基于事件驅(qū)動(dòng)CPS體系架構(gòu)的層級(jí)模型

,, , ,

(空軍工程大學(xué) 理學(xué)院,西安 710051)

0 概述

在傳統(tǒng)的有關(guān)計(jì)算系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的觀念中,信息世界與物理世界是分開的,因此,各領(lǐng)域中信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與物理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是相互獨(dú)立的。隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化的飛速發(fā)展,現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿足人們的需求,因而人們對(duì)技術(shù)提出了更高的要求。物理世界正朝著人們期望的物理世界與信息世界相互融合和統(tǒng)一的方向發(fā)展,在這樣的驅(qū)動(dòng)下,信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical System,CPS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CPS從廣義上理解,就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上,深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng),它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能,以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體[1]。CPS的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合,構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò),并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式”[2-4]。CPS將改變?nèi)伺c物體、物體與物體的交互方式,其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,包括智能電網(wǎng)系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、航空航天電子系統(tǒng)、智能醫(yī)療系統(tǒng)、信息家電系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能建筑、工業(yè)控制、國防系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等[5]。如何將這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)搭建起來,引起越來越多的學(xué)者研究。

文獻(xiàn)[6]根據(jù)CPS的概念和特性,構(gòu)建了CPS的三層體系架構(gòu),分別為包含實(shí)體的物理層、將資源互連互通的網(wǎng)絡(luò)層和為用戶服務(wù)的應(yīng)用層。文獻(xiàn)[7]提出了CPS的典型邏輯的體系架構(gòu),其中包括感知執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用控制層。文獻(xiàn)[8]中指出CPS體系架構(gòu)主要由基于系統(tǒng)視圖的、基于功能視圖的和基于技術(shù)視圖的組成。

本文對(duì)CPS體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,針對(duì)CPS的本質(zhì)和特性,提出基于事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu)層級(jí)模型。

1 本質(zhì)特性

CPS系統(tǒng)是將物理世界與信息世界高度融合的系統(tǒng),是一個(gè)大規(guī)模、復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。不同于因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng),存在著自己獨(dú)有的特征。下文從系統(tǒng)的本質(zhì)和特征兩方面來描述CPS系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)本質(zhì)

根據(jù)CPS的定義,以及文獻(xiàn)[9]中的描述,將CPS系統(tǒng)的本質(zhì)分為4個(gè)方面,即深度融合、智能感知、泛在互聯(lián)和交互協(xié)同。4個(gè)方面存在著相應(yīng)的關(guān)系,智能感知是基礎(chǔ),泛在互聯(lián)是特性,交互協(xié)同是方法,深度融合是目的。

1)深度融合。深度融合有兩方面的含義:一方面,CPS是信息世界和物理世界的深度融合,通過CPS實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互,從而改變?nèi)伺c物體、物體與物體交流的方式;另一方面,CPS是計(jì)算系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的緊密融合,最終形成一種感知——控制系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)與物理世界之間的互動(dòng)。

2)智能感知。對(duì)于物理世界的感知是CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),通過傳感器感知得到物理世界的變化信息,經(jīng)過處理器生成控制指令來反作用于物理世界。而CPS系統(tǒng)的感知并不是對(duì)所有的物理世界的變化都要生成信息傳遞給系統(tǒng),它只是根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有的狀態(tài)感知相應(yīng)需要的變化信息,再將信息傳遞相應(yīng)的處理單元,達(dá)到智能感知的目的。

3)泛在互聯(lián)。CPS系統(tǒng)是大規(guī)模的、多子系統(tǒng)的、異構(gòu)的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)這些子系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通,是實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。利用有線、無線、4G等類型的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CPS的大規(guī)模的泛在互聯(lián),只有系統(tǒng)之間互連互通,才可以實(shí)現(xiàn)CPS的另一個(gè)特性——交互協(xié)同。

