信息物理系統(tǒng)研究與應用綜述

李伯宇，高 飛，朱建平，韓瑞艷

（云南民族大學，云南昆明650500）

0 引言

信息物理系統(tǒng)（Cyber－Physical Systems，CPS）這一概念是由美國科學家Helen Gill于2006年在美國國家科學基金會上提出[1]，并很快引起各國研究者與企業(yè)的廣泛關注。歐洲聯(lián)盟在2008年啟動ARTEMIS（Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems）等重大項目，將CPS作為智能系統(tǒng)的一個重要研究方向。同樣的，基于2007年8月的美國總統(tǒng)科學與技術顧問理事會的建議，美國國家科學基金會一直為CPS的基礎研究和教育提供資金支持[2]。包括中國，韓國，德國在內(nèi)的其他國家也已經(jīng)提出或?qū)嵤┝祟愃频姆桨浮?/p>

CPS正吸引著越來越多的研究者的興趣。許多國際會議都把“Cyber Physical System”作為會議討論的主題。例如：IEEE Real－Time Systems Symposium（RTSS）[3]已經(jīng)連續(xù)三屆把“Cyber Physical System”作為會議討論的主題。International Conference on Cyber－Physical Systems（ICCPS）已經(jīng)連續(xù)召開五屆。前三屆沒有確定的會議主題，只是作為一個推進CPS發(fā)展的論壇。由ACM SIGBED（賓夕法尼亞大學的一個嵌入式團隊）與IEEE TCRTS（IEEE計算機協(xié)會中關注實時系統(tǒng)的一個技術社區(qū)）聯(lián)合贊助的2013年4月8日至11日在美國費城召開的第四屆International Conference on Cyber－Physical Systems，討論了關于CPS的各個方面，包括：理論、工具、實驗平臺、應用等[4]。由TWT GmbH－Science ＆Innovation（一家為汽車，航空航天，醫(yī)療保健和能源領域的原始設備制造商提供技術支持的公司）贊助的2014年4月14日至17日在德國柏林召開的第五屆International Conference on Cyber－Physical Systems，討論的三大主題分別是：交通運輸、機器人以及能耗[5]。還有Hybrid Systems：Computation and Control（HSCC）[6]、International Workshop on Service－Oriented Cyber－Physical Systems in Converging Networked Environments （SOCNE）[7]、IEEE International Conference on Cyber－Physical Systems（CCPS）[8]等一些國際會議也關注CPS的發(fā)展?？傊瓹PS已成為當今一個熱門的研究領域。

為了展現(xiàn)對CPS的關注度。分別從谷歌學術搜索（www.scholar.google.com）、IEEE Xplore（http：／／ieeexplore.ieee.org）以及中國知網(wǎng)（www.cnki.net）中按年份統(tǒng)計與“Cyber Physical System”或者“信息物理系統(tǒng)”相關的文獻數(shù)量（見表1～3）。從3個表中，可以看出有關CPS的文獻數(shù)量總體是呈現(xiàn)一個上升的趨勢，特別是從2010年開始，與CPS相關的文獻數(shù)量增長較快。由此可見研究者對CPS發(fā)展的關注度越來越高。

1 CPS的基本概念

雖然各國的研究學者從理論思路、數(shù)學建模等不同的方面對CPS進行研究，但是由于CPS本身的復雜度較高，涉及的學科廣泛，再加上不同領域的學者對CPS的理解不同，所以到現(xiàn)在為止，業(yè)界還沒有對CPS的做出一個得到公認的定義。文中列舉了幾個比較有代表性的定義。

表1 谷歌學術檢索結(jié)果

表2 IEEE Xplore檢索結(jié)果

表3 中國知網(wǎng)檢索結(jié)果

CPS概念的提出者Helen Gill在文獻[9]中講述到：CPS是融合計算與物理能力，能通過多種方式與人類進行互動的新一代系統(tǒng)。與物理世界交互或者增大物理世界的能力是通過計算和通信的方式，控制技術是實現(xiàn)新一代系統(tǒng)的核心。

