信息物理系统CPSPPT课件

系统架构
知识库 软件管理、 资源管理 服务器 系统集成等
人机交互 应用 全局时 软件 钟管理
实时 应用层 监控
物理世界 抽象、仿真、 信息处理
网络节点
பைடு நூலகம்新一代网络
网络层
网络节点
感知、控制
提供 监测事件 接受 监测命令
CPS CPS 单元 单元
CPS单元
接受 控制指令
物理层
CPS 单元 物理世界
系统架构 物理层
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。
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、重配置的能力 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 6. 必须满足实时性、可靠性和安全性方面的要求
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。
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 控制量 被控对象
感知信息
传感器
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。
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。
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
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，
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
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。
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。
➢ 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。
➢ 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