4)交互協(xié)同。CPS系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)人與物理世界的互動(dòng),還要實(shí)現(xiàn)個(gè)體之間的交互協(xié)同。泛在互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的是互連互通,而交互協(xié)同實(shí)現(xiàn)的是個(gè)體之間的互操作,也就是某個(gè)個(gè)體可以控制另一個(gè)個(gè)體實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指令,而不需要經(jīng)過控制個(gè)體的處理器來做決策。個(gè)體之間的交互協(xié)同的實(shí)現(xiàn),不需要每個(gè)個(gè)體都掌握全局的信息,從而節(jié)省大量的資源。

1.2 系統(tǒng)特性

系統(tǒng)的本質(zhì)是區(qū)別于其他系統(tǒng)不一樣的方面,而系統(tǒng)的特征是該系統(tǒng)必須具備的。將系統(tǒng)的特性分為復(fù)雜性、異構(gòu)性(多樣性)、混雜性、靈活性、時(shí)間關(guān)鍵性、自治性、海量性[10-11]。

1)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[1]指出CPS是一個(gè)多維度的、動(dòng)態(tài)的、大規(guī)模的非線性系統(tǒng),具有高度的復(fù)雜性,通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán),實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能,具有復(fù)雜系統(tǒng)的“涌現(xiàn)”特質(zhì)。CPS系統(tǒng)是將通信、計(jì)算和控制功能于一身的網(wǎng)絡(luò)化的智能系統(tǒng),每個(gè)組件都具有通信、計(jì)算和控制的能力,而將所有組件統(tǒng)籌起來,就會(huì)存在許許多多的復(fù)雜問題,因此,復(fù)雜性就是系統(tǒng)的重要特性。

2)異構(gòu)性(多樣性)。CPS又是一個(gè)異構(gòu)的分布式系統(tǒng),分布異構(gòu)性是CPS的一種組成特性。其異構(gòu)性表現(xiàn)為以下3個(gè)方面:(1)傳感器、執(zhí)行器及通信網(wǎng)絡(luò)部件的異構(gòu),系統(tǒng)由異質(zhì)的物理設(shè)備構(gòu)成;(2)內(nèi)部信息的異構(gòu),系統(tǒng)涉及多樣的異構(gòu)數(shù)據(jù)需要傳輸和處理,表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的多模多態(tài)性;(3)系統(tǒng)內(nèi)部處理進(jìn)程的異構(gòu),同時(shí)包含計(jì)算進(jìn)程、物理進(jìn)程及其相互影響的反饋循環(huán),同時(shí)包含時(shí)空兩方面的因素。CPS的異構(gòu)性導(dǎo)致系統(tǒng)的混雜性,是系統(tǒng)構(gòu)建與建模的最大挑戰(zhàn)。

3)混雜性。混雜性是CPS的一種內(nèi)在組織機(jī)制特性,CPS系統(tǒng)通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合,通過實(shí)時(shí)交互來擴(kuò)展新的功能,這導(dǎo)致了系統(tǒng)的處理對(duì)象既有數(shù)字的變也有模擬的,既有離散的也有連續(xù)的,既有從靜態(tài)的也有動(dòng)態(tài)的,是一個(gè)多模、多態(tài)計(jì)算對(duì)象并存的系統(tǒng)。在微觀方面,CPS系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)間片內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)性的演化,是一種基于因果模型的演變,在宏觀方面,在整個(gè)生存期內(nèi)則又表現(xiàn)為離散狀態(tài)的遷移,而且兩者交替演進(jìn),形成復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程并生成新的功能。這種計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程深度耦合所帶來的混雜性是CPS系統(tǒng)重要特征,混雜性也構(gòu)成了CPS研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn),CPS的混雜系統(tǒng)建模是一個(gè)重要研究方向。

4)靈活性。CPS的目標(biāo)是完成各種任務(wù),那么各種資源要能夠根據(jù)任務(wù)的需要,動(dòng)態(tài)的重組和重配置。系統(tǒng)中的組件應(yīng)該具有根據(jù)具體需要,隨時(shí)隨地地加入或退出的能力。再加上系統(tǒng)中某部分組件的毀壞,系統(tǒng)要能夠自由的補(bǔ)充。如感知設(shè)備電池耗盡,要能夠自動(dòng)組織其他的設(shè)備或資源來確保感知設(shè)備的正常運(yùn)行。