加利福尼亞大學伯克利分校的Edward A LEE教授與Shankar Sastry教授分別對CPS定義。Edward A LEE在文獻[10]中提出，CPS是一系列計算進程和物理進程組件的緊密集成，通過計算核心監(jiān)控物理實體的運行，而物理實體又借助于網(wǎng)絡和計算組件實現(xiàn)對環(huán)境的感知和控制。而Shankar Sastr在文獻[11]中描述道：從計算科學與信息存儲處理的層面出發(fā)，認為CPS集成了計算、通信和存儲能力，能實時、可靠、安全、穩(wěn)定和高效地運行，是能監(jiān)控物理世界中各實體的網(wǎng)絡化計算機系統(tǒng)。

第五屆International Conference on Cyber－Physical Systems官方網(wǎng)站[3]上指出：隨著計算機計算能力越來越快以及通信帶寬價格的降低，計算及通信能力將被嵌入到物理環(huán)境中各種物體中。而利用這些能力的應用將帶來巨大的社會影響和經(jīng)濟效益。現(xiàn)在把這種聯(lián)接信息世界與物理世界的系統(tǒng)稱之為信息物理系統(tǒng)。

現(xiàn)在大多數(shù)中文文獻將“Cyber Physical System”翻譯為“信息物理系統(tǒng)”，即認為“Cyber”來源于“Cyberspace”一詞，然而無論是“Cyberspace”還是“Cyber”都應該來源于“cybernetics”?！癱ybernetics”一詞是由控制論的創(chuàng)始人Norbert Wiener提出。Wiener認為cybernetics是控制與通信的結(jié)合體。而且Wiener所理解的“cybernetics”是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其控制命令由所測得的物理進程所決定，反過來，控制命令用于控制物理進程[12]。所以“Cyber”不僅有“信息世界”的含義也有“控制”的含義。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的S.Shyam Sunde于2012年3月13日在美國國家標準與技術研究院CPS研究部，對CPS進行了梳理[13]。認為CPS本質(zhì)上是一個控制系統(tǒng)。

綜上所述，信息物理系統(tǒng)（CPS）是融合嵌入式系統(tǒng)（ES）、計算機、無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）等技術，能夠處理、融合海量異構(gòu)數(shù)據(jù)，在復雜環(huán)境下能穩(wěn)定、安全的處理信息，有較高的自適應、自主協(xié)調(diào)以及自治能力，計算與物理進程以相互反饋信息的方式緊密融合、互相影響的新一代智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

2 CPS的特性

根據(jù)第1部分的描述，以及對有關CPS文獻的研讀?？偨Y(jié)了CPS幾大特性。

（1）緊密融合。通過多個工程學科的融合，例如，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、嵌入式系統(tǒng)等學科的融合，實現(xiàn)信息世界與物理世界的融合。達到實時控制物理世界或者與物理世界交互的目的。

（2）網(wǎng)絡化。CPS與現(xiàn)在的嵌入式技術相比，最大的改進之處就是網(wǎng)絡化[14]。網(wǎng)絡化是能為實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)便于傳輸目的，也是實現(xiàn)物理世界與信息世界相聯(lián)接的關鍵一環(huán)?？梢栽贑PS的3C[15]模型中得以體現(xiàn)（圖1）。圖1中可以清晰看到“Communication（網(wǎng)絡）”起聯(lián)接“Computation（信息世界）”與“Physical（物理世界）”的作用。為實現(xiàn)網(wǎng)絡化，CPS會用到許多網(wǎng)絡技術，例如：WIFI、GSM、GPS、WLAN等。

（3）異構(gòu)性。涉及兩種不同的環(huán)境：連續(xù)的物理世界與離散的信息世界。運用的網(wǎng)絡技術、節(jié)點異構(gòu)。

（4）安全性。由于CPS是信息世界與物理世界的高度融合，如果信息世界出現(xiàn)在問題，則可能會給物理世界帶來災難性的后果。Ten等在文獻[16]、[17]介紹了在智能電網(wǎng)中，如果信息世界出新問題，就可能導致電能的損耗甚至導致整個電網(wǎng)癱瘓。所以CPS必須要有安全性。

