信息物理融合在交通中的应用

信息物理融合在交通中的应用

徐国智

Cyber-Physical Systems Applied in Transportation

Guozhi Xu

摘要：信息物理融合系统(CPS)是一类集成了计算系统、通信网络、传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。将CPS有效应用于交通运输能够提高道路安全与效率。交通信息物理系统作为信息物理系统在交通领域的具体应用，是下一代智能交通系统(ITS)发展的关键技术，具备CPS信息世界与物理世界深度融合的特点，为ITS的发展提供了新的思路和方向，受到越来越多研究机构和学者的关注。本文首先简要介绍CPS系统的定义、构成，对CPS在交通领域的应用进行了介绍，并探讨了实现交通CPS所面临的关键技术挑战。

关键词：信息物理融合系统；智能交通系统；应用；关键技术

ABSTRACT:Cyber-physical system(CPS) is a new kind of interconnected system which integrates the computer system, communication network, sensor network, control system and physical system. Applying the CPS to transportation could effectively improving road safety and efficiency. Transportation Cyber-Physical System is one of the important sub-syste ms of Cyber-Physical System, which is used in the field of Intelligent Transportation System (ITS). It has the characteri stic of CPS that computation world and physical world are deeply integrated, which provides new ideas and directions f or the development of ITS, and has aroused more and more concern by institutions and scholars. This paper introduces the definition and architecture of the CPS, then the CPS applications in the field of traffic are presented. At last the ke -y technology to realize traffic CPS and the challenges will be faced are discussed.

KEY WORDS：cyber-physical system; intelligent transportation system; application; key technology

0 引言

随着物联网、传感器网络、嵌入式系统和计算智能等技术的发展，信息世界和物理世界的交互、协同和融合在不断加强。人们对于各种复杂系统和计算设备的需求已不仅仅局限于系统功能的扩充，而是更关注系统中各种计算元素和物理元素之间的紧密结合，以及在动态不确定事件作用下的相互协调。系统资源的合理有效调配和运行时的实时、可靠、高效，内部实体间平等有效的通讯以及各实体自主感知、自主调节和高度自治，正在成为新的需求。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[1,2]。CPS的理念最早由美国国家科学基金会(NSF)在2005年提出。根据NSF的定义[3]，CPS是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统。更具体地讲，CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。CPS应具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的能力，最终目标是使未来的物理系统具有灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性[3,4]。CPS的概念一经提出便得到了广泛关注，各国学者和科研人员从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进行了探讨，并在并在计算机、通信、控制、生物、交通、物流、制造、能源、医疗、军事、基础设施建设等多个领域展开了相关的研究工作[5-7]。

目前，城市交通的发展，尤其在我国成爆炸式增长，由此引发了道路车辆拥挤、交通事故频发、交通环境不断恶化等问题，这些问题对交通系统的可靠性、安全性、经济性、舒适性及运行

效率等提出了更高的要求，交通系统的智能化问题已成为社会各界普遍关注的热点。智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)[8]是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。要实现上述目标，就必须实现信息在交通系统中的双向流动和有效利用，并在此基础上提高对系统的感知和控制能力。交通CPS不仅应能够实现交通信息系统与交通操作系统的无缝通信，并可在统一的标准下与其他CPS子系统实现信息共享和协同。

本文首先介绍CPS及其在交通领域的应用，讨论了交通CPS中所涉及到的关键技术，并给出几种具体的应用，最后对交通CPS的应用前景进行了展望。

1 CPS概述

1.1 CPS的定义

CPS是一个崭新的研究领域，其定义还在不断发展与完善之中，根据文献[9]给出定义，CPS 是具有下述特点的系统：

1) 该系统由计算设备、通信网络、传感设备与物理设备共同组成。所有设备相互协同和相互影响，共同决定整个系统的功能和行为特征。

2) 由于系统的计算/信息处理过程和物理过程紧密结合并相互影响，这导致无法区分系统的某个行为究竟是计算过程还是物理过程作用的结果。

CPS强调的是信息世界与物理世界的深度融合，并将通信和计算、控制视为同等地位予以重视。其间的关系如图1所示。传统的系统虽然也涉及通信过程，如一些工控应用系统也具有联网和通信的功能，但其网络内部各独立子系统或设备难以通过开放总线或互联网进行互联。而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离不开通信[4]。

图1 CPS中计算

中计算、、通信和控制的关系

Fig.1 Relations Among Computation, Communication

and Control in CPS

1.2 交通领域中CPS的研究现状.

目前交通领域CPS的研究多处于探索阶段。2008年，NSF等机构联合举办了关于交通运输系统CPS的研讨会，促使交通领域的CPS得到了广泛关注，许多学者已经陆续开展了一些工作。

(1)在设备计算方面，Sitbon等[10]认为随着小型化设备数量不断增加，计算能力不断增强，从设备的角度看，实现城市规模检测成为可能。Garlan等[11]认为在所有的交通运输系统中，关于在车辆性能、特征及油耗方面进行改进的需求都呈现出日益增长的趋势，CPS技术将为这方面的需求提供新的途径。Clarke等[12]指出CPS在交通运输系统中的监管和安全控制功能方面起着越来越重要的作用，这将有助于交通运输系统中的实际控制决策。

(2)在结构组成方面，Tiwari[13]认为T-CPS包括控制其软件、通信网络和物理装置之间的交互过程。Gaddam等[14]提出CPS包括2个重要的组成部分，即物理过程和网络系统。网络系统由一些具有感知、计算和通信能力的微装置构成，典型的物理过程受到网络系统的监控。同时，Pu[15]指出作为CPS的一个典型应用，智能交通系统由物理和网络两方面构成，物理方面是指不同运输模式之间的物理互操作性，包括一些采集装置等物理设备，网络方面是指交通信息的集成与整合。

应当指出的是，NSF等机构于2008年举行的交通运输系统CPS研讨会只是一个小范围的研讨，与会学者也仅是就CPS的概念结合自己的研究工作提出了一些宏观层面的设想，尚未进行实质的研究。作为CPS重要应用领域的交通系统，目前的研究尚未给出一个完整清晰的T-CPS 的基本架构。