5)時(shí)間關(guān)鍵性。時(shí)間關(guān)鍵性是CPS的一種內(nèi)在本原特性,CPS系統(tǒng)必須對(duì)物理世界動(dòng)態(tài)演變做出響應(yīng),時(shí)間敏感性取決于應(yīng)用的實(shí)際要求,計(jì)算組建需要實(shí)時(shí)掌握物理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),相關(guān)決策控制指令需通過網(wǎng)絡(luò)由物理設(shè)備執(zhí)行,信息獲取和提交的實(shí)時(shí)性也會(huì)影響到感知精度和決策的準(zhǔn)確性,這對(duì)計(jì)算進(jìn)程的時(shí)間有效性要求很高,對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求也非常高,新一代網(wǎng)絡(luò)是建立高性能CPS的關(guān)鍵。因此,時(shí)間關(guān)鍵性是CPS的一種內(nèi)在本原特征,不能保證時(shí)間關(guān)鍵性的系統(tǒng)從本質(zhì)上不能稱為CPS系統(tǒng)。

6)自治性。由于CPS系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化的智能系統(tǒng),因此自治性是必須滿足的。CPS系統(tǒng)是物理世界和信息世界的高度融合,物理世界產(chǎn)生的變化被智能感知,形成相應(yīng)的指令傳遞給處理器,處理器進(jìn)行處理,生成控制指令控制執(zhí)行器反作用于物理世界,進(jìn)而形成反饋的感-控系統(tǒng)。而整個(gè)過程中應(yīng)該是系統(tǒng)的自我決策、自我控制,人在整個(gè)過程中的作用是相對(duì)較小的。

7)海量性。海量信息性來源于CPS的復(fù)雜性、分布異構(gòu)性、時(shí)間關(guān)鍵性等,由于CPS可視為一系列物理設(shè)備組合而成的智能網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和交互,CPS中有海量多源異構(gòu)信息需要實(shí)時(shí)處理和傳輸,如何傳輸、處理、存儲(chǔ)系統(tǒng)中的海量信息是決定CPS性能的關(guān)鍵因素,信息融合是構(gòu)建高效CPS關(guān)鍵技術(shù)。

2 事件驅(qū)動(dòng)

如何實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的完全融合成為實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)[12]。文獻(xiàn)[13]提出事件可以很好地將物理世界與信息世界連接起來,用來實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)。事件是實(shí)現(xiàn)混雜的、大規(guī)模的、異構(gòu)的、多維的非線性的CPS系統(tǒng)一種較好的模型,并且事件模型是表示物理世界變化的一種較為自然的模型。

2.1 事件

事件是動(dòng)作發(fā)生的指示符,用來指示什么導(dǎo)致了模型中狀態(tài)的改變。事件可以包含一個(gè)或者多個(gè)參數(shù),這些參數(shù)用來描述事件的屬性、屬性值、事件可信度和事件發(fā)生的組件標(biāo)識(shí)[14-15]。

假設(shè)事件一般用四元組來表示事件:

Event={IdEvent,AttEvent,Att-valEvent,

TimeEvent,SpaceEvent,ConEvent}

其中,IdEvent表示事件Event發(fā)生在組件上,此組件的名字,用來標(biāo)識(shí),AttEvent表示事件Event的屬性集,Att-valEvent表示事件Event的屬性對(duì)應(yīng)的屬性值集,TimeEvent表示與事件Event相關(guān)的時(shí)間信息,SpaceEvent表示與事件Event相關(guān)的空間信息,ConEvent表示事件Event的可信度。

例如,事件A表示有關(guān)臥室的環(huán)境溫度,如A={sen,Tem,30 ℃,PM(3∶00),bedroom,0.9}表示,事件A發(fā)生在組件sen上,溫度為30 ℃,發(fā)生時(shí)間為下午3∶00,地點(diǎn)為臥室,該事件的可信度為90%。

