科，被普遍认为是计算机信息处理
• 在图2中，RSE（道路设施）可以根据特殊应用需求（ OBE，车载设备）分配MA的处理代码(如测量路面条件等 )。在OBE中的MA根据应用程序中的要求处理当地原始数 ，传输、提取和发送相关的信息。这样可以减少数据的传 输量。
任务层:通过数据聚合消除空间冗余
• 当它在任务区域中访问每个目标OBE时，MA（移动 代理技术）聚合个体传感数据。比如说导航，RSE分配给 MA一个单对单进程来访问OBE并且聚合个体位置的数据 来实现精确定位。
什么是MA(移动代理技术）？
• 移动代理(MA)是计算机软件和数据的组合，它能够自主 地从一台机器迁移到另一个并且继续在机器上执行它的目 标，它具有自治性，社会性，学习性和最重要的流动性
• 基于信息物理融合的移
动代理技术是否具有可 行性？
在CPS中使用移动代理的可行性表现在以下5个方 面：
1. CPS存在大量的数据传输，而MA（移动代理技术）可以 移动到机器上来进行计算，减少网络负担。 2.CPS由多元化的异构网络组成的，而MA（移动代理技术 ）善于执行并行处理多个机器上异构网络。 3.CPS能自主适应外部自然环境的变化,而MA可以根据机器 环境的状态作出反应。
• 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) 就是“物物相连的互联网”，物联网的概念在1999 年已经提 出，其定义是: 通过射频识别( RFID) 、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。物联网的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。 • 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
• 4. CPS需要满足可靠性要求，而MA（移动代理技术）可 以承受网络故障并且可以在没有建立一个网络连接的情况 下进行操作。
• 5. CPS包括各种各样的应用程序，MA（移动代理技术） 的使用可能会减少应用程序的部署并且提高移植性，因而 维护就灵活了。
智能交通信息物理系统（ITCPS)
• 简单地说就是把CPS运用到交通系统中，使交通系统变的 智能，从而更好地为人类服务。 • ITCPS是典型的CPS系统，它具有CPS的典型特征，如高 灵活性、安全性、稳定性、可靠性、高效性和无缝耦合性 。
网络层
• 网络层包括卫星通信，基站通信和其他的通信方式。 所有物理层的设备通过网络层共享信息。比如，为了预测 方便的行驶计划，一辆智能汽车不仅通过自己的传感器来 获得周围环境信息，也能接收到其他车辆传感器通过网络 层传送的地理环境信息。屏蔽了不稳定的物理层，网络层 为应用层无缝地连接到共享资源网络,为用户提供即插即 用，完全透明的服务的方式。
《Mobile Agents for CPS in Intelligent Transportation Systems》
本文主要介绍的是：基于信息物理融合的移动代理 的智能交通系统。
由于CPS本身具有的大规模的特点，使用移动代理技术（MA） 可以促进CPS的性能。在本篇论文中，我们首选介绍了CPS，MA， ITS（智能交通系统）的概念和理论。然后，我们提出了ITCPS（智 能交通信息物理系统）。在这个基础上，我们可以利用移动代理的三 个特性层（节点层，任务层，任务结合层）来减少信息的冗余和通信 开销。最后，我们概略地说了一下智能交通信息物理系统的所面临的 一些挑战。
超过了物联网、传感网所要求的。
4. CPS 的挑战 1）“感” 2）“联” 3）“知”
感知受限，传感失协 服务质量，网络可控 数据存储，查询，分析，挖掘
4Fra Baidu bibliotek“控”
实时，准确，无误
二、对CPS的简单认识
• 目前国际上的CPS研究工作刚刚开始，研究工作仅 触及CPS的少数几个方面，研究成果还比较少。现有的研
ITCPS的体系结构可以分为三种层
物理层
• 在ITCPS中，汽车、道路设备不再仅仅是一个简单的 机械设备，而是将嵌入大量的传感器，计算器和控制器。 很多智能交通设备分布在周围的环境中，比如智能汽车、 智能交通灯，智能道路、智能桥等等，它们直接与物理环 境进行交互。这些交通工具设备具有传感、计算和控制功 能并且构成了ITCPS的物理层。
合并任务层:通过多个任务的数据连接减少通 信开销。
• 把几个短的数据包集合成一个长包的包联合技术可以 在任务合并层减少通信开销。由于数据连接，OBE工作周 期和通信负载可以被减少，这样就延长VANET网络的寿 命。为了减少延迟，可以在任务合并层中通过复制MA来 同时执行多个任务，这样能减少所有任务的执行时间。因 为复制MAs会带来额外的开销，合并任务区域的MA的数 量数量应该取决于于应用程序的需求来认真考虑(例如,十 字路口的交通安全、危险道路的交通安全)。
应用层
• 应用层是面向用户的应用服务。智能并不意味着排除 人，只是以便更好地为人民服务。应用层是直接与人交互 的部分；它需要考虑用户的一些体验感，如舒适性、可用 性和正确性等。
案例研究:使用移动代理技术的ITCPS
• 在ITCPS中，车辆配有车载设备(OBE)，这些设备包 括计算、定位、传感和无线通信设备。因此，这些车辆能 够与其他装备车载设备（OBE）的车辆以及用同样设备的 道路设施连接交流。因此，这些组件形组成了车载自组网 (VANET)，车辆将通过这个网络连接能够彼此“交谈”。 属于无线传感器网络的VANET的带宽通常是远低于有线 网络。然而，ITCPS会有频繁的任务进程，并且它产生的 大量数据可能会超过无线网络容量的。
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MA(移动代理技术)是一个过程，一个可以从一个环 境到另一个环境继续传输数据，保持数据完整，并在新环 境中保存执行能力的一个过程。MA执行并行处理多个异 构网络机器。并根据机器环境的状态做出反应。因此， MA可以降低应用程序的部署，提高可移植性，并且保持 了稳定性。总之，MA拥有移动性，自主性，,协作和智能 性。因此，在VANET中利用移动代理技术能有效减少冗 余信息和通信开销，从而降低网络负载。
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4. 标准的发展：ITCPS应用程序依赖于许多技术， 跨越多个行业。因此，它需要标准化的范围大于任何传统 标准的标准化范围。
结论
• 近年来，CPS已经成为一个跨学科的前沿领域。在这 篇文章中,我们首先研究了CPS，MA，ITS的概念和特点 。接下来，我们提出ITCPS的结构。然后,通过ITCPS的 移动代理的情况，我们说明了如何利用移动代理在三个层 次(节点层，任务层，任务合并层)来减少冗余的信息和通 信开销。最后，我们提出了相关研究面临的一些挑战。
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2. 实时功能：我们必须确保实时性能满足特殊应用 程序的要求。然而，MAs执行操作是与移动，通信，控制 ，安全，以及额外的负载运行相关的。因此需要一个解决 方案，比如更好的沟通机制和多中心的协调机制。
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3. 安全和隐私的挑战：由于遥感数据不再是由本地 设备保存，安全与隐私问题变得更加重要。MAs和一些机 器(如OBE（道路设施）），很容易受到威胁。安全问题 一直是一个热点和研究的难点。
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CPS的研究仍处于初步阶段，自适应移动代理CPS也 存在许多关键技术问题，如资源的优化配置，任务的实时 性、安全控制、标准开发。下面，我们简要地说一下这项 技术面临的挑战：
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1. 最优资源配置：在任务合并区域通过复制MAs来同 时执行多个任务，这样能减少所有任务的执行时间。但复 制MAs会带来额外的开销。因此我们应该精确地根据应用 程序的需求数量的数量和比例来设计MA，以避免浪费资 源。