（5）閉環(huán)系統(tǒng)。正如在圖2所描述的CPS的模型，為更加精確、有效的控制物理世界，CPS一般會采用比較高級的反饋系統(tǒng)。

（6）節(jié)點嵌入到物理世界中每個器件中。如果把節(jié)點嵌入到物理世界

的每個器件中，那么物理世界中的每個器件就擁有一定的計算和通信能力。這樣就會使信息世界獲取更多的關于物理世界的信息，也使信息世界與物理世界融合的更加緊密。

（7）實時性。實時性在CPS中有兩層含義：一是數(shù)據(jù)到達服務器或者基站的時間要短，及延時??；二是系統(tǒng)要在限定的時間內(nèi)對外來事件做出反應，當然這個限定時間的范圍是根據(jù)實際需要定。在目前的C語言中是沒有時間語義的，即使程序運行時間超過限定的時間，最終運行結(jié)果也是正確的，然而這影響整個系統(tǒng)的性能。在CPS中實時性尤為重要，因為物理世界中出現(xiàn)的一些事件，系統(tǒng)必須在限定的時間內(nèi)做出適當?shù)捻憫?，否則可能會出現(xiàn)災難性的后果，例如：地震預警。因此CPS要具備實時性。

（8）可靠性、魯棒性。由于CPS節(jié)點所在的環(huán)境復雜，必須要保障CPS有較強的自適應，自學習能力以及拓撲快速回復重建能力。以此保障CPS可靠性和魯棒性。

（9）可重組、可重新配置。這個特性是現(xiàn)在大型嵌入式系統(tǒng)不具備的。現(xiàn)在的大型嵌入式系統(tǒng)在重組方面面臨著很大的困難，因為一旦重新分配資源或者更新器件，就需要花費大量資金用于檢測更新的器件對于整個系統(tǒng)帶來穩(wěn)定性、安全性的影響以及后續(xù)的優(yōu)化問題。在文獻[14]講述到，在制造飛機時為避免資源重組情況的發(fā)生，一般采用同一家公司的同一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)所有的芯片或者是器件。并且還要生產(chǎn)出未來30年乃至50年的飛機制造計劃中的全部的芯片或者是器件。而在CPS中，可以根據(jù)不同的需求動態(tài)的重組資源。

圖1 CPS抽象模型[15]

3 CPS的應用

CPS可應用在許多的領域，解決現(xiàn)在面臨的諸多問題。美國國家工程院（The U.S.National Academy of Engineering）列出了與環(huán)境、健康、社會有關的14大問題，而CPS的發(fā)展將有助于這些問題的解決[9]。CPS將使未來人類生活的世界變得更加快捷（例如：防止碰撞或者防止擁堵無人駕駛系統(tǒng)），更加精確（例如：制造誤差在納米級范圍）。基于CPS制造的應用能在危險的環(huán)境下工作（例如高度自治的營救系統(tǒng)），CPS也能為人力提供大規(guī)模的分布式協(xié)調(diào)系統(tǒng)（例如：交通自動控制系統(tǒng)），提高社會社會福利（例如：輔助醫(yī)療，健康監(jiān)測技術）等。在文獻[18]中Rajkumar列舉了眾多CPS可應用的領域，包括智能電網(wǎng)，全自動交通工具，高產(chǎn)農(nóng)業(yè)以及社會領域。

介紹三類典型的CPS應用：智能電網(wǎng)；生物與醫(yī)療系統(tǒng)；智能高速公路與無人駕駛。

3.1 智能電網(wǎng)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在著一系列問題，如用電峰值時的“電荒”、信息獲取不及時及造成的設備利用率低等。而智能電網(wǎng)為解決上述問題提供了技術方案，智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)之間的區(qū)別如圖2所示，最大的差異性之一在于配電環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，用戶不能實時的了解電價信息，配電公司也不能了解用戶的用電信息，由此可能造成能源的浪費；而在智能電網(wǎng)中，用戶與配電公司都可以了解與自己密切相關的信息。借此雙方即可以獲得最大的經(jīng)濟利益，又可以節(jié)約電能。例如用戶在電價低的期間，可以為電動汽車充電、用洗衣機洗衣服等。在電價高的期間，可以把電動汽車的電能接入到電網(wǎng)中，由此獲得差價。在文獻[19]中講述一種電力供應商與用戶之間基于需求側(cè)管理的博弈方法，通過這種方法可以使電力供應商與用戶均獲得最大利益。