2.2 事件驅(qū)動(dòng)流程

物理環(huán)境和對(duì)象狀態(tài)的逐漸變化構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)的演變,這種狀態(tài)的漸變達(dá)到一定程度則觸發(fā)具體的CPS事件,控制命令的執(zhí)行也會(huì)觸發(fā)事件,形成如下圖所示的計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的交互過程。CPS的事件驅(qū)動(dòng)性來自于系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)鍵性、自主性及異構(gòu)性等,事件驅(qū)動(dòng)性也帶來了CPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在傳輸機(jī)制上的變革,在CPS內(nèi)部,信息的傳輸不再僅基于請(qǐng)求/應(yīng)答或發(fā)布/訂閱機(jī)制,更主要的一種機(jī)制是主動(dòng)推送,實(shí)現(xiàn)按任務(wù)、角色、權(quán)限、狀態(tài)的信息與事件直接即時(shí)單/組/廣播推送。

如圖1所示,傳感器智能感知物理世界的變化生成未經(jīng)處理的CPS事件,然后經(jīng)過事件處理得到處理后的事件交給計(jì)算單元,計(jì)算單元綜合處理生成決策事件,決策單元根據(jù)事件的優(yōu)先級(jí)等,形成控制事件傳遞給執(zhí)行器,執(zhí)行器執(zhí)行控制事件觸發(fā)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移后反作用于物理世界,物理世界發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣,整個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的過程形成了CPS系統(tǒng)的反饋控制環(huán)。

圖1 CPS事件驅(qū)動(dòng)流程

3 體系架構(gòu)

CPS是高效能的網(wǎng)絡(luò)化的智能信息系統(tǒng),通過一系列計(jì)算單元和物理對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高度集成與交互提高系統(tǒng)在信息處理、實(shí)時(shí)通信、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制以及組建自主協(xié)調(diào)等方面的能力,是時(shí)空多維異構(gòu)的混雜自治系統(tǒng)[16]。因此,CPS的體系架構(gòu)是CPS系統(tǒng)的核心技術(shù),是實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。好的體系架構(gòu)可以節(jié)省大量的資源,可以更加高效地達(dá)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需要。

CPS系統(tǒng)既不是簡(jiǎn)單的分布式系統(tǒng),也不是簡(jiǎn)單的集中式系統(tǒng),CPS是多子系統(tǒng)異構(gòu)下的混合系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)異構(gòu)子系統(tǒng)之間的泛在互聯(lián)和交互協(xié)同是CPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,基于此,提出CPS體系架構(gòu)的金字塔模型。

3.1 個(gè)體

CPS中的個(gè)體是整個(gè)體系架構(gòu)的基礎(chǔ),建立好CPS中的個(gè)體,將決定整個(gè)系統(tǒng)的功能和靈活性。CPS系統(tǒng)是深度融合、智能感知、泛在互聯(lián)和交互協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)的特性,將CPS體系架構(gòu)中的個(gè)體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 體系架構(gòu)中個(gè)體示意圖

處理器的處理效率決定了CPS體系架構(gòu)中個(gè)體的感知、執(zhí)行和處理信息的效率,因此,將處理器分為感知處理器、中心處理器和執(zhí)行處理器三部分。這樣既可以提高系統(tǒng)效率,也可以更好地實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)中個(gè)體之間交互。

定義1(感知處理器) 將所有被動(dòng)采集和主動(dòng)采集的信息進(jìn)行處理,得到中心處理器需要的信息。信息的來源可以是傳感器,也可以是用戶,或者是其他處理器。

定義2(中心處理器) 處理由傳感器采集的信息,或者是由其他中心處理器傳遞過來的信息。經(jīng)過中心處理器對(duì)信息的處理,可以得到要進(jìn)行的執(zhí)行的指令或者命令等。

定義3(執(zhí)行處理器) 對(duì)由中心處理器或者其他中心處理器傳遞過來的指令或者命令等進(jìn)行響應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的控制作用,形成控制的閉環(huán)回路,更好地實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)。

