CPS通信物理系统关键技术综述

计算机科学与技术学院

计算机通信

（小论文）

学号：S314067015

专业：计算机技术

学生姓名：李文才

任课教师：王巍副教授

2015年5月

CPS通信物理系统关键技术综述

朱会然

哈尔滨工程大学

摘要：CPS通信物理系统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：CPS通信物理系统实时高性能嵌入式系统网络控制

1 引言

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，CPS通信物理系统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系统错误！未找到引用源。。CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制技术错误！未找到引用源。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。

2 CPS通信物理系统的国内外研究现状

自2005年提出至今错误！未找到引用源。，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。

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。

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错误！未找到引用源。。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 researchand 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。

中国于2008年在北京召开的IEEE嵌入式研讨会上，将CPS通信物理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等错误！未找到引用源。则从系统自动化控制的角度出发，提出了“面向复杂通信物理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。

3 CPS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。

3.1 CPS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错误！未找到引用源。。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 1 CPS的抽象结构成错误！未找到引用源。

3.2 CPS的运行方式

Bestavros等提出了CPS系统运行方式的抽象结构错误！未找到引用源。，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，执行系统所要求的操作。这种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。