圖2 傳統(tǒng)電網(wǎng)和智能電網(wǎng)區(qū)別示意圖[20]

智能電網(wǎng)在發(fā)電方面比傳統(tǒng)電網(wǎng)也有優(yōu)勢。如圖2所示，智能電網(wǎng)在發(fā)電環(huán)節(jié)不僅有水電、火電還有新能源。由于傳統(tǒng)電網(wǎng)信息獲取不及時、電能的實時調(diào)度性能差，再加上新能源（特別是風能和太陽能）具有間歇性，所以在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，如果把新能源直接并入電網(wǎng)必然會對骨干電網(wǎng)造成沖擊，乃至造成整個電網(wǎng)的癱瘓。而在智能電網(wǎng)通過實時智能調(diào)度，例如：在光照條件充足或者是風力較大時，存儲多余的電能，當光照不充足或是在風力較小時把存儲的電能接到電網(wǎng)中，使新能源在接入骨干電網(wǎng)時維持電壓、電流等參數(shù)的方面維持穩(wěn)定，由此避免新能源在接入骨干電網(wǎng)時對電網(wǎng)造成的沖擊。

3.2 生物與醫(yī)療系統(tǒng)

生物醫(yī)療領域包含許多方面，包括全國健康信息網(wǎng)絡、電子病情記錄儀、家庭護理、手術室等。上述這些逐步被有硬件、軟件組成的電腦系統(tǒng)控制，并且這種系統(tǒng)滿足實時性和安全性。未來的醫(yī)療護理越來越依靠聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療器械和系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)不同病人病情進行醫(yī)療設備的動態(tài)重組。未來的醫(yī)療設備和系統(tǒng)也擁有能與病人、看護人交互的能力。圖3展示了一個基于CPS的智能手術室。

3.3 智能高速公路與無人駕駛

世界衛(wèi)生組織在2013年3月14日于日內(nèi)瓦發(fā)布《2013道路安全全球現(xiàn)狀報告》稱，2010年，全世界有124萬人死于道路交通事故。然而基于CPS智能高速與無人駕駛技術的 發(fā)展將會有益于這一問題的解決。無人駕駛汽車能更加高效的、安全的將乘客送達目的地。而且智能高速公路網(wǎng)絡（見圖4）允許汽車之間通信，這樣既提高安全性，也避免了交通擁堵，從而提高了交通流量，使人們的生活更加快捷。

圖3 CPS的應用：智能手術室[21－22]

圖4 智能高速[23]

4 面臨的挑戰(zhàn)及今后的可能的研究熱點

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

對CPS的研究還處于起步階段，還有許多問題亟待解決。但是由于CPS涉及到學科比較多，例如計算機科學、無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）、嵌入式技術（IOT）、生命科學等，所以想要解決CPS所面臨的問題尚需一段時間。以下部分指出CPS現(xiàn)階段所面臨的挑戰(zhàn)。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)。一種技術的發(fā)展，必須要有良好的架構(gòu)，如果沒有要有良好的架構(gòu)，則該種技術的優(yōu)勢就無法體現(xiàn)，更不要提與其他技術的兼容性。在文獻[24]中，Graham等同樣也認為，標準化的抽象和架構(gòu)對于CPS中各種技術的融合以及對于CPS的創(chuàng)新至關重要。由于CPS涉及到的領域比較多（例如計算機科學、無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式技術、生命科學等），應用的環(huán)境比較復雜多樣，而且現(xiàn)在一些建模方法已經(jīng)跟不上CPS發(fā)展的速度。所以如何“忽略”不同技術領域的特點，對不同環(huán)境建立標準抽象，是CPS面臨的問題之一。但是到目前為止，各國的學者還有沒提出一個良好的CPS架構(gòu)。