如圖3所示,傳感器采集物理世界的數(shù)據(jù)或信息交給感知處理器進(jìn)行處理后,得到系統(tǒng)所需要的感知事件,在經(jīng)過中心處理器的處理器生成決策事件,傳遞給執(zhí)行處理器,執(zhí)行處理器對(duì)決策事件進(jìn)行優(yōu)先級(jí)等的判斷生成最后的控制事件,控制事件經(jīng)過執(zhí)行器的響應(yīng)作用于物理世界,形成CPS系統(tǒng)的感控系統(tǒng)。與此同時(shí),用戶可以向感知處理器發(fā)送數(shù)據(jù)或信息,來優(yōu)化、豐富信息的內(nèi)容,便于更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的感知,形成感知事件。此外,用戶也可以直接發(fā)送控制事件給執(zhí)行處理器進(jìn)行控制事件響應(yīng)的先后順序的判斷,而不需要經(jīng)過中心處理器的處理,來減少對(duì)中心處理器的占用,提高實(shí)時(shí)性。同樣,用戶也可以發(fā)送感知事件、決策事件和控制事件給中心處理器,用中心處理器來實(shí)現(xiàn)某些相關(guān)的功能等。

圖3 個(gè)體中事件驅(qū)動(dòng)的示意圖

3.2 層級(jí)

CPS中的層級(jí)是整個(gè)體系架構(gòu)的關(guān)鍵,層級(jí)關(guān)系是集中式優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn),因此,也應(yīng)是混合式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。層級(jí)是構(gòu)成龐大系統(tǒng)的基礎(chǔ),不能將任何事情都讓最低層的處理器進(jìn)行處理,這樣得到的決策考慮的不夠全面,會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性;同時(shí),也不能將所有的事情交給中央處理器進(jìn)行處理,這樣不利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效的實(shí)現(xiàn)。

中心處理器和代表處理器之間的層級(jí)關(guān)系如圖4所示,代表處理器可以直接控制屬于該代表處理器下的所有中心處理器。中心處理器不能處理的信息或指令可以通過通信鏈路傳遞給代表處理器處理,得到結(jié)果后返回給中心處理器做響應(yīng)。

圖4 最低層的層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

定義4(代表處理器) 中心處理器的代表,可以處理中心處理器不能進(jìn)行處理的信息和控制,可以提供中心處理器不能獲得的數(shù)據(jù)或信息。

定義5(低級(jí)代表處理器) 構(gòu)成金字塔模型中層級(jí)關(guān)系的基礎(chǔ),低級(jí)代表處理器受到同級(jí)處理器和比其高級(jí)的代表處理器的控制,低級(jí)代表處理器可以控制比其低級(jí)的處理器。

定義6(高級(jí)代表處理器) 構(gòu)成金字塔模型中層級(jí)關(guān)系的基礎(chǔ),同理,高級(jí)代表處理器受到同級(jí)處理器和更高級(jí)代表處理器的控制,高級(jí)代表處理器可以控制低級(jí)代表處理器。

如圖5所示,低級(jí)代表處理器和高級(jí)代表處理器構(gòu)成金字塔模型中最為重要的層級(jí)關(guān)系。層級(jí)關(guān)系是集中式的代表,但同級(jí)處理器之間的互連互通互操作又是分布式的典范。其中,低層代表處理器可能是比其更低級(jí)處理器的高級(jí)代表處理器,如中心處理器;而高級(jí)代表處理器會(huì)是更高級(jí)代表處理器的低級(jí)代表處理器,如中央處理器。最低層的事件驅(qū)動(dòng)示意圖如圖6所示。

圖5 層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 最低層的事件驅(qū)動(dòng)示意圖

如圖6、圖7所示,各級(jí)代表處理器傳遞感知、決策和控制事件給高級(jí)代表處理器處理,經(jīng)過高級(jí)代表處理器的處理,將所得的控制事件和決策事件有返回到相應(yīng)的較為低級(jí)的代表處理器處理響應(yīng)。并不是將所有的事件都要傳遞給更高級(jí)的處理器來處理,而是將自己處理不了的事件或級(jí)別較高的事件交由更高級(jí)的處理器來處理。

