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。
信息物理系统体系结构
感知层：由传感器，控制器和采集器等感 知设备组成，负责感知用户感兴趣的物理 世界及某些物理属性。比如精准农业中农 田的温度、湿度等环境参数，远程医疗中 病人的血压、脉搏等生命特征等等。
网络层：连接信息世界与物理世界的各种 对象，实现数据交换，支持协同感知和协 同控制的CPS实时网络（CPSRTnet）， 为系统提供实时网络服务，保证网络分组 的实时传输。
CPS发展
• 何积丰院士认为，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。 • 本质上说，CPS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发展
• 控制对于我们并不陌生。从 20世纪40年代麻省理工学院 发明了数控技术到如今基于 嵌入式计算系统的工业控制 系统遍地开花，工业自动化 早已成熟，其在人们日常居 家生活中，各种家电具有控 制功能。
控制层：控制层根据认知层的认知结果， 确定控制策略，发布控制指令，远程指 挥各个物理设备终端协同控制物理世界， 形成反馈循环控制系统。
CPS通过感知、智能设备获得客 观世界事物的信息，并对感知到的信 息进行分析和智能化的处理，与通信 对象进行交互。 CPS具有以下特征：环境感知性， 自愈性、异构性、开放性、可控性、 移动性、融合性、安全性。
CPS的意义
• CPS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。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。
• 信息物理系统（CPS Cyber Physical Systems） 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。

CPS发展
• 到了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 中列出了八大关键的信息技术， 其中CPS位列首位，其余分别 是软件、数据、数据存储与数 据流、网络、高端计算、网络 与信息安全、人机界面、NIT 与社会科学。欧盟计划从2007 年到2013年在嵌入智能与系统 的先进研究与技术（ARTMEIS） 上投入54亿欧元（超过70亿美 元），以其在2016年成为智能 电子系统的世界领袖。
信息物理系统
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21世纪是信息产业突飞猛进的 时代，层出不穷的技术突破与创新正 不断地改变着人类的生态环境。互联 网技术改变了人类通信和管理信息的 方式；信息技术使人类管理物理环境 的方式改变；物联网技术让人类主动 地全方面感知，实现智慧的感知生活； 信息物理系统技术在环境感知的基础 上实现人、机、物的互联与深度融合。 信息物理系统与物联网的自然衔接， 将彻底改变人类的生存方式，使人类 真正进入智能时代。
2007年，美国明确把CPS作为联 邦政府研究投入最高优先级的课题，从 此开启了对CPS研究的大门。 2009年5月，加州伯克利分校等一 些高校及波音、丰田等企业的研究人员 参加了美国计算机领域研究人员的社团 活动，会议发布了《产业与学术界在 CPS中的协作》白皮书。
2006年至2010年，美国国家科 学基金会共批准CPS相关项目133 余项，资助范围包括基础结构，基 本理论，网络基础，相关支持技术 等等。 至2013年，欧盟在CPS相关的 嵌入智能与系统的研究与技术上投 入54亿欧元，有关CPS的探索研究 成果主要有：CPS系统结构，相关 技术挑战，系统建模，系统安全及 应用案例等。
CPS的意义
• CPS的意义在于将物理设备联 网，是连接到互联网上，让物 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，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。
总的来说，国际上的CPS研究 工作刚刚开始，仅触及CPS的少数 几个方面，可分为：CPS的系统模 型，数据传输与管理技术，能源管 理，系统安全，软件设计技术，控 制以及示范应用系统等
从2009年开始，CPS逐渐引起 了国内有关部门、学者以及企业界的 广泛关注。 2010年，国家“863”计划信息技 术领域办公室专家在华东师范大学举 办了“信息物理系统发展战略论坛” 探讨了CPS科学基础及其关键技术， 以及CPS应用系统战略布局。
CPS发展
• 控制对于我们并不陌生。 从20世纪40年代麻省理 工学院发明了数控技术 到如今基于嵌入式计算 系统的工业控制系统遍 地开花，工业自动化早 已成熟，其在人们日常 居家生活中，各种家电 具有控制功能。
CPS发展
• 但是，这些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都是工业控制总 线，网络内部各个独立的子系统或者 说设备难以通过开放总线或者互联网 进行互联，而且，通信的功能比较弱。 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的特征
• 从产业角度看，CPS涵盖了小到 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。更为重要的是， 这种涵盖并不仅仅是比如说将现 有的家电简单地连在一起，而是 要催生出众多具有计算、通信、 控制、协同和自治性能的设备.
CPS发展
• 2005年5月，美国国会要求 美国科学院评估美国的技术 竞争力，并提出维持和提高 这种竞争力的建议。5个月 后，基于此项研究的报告 《站在风暴之上》问世。在 此基础上于2006年2月发布 的《美国竞争力计划》则将 信息物理系统 (CyberPhysicsSystem，CPS)列 为重要的研究项目。
CPS的特征
• 海量运算是CPS接入设备的普遍特征， 因此，接入设备通常具有强大的计算能 力。从计算性能的角度出发，把一些高 端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构 的话，那么物联网则可视为瘦客户机服 务器，因为物联网中的物品不具备控制 和自治能力，通信也大都发生在物品与 服务器之间，因此物品之间无法进行协 同。从这个角度来说物联网可以看作 CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物 联网的定义和概念明晰起来。在物联网 中主要是通过RFID与读写器之间的通信， 人并没有介入其中。
CPS定义
• 信息物理系统包含了将来无处不 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。 它注重计算资源与物理资源的紧 密结合与协调，主要用于一些智 能系统上如机器人，智能导航等。
CPS定义
• 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，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 和实时的方式检测或者控制一个 物理实体。
CPS是在环境感知的基础上，融合 计算、通信和控制能力的网络化物理设 备系统，通过计算和物理进程相互影响 的反馈循环，实现现实世界与虚拟世界 的相互协同和交互，以增加或扩展新的 功能，提供实时感知，动态控制和信息 反馈。 使系统更加可靠、高效、实时协 同，具有重要而广泛的应用前景。
CPS应用极为广泛，包括生活助 理，医疗系统，工业过程控制，交通 控制，智能机器人，航空航天，信息 安全及国防系统等等。
机遇与挑战
• “下一代工业将建立在CPS之上， 随着CPS技术的发展和普及，使 用计算机和网络实现功能扩展的 物理设备无处不在，并将推动工 业产品和技术的升级换代，极大 地提高汽车、航空航天、国防、 工业自动化、健康/医疗设备、 重大基础设施等主要工业领域的 竞争力。”何积丰表示，“CPS 不仅会催生出新的工业，甚至会 重新排列现有产业布局。
机遇与挑战
• 如果物联网的市场规模像人们所 说的有上万亿元，那么，CPS的 市场规模则难以计数，因为CPS 涵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。更为 重要的是，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、协同和自治性能的设备。
CPS的特征
• 感知在CPS中十分重要。众所周 知，自然界中各种物理量的变化 绝大多数是连续的，或者说是模 拟的，而信息空间数据则具有离 散性。那么从物理空间到信息空 间的信息流动，首先必须通过各 种类型的传感器将各种物理量转 变成模拟量，再通过模拟/数字 转换器变成数字量，从而为信息 空间所接受。从这个意义上说， 传感器网络也可视为CPS的一部 分。