（2）混雜系統(tǒng)的建設?；祀s系統(tǒng)（Hybrid System）指的是連續(xù)變量與離散事件同時存在并且相互影響和相互作用的一類系統(tǒng)[25]。由于CPS要采集物理世界的信息（連續(xù)變量），然后把這些信息傳輸?shù)叫畔⑹澜缰校x散事件），由信息世界進行處理再反饋到物理世界中。所以混雜系統(tǒng)是CPS的一個基礎，但是現(xiàn)在沒有通用的混雜系統(tǒng)應用模型。而且物理世界中發(fā)生的事件一般是并行的，而信息世界在處理信息時是并發(fā)的。怎樣讓信息世界處理這些并行的連續(xù)的事件，又怎樣讓信息世界抽象物理世界，并且保證抽象出的離散信息盡可能的反應物理世界的全貌，也是CPS面臨的問題。

（3）安全性與可靠性的建設。安全可靠是是設計大型復雜系統(tǒng)首要設計原則[9]。CPS緊密融合了虛擬世界與物理世界，一旦虛擬世界遭到黑客的攻擊必然會對物理世界造成影響。如何在虛擬世界遭到攻擊的情形下，避免物理世界不受影響，或者使物理世界受到的傷害盡可能的小，對于CPS來說是個難題。再者CPS應用的環(huán)境復雜，如何在復雜環(huán)境下保障可靠通信，對CPS也是一個富有挑戰(zhàn)性的問題。

（4）可驗證性及衡量標準。由于CPS設計到的學科比較多，雖然各個學科有各自的衡量標準。但是當融合這些到CPS中時，衡量CPS的標準卻不是這些學科各自的標準相累加得到的結(jié)果。但是當一個CPS系統(tǒng)建成之后，用何種標準的方法去衡量CPS的系統(tǒng)性能指標；用什么標準去衡量應用的模型是否得當；整個系統(tǒng)優(yōu)化又應該達到怎樣的程度。到目前為止業(yè)界還沒有對CPS系統(tǒng)提出一些通用的衡量標注。所以可驗證性及衡量標準對于CPS來說又是一個難題。

（5）各個學科的集成?，F(xiàn)在一個學科被分成多個專業(yè)，并且對這些專業(yè)做的定義比較狹隘。特別在高等教育方面，對具體學科的教育針對性較強。這就使整體性的研究被分解為一些獨立的學科，比如，無傳感器網(wǎng)絡、通信工程、電子科學與技術等。這樣帶來的結(jié)果就是在系統(tǒng)設計和分析時，雖然會使用多種的模型和工具，但是每種模型只強調(diào)某些特性，而忽視了其他一些特性，所以致研究的對象得不到系統(tǒng)性的分析。最簡單的例子就是現(xiàn)在所提出的CPS模型既不代表信息世界，也不代表物理進程，更不是二者的綜合體。這就使CPS的研究進展比較緩慢。然而CPS是多個學科的融合，怎樣有效的融合各個學科對于CPS的發(fā)展富有挑戰(zhàn)性。

4.2 今后可能的研究熱點

研究了International Conference on Cyber－Physical Systems（ICCPS）、IEEE Real－Time and Embedded Technology and Applications Symposium（RTETA）、Hybrid Systems：Computation and Control（HSCC）、International Workshop on Service－Oriented Cyber－Physical Systems in Converging Networked Environments（SOCNE）、IEEE International Conference on Cyber－Physical Systems（CCPS）近三年的會議征集論文的主題，認為今后CPS研究熱點應該包含以下4個方面：系統(tǒng)架構(gòu)、CPS的應用、實時系統(tǒng)以及安全。同時在IEEE Xpolre數(shù)據(jù)庫中按“Index Terms”方式同時檢索“Cyber Physical System”和上述4個方面中的任何一個，得到了與這4個方面有關的文獻數(shù)量（表4）。通過表4可以看出，自從2010年之后，每個方面的文獻數(shù)量都有較快增長；并且結(jié)合表1、表2、表3可以看出，每個方面文獻的數(shù)量在各個年份中占的比例也比較高。這也驗證了提出上述4個方面的合理性。

表4 4個研究方面文獻統(tǒng)計

雖然現(xiàn)在的CPS研究還處于起步階段，面臨的問題較多。但是CPS的發(fā)展無疑會給未來智慧城市、智能電網(wǎng)、智能交通等的建設帶來許多方便之處?？傊磥鞢PS的發(fā)展空間很大。論文對CPS進行綜述，希望能引起廣大學者和讀者對CPS的關注，也希望能夠推動CPS的發(fā)展。

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