圖7 層級(jí)中的事件驅(qū)動(dòng)示意圖

3.3 總體

個(gè)體的設(shè)計(jì)體現(xiàn)系統(tǒng)中單獨(dú)組件功能,層級(jí)體現(xiàn)了個(gè)體與個(gè)體之間的關(guān)系,以及層級(jí)與層級(jí)之間的關(guān)系。而總體的設(shè)計(jì)是復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),關(guān)系著系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率,也是CPS系統(tǒng)中總體特性的體現(xiàn)。

定義7(中央處理器) CPS系統(tǒng)中層級(jí)最高的處理器,可以處理系統(tǒng)中的所有信息和控制指令,并且不會(huì)成為其他代表處理器的低級(jí)代表處理器。中央處理器可以控制該系統(tǒng)中所有的層級(jí)和所有的個(gè)體。

層級(jí)模型如圖8所示,層級(jí)模型中的事件驅(qū)動(dòng)示意圖如圖9所示,在CPS的體系架構(gòu)中,高級(jí)的代表處理器可以直接傳遞決策事件和控制事件給較為低級(jí)的代表處理器,中心處理器是最低級(jí)的代表處理器,而中央處理器是最高級(jí)的代表處理器。與此同時(shí),較為低級(jí)的代表處理器向比其高級(jí)的代表處理器的傳送感知事件和決策事件。比如,屬于同一個(gè)代表處理器下的個(gè)體,它們可以相互操作。而不屬于同一個(gè)代表處理器下的個(gè)體,如果要進(jìn)行相互控制必須經(jīng)過這些個(gè)體對(duì)應(yīng)的代表處理器之間的聯(lián)系,從而實(shí)現(xiàn)互操作。此外,高級(jí)處理器可以控制所有下屬的個(gè)體或?qū)蛹?jí)間的代表處理器,中央處理器可以控制所有的代表處理器。

圖8 層級(jí)模型

圖9 層級(jí)模型中的事件驅(qū)動(dòng)示意圖

層級(jí)與層級(jí)之間是集中式處理,而層級(jí)內(nèi)部是分布式處理,高級(jí)的代表處理器可以直接控制最底層的中心處理器,但是不能控制其感知處理器和執(zhí)行處理器。這樣就形成了層級(jí)之間集中式、層級(jí)內(nèi)部分布式的混合式的體系架構(gòu)。

4 應(yīng)用舉例

智能家居系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù),將與家居生活有關(guān)的子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起,通過統(tǒng)籌管理,使家居生活更加舒適、安全、有效。智能家居系統(tǒng)是一種具體的CPS系統(tǒng),本文以臥室、客廳中的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、遮陽通風(fēng)系統(tǒng)為例,驗(yàn)證CPS體系架構(gòu)的層級(jí)結(jié)構(gòu)模型[17-19]。

4.1 個(gè)體應(yīng)用舉例

本文以臥室的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)和客廳的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)作為CPS體系架構(gòu)中的個(gè)體。這些個(gè)體的結(jié)構(gòu)類似,如圖2所示,只是每個(gè)個(gè)體的感知的變化和控制指令不盡相同。比如,臥室的照明系統(tǒng),如果人們進(jìn)入了睡眠狀態(tài),其應(yīng)該調(diào)整其靈敏度,不會(huì)因?yàn)楦鞣N小聲音使燈打開,影響人的休息。而在書房中的照明系統(tǒng)與臥室的照明系統(tǒng)是不一樣的,客廳中的照明系統(tǒng)會(huì)根據(jù)人看書的時(shí)間以及外部環(huán)境的亮度,調(diào)節(jié)燈的明亮程度,使人們進(jìn)行舒適的閱讀。其他幾個(gè)個(gè)體之間也存在類似的不同,而不同性能的個(gè)體之間的不同是比較大的。

4.2 層級(jí)應(yīng)用舉例

將臥室的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和遮陽通風(fēng)系統(tǒng)作為一個(gè)代表處理器下的3個(gè)個(gè)體,同樣,客廳的3個(gè)子系統(tǒng)形成各自的代表處理器下的單獨(dú)個(gè)體,如圖10所示。照明系統(tǒng)可以直接控制空調(diào)系統(tǒng)和遮陽通風(fēng)系統(tǒng),同樣,其他2個(gè)系統(tǒng)也可以控制照明系統(tǒng),都不用經(jīng)過代表處理器的處理,可以直接傳遞控制指令給相應(yīng)的響應(yīng)部件。比如,空調(diào)要進(jìn)行升溫操作,可以直接控制遮陽通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)上窗戶,這時(shí)不用將信息傳遞給遮陽通風(fēng)系統(tǒng)的處理器,直接傳遞給執(zhí)行處理器即可。實(shí)現(xiàn)物體和物體直接的互操作,節(jié)省大量的資源。

圖10 智能家居中臥室層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 總體應(yīng)用舉例

針對(duì)臥室和客廳中的照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和遮陽通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)形成如圖11所示的體系架構(gòu)的層級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖11 智能家居系統(tǒng)總體的層級(jí)模型

如果臥室里的照明系統(tǒng)要控制客廳里的照明系統(tǒng),要經(jīng)過其相應(yīng)的代表處理器之間的交互來實(shí)現(xiàn)。比如,人從臥室到客廳,臥室照明系統(tǒng)發(fā)送指令給自己的代表處理器,然后在傳遞給客廳的代表處理器控制客廳的燈亮。此外,個(gè)體要控制另一個(gè)代表處理器下的所有個(gè)體,也是要通過同樣的過程進(jìn)行控制。

經(jīng)過對(duì)智能家居系統(tǒng)的體系架構(gòu)的設(shè)計(jì),可以驗(yàn)證CPS體系架構(gòu)的層級(jí)結(jié)構(gòu)模型的有效性,并繼承了集中式和分布式相對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),得到的效果也表明了該體系架構(gòu)既優(yōu)于集中式的系統(tǒng)架構(gòu),又優(yōu)于分布式的系統(tǒng)架構(gòu)。

智能家居體系架構(gòu)的語義,如圖12所示,處理器之間相互傳遞相關(guān)的事件,這里將事件分為3類:A類事件為感知或決策事件,B類事件為決策或控制事件和C類事件為感知、決策或控制事件。同層級(jí)之間相互傳遞的事件為C類事件,因?yàn)橥瑢蛹?jí)之間可以不經(jīng)過上一層級(jí)的允許實(shí)現(xiàn)互操作,而不同層級(jí)之間是不可以傳遞C類事件。較高層級(jí)可以傳遞B類事件給較低層級(jí),這說明較高層級(jí)的代表處理器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較低層級(jí)的控制,而較低層級(jí)只能傳遞A類事件給較高層級(jí),因?yàn)檩^低層級(jí)只能為較高層級(jí)的決策和控制提供相應(yīng)的事件,而不能實(shí)現(xiàn)較低層級(jí)對(duì)較高層級(jí)的控制。

圖12 智能家居中事件驅(qū)動(dòng)示意圖

文獻(xiàn)[6-7]中所提出的CPS體系架構(gòu)的模型從整體方面將CPS系統(tǒng)分為3層,即物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,并沒有詳細(xì)說明用什么驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)的運(yùn)行。文獻(xiàn)[20]提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的事件模型,將離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)聯(lián)系起來。通過文獻(xiàn)中提出的體系架構(gòu)模型,不能方便地構(gòu)建具體的CPS系統(tǒng)。

本文提出的基于事件驅(qū)動(dòng)的CPS的體系架構(gòu)模型,既可以很好地繼承數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)所帶來的優(yōu)勢(shì),也可以在實(shí)現(xiàn)上減少系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),因?yàn)槭录窍到y(tǒng)感興趣的數(shù)據(jù),所以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步篩選?？梢栽谕ㄐ?、計(jì)算和存儲(chǔ)以及理解上帶來很大的便利,符合人類的思考習(xí)慣。此外,本文提出的層級(jí)模型可以很好地構(gòu)造CPS系統(tǒng),比如智能家居、智能交通以及智慧城市等。并且,通過系統(tǒng)中語義在層級(jí)模型中的語義,可以很好地為計(jì)算機(jī)提供清晰的流程和思路。

5 結(jié)束語

CPS是物理世界和信息世界深度融合的大規(guī)模、異構(gòu)的系統(tǒng),設(shè)計(jì)好的體系架構(gòu),有利于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本文提出基于事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu)的層級(jí)模型。對(duì)系統(tǒng)的本質(zhì)和特性進(jìn)行分析,給出事件驅(qū)動(dòng)下CPS系統(tǒng)的事件語義模型,并以智能家居系統(tǒng)為例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。下一步將在此體系構(gòu)架下,分析整個(gè)事件的驅(qū)動(dòng)過程,具體細(xì)化事件驅(qū)動(dòng)的各個(gè)步驟,從而實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)。

[1] BAHETI R,GILL H.Cyber-physical systems[J].The Impact of Control Technology,2011,12:161-166.

[2] 景 博,周 偉,黃以鋒,等.信息物理融合系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,15(2):1-6.

[3] LEE E A.Cyber physical systems:design challenges[C]//Proceedings of IEEE International Symposium on Object Oriented Real-time Distributed Computing.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2008:363-369.

[4] RAJKUMAR R,LEE I,SHA L,et al.Cyber-physical systems:the next computing revolution[C]//Proceedings of Design Automation Conference.New York,USA:ACM Press,2010:731-736.

[5] WOLF W.Cyber-physical systems[J].Computer,2009,42(3):88-89.

[6] 李仁發(fā),謝 勇,李 蕊,等.信息-物理融合系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2012,49(6):1149-1161.

[7] TAN Yin,GODDARD S,REZ L C.A prototype architecture for cyber-physical systems[J].ACM Sigbed Review,2008,5(1):1-2.

[8] 何 明,梁文輝,陳希亮,等.CPS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2013,40(11):18-22.

[9] RAJKUMAR R,LEE I,SHA L,et al.Cyber-physical systems:the next computing revolution[J].Adream,2010,14(6):731-736.

[10] 黎作鵬,張?zhí)祚Y,張 菁.信息物理融合系統(tǒng)CPS研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011,38(9):25-31.

[11] 陳麗娜,王小樂,鄧 蘇.CPS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011,38(5):295-299.

[12] DERLER P,LEE E A,VINCENTELLI A S.Modeling cyber-physical systems[J].Proceedings of the IEEE,2012,100(1):13-28.

[13] TALCOTT C.Cyber-physical systems and events[J].Software-intensive Systems and New Computing Paradigms,2008,5380:101-115.

[14] TAN Y,VURAN M C,GODDARD S,et al.A concept lattice-based event model for cyber-physical systems[C]//Proceedings of the 1st ACM/IEEE International Conference on Cyber-physical Systems.New York,USA:ACM Press,2010:50-60.

[15] 鐘 智,羅大庸,樊曉平,等.基于事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(11):69-72.

[16] 曹科寧.面向大規(guī)模CPS系統(tǒng)的復(fù)雜事件處理技術(shù)研究[D].長沙:湖南大學(xué),2014.

[17] 呂 莉,羅 杰.智能家居及其發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2007(11):18-20.

[18] 李曉華,趙現(xiàn)綱.一種基于多Agent的智能家居系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32(21):233-234.

[19] DAVIDOFF S,MIN K L,YIU C,et al.Principles of smart home control[J].Lecture Notes in Computer Science,2006,4206:19-34.

[20] 楊 帆,劉 彥,李仁發(fā),等.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的CPS建模方法研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2016,39(5):961-972.