信息物理系统的发展趋势分析*

罗俊海 ，肖志辉 ，仲昌平

（1.电子科技大学电子工程学院 成都 611731；2.迈普通信技术股份有限公司 成都 610041）

1 引言

随着计算机技术（特别是嵌入式计算技术）、通信技术（特别是无线通信技术）、自动控制技术和传感器技术（特别是无线传感器网络技术）的迅速发展，信息物理系统（cyber physical system,CPS）应运而生。

目前CPS还没有一个统一的明确定义，本文的定义为：CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制(computing,communication,control，3C)能力的网络化物理设备系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现现实世界与信息世界的协同和实时交互，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等服务。图1展示了 CPS 3C能力之间的相互协同过程。

另外，随着CPS认识的逐步深入，本文认为CPS将由3C的核心概念逐步向“5C+5Any”的核心概念转换。5C分别是融合 (convergence)、通信(communication)、计算(computing)、连接(connectivity)、内容(content)；5Any分别是任意时间 (anytime)、任意地点 (anywhere)、任意服务(anyservice)、任意网络(anynetwork)和任意对象(anyobject)。

图1 CPS 3C能力之间的相互协同过程

CPS中所有研究的对象都统一看作设备终端，让设备终端具有智能化，通过泛在相连实现终端间的信息交换[1]。CPS通过传感器节点、执行器节点、传感器与执行器组合节点分布在物理世界，实现对物理世界的全面感知，并通过操控物理世界的对象正确地控制物理世界。CPS的计算系统完成各种计算任务，提供各种服务；控制系统使用感知信息和计算系统提供的信息与服务，确定对物理世界的控制策略，协调各个执行器对物理世界对象的操作，实施对物理世界的协同控制，有机地实现物理世界和信息世界的融合。CPS通信网络可以逻辑地视为传感器网络、执行器网络、计算机网络和基础网络构成的无处不在的通信网络。

CPS应用极为广泛，包括医疗器件和系统、生活助理、交通控制、先进自动化系统、过程控制、能源消耗与再生、环境保护、智能、重要基础设施控制（如电力资源、通信系统、水资源等）、智能机器人、医疗设施、航空航天、信息安全和国防系统等。

2 国内外发展现状

CPS是当今最前沿的交叉研究领域之一，被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次信息浪潮，将会改变人与现实物理世界之间的交互方式，具有广泛的应用前景。CPS得到了国内外学术界及工业界的广泛关注和高度重视，并已经投入了大量的人力和物力，从事CPS领域基础理论及应用研究。

2007年8月，美国明确建议把CPS作为美国联邦政府研究投入最高优先级的课题，从此开启了美国对CPS研究的大门。美国很多高校和研究单位都针对CPS提出了自己的观点和愿景。

2009年5月，来自加州伯克利分校、卡内基·梅隆大学等高校和波音、博世、丰田等企业界的研究人员参加了由美国计算机领域研究人员的社团组织——计算社区联盟资助的以“CPS研究中的产业-学术界新型伙伴关系”为主题的研讨会，会议最终发布了《产业与学术界在CPS研中的协作》白皮书[2]。

从2006年到 2010年 3月1日，NSF（national sanitation foundation）共批准CPS相关项目133余项，其中2006年8项，2007年26项，2008年32项，2009年66项。资助范围很广，包括基础结构、基本理论、网络基础、支持技术、应用、相关国际会议及博士生论坛等。

欧洲联盟计划从2007年到2013年在CPS相关的嵌入智能与系统的研究与技术(ARTMEIS)上投入54亿欧元。当前其有关CPS的探索性研究成果主要有：CPS系统结构、相关技术挑战、系统建模、系统安全、QoS和应用案例等[3]。

目前，国际上的CPS研究工作刚刚开始，研究工作仅触及CPS的少数几个方面，研究成果比较少。总体来说，可以分为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逐渐引起国内有关部门、学者以及企业界的广泛关注和高度重视。2010年，国家“863”计划信息技术领域办公室和国家“863”计划信息技术领域专家组在华东师范大学举办了“信息—物理融合系统发展战略论坛，探讨了CPS科学基础及其关键技术、国民经济领域CPS应用系统示范及国家急需的CPS应用系统战略布局，并就3G与CPS融合、智能电网的CPS应用、CPS技术发展与智能交通、CPS技术在数字医疗、数字农业、公共安全等领域的应用进行了研讨[4]。

目前国内从事CPS研究的机构不多，西北工业大学、大连理工大学、电子科技大学等高校创立了CPS研究组，但这些机构都没有从CPS系统结构及实时性方面展开研究。相信随着CPS关注度的提高，国内从事CPS研究的学者和机构会越来越多[5]。

3 CPS架构

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、异构的分布式实时系统。CPS体系架构如图2所示。

（1）感知层

由传感器、控制器和采控器等感知设备组成，负责感知用户感兴趣的物理世界的某些物理属性，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、脉搏等生命特征参数等，实现多感知器协同感知物理世界状态。

（2）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，为系统提供实时网络服务，保证网络分组的实时传输。

（3）认知层

通过感知数据的认知计算、分析和推理，正确和深入地认识物理世界。该层分为认知逻辑层、管理逻辑层和认知适配层3个子层。

（4）控制层

控制层也可以叫应用层。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。当物理世界的被控制量偏离规定值时，CPS自动产生相应的控制作用消除偏差。

4 CPS业务特征

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，完成应用相关的业务逻辑。

CPS应用非常丰富，各种应用的特征各不相同。例如在健康医疗生命体征监测应用中，普通的生命体征数据只需要周期性地传送或在事件驱动的情况下传送，只需要传输少量的数据信息，不需要很大的网络带宽，但紧急情况下的数据信息需要实时传送，因此需要较高级别的QoS保证[6,7]。而在视频监控类业务中则需要传输大量的监控信息，需要较高的网络带宽。与话音等传统通信业务相比，CPS应用在通信特征方面呈现出差异化和多样化，具有如下业务特征。

图2 CPS体系架构

·环境感知性。CPS应用可以通过传感器等感知设备对周围环境进行感知，自动获取环境信息。

·自组织、自愈性。节点可以动态、智能地接入网络，网络具有分布式自恢复能力。

·异构性、泛在性。多种接入和承载方式融合在一起，实现无缝接入。任何对象（人或设备等）无论何时、何地都能通过合适的方式获得所需要的信息与服务。

·移动性、宽带性。不同的CPS终端设备具有不同的移动性特征，有些是固定不动的，有些只进行低速移动，而有些则可能会高速移动。网络可以支持具有不同移动特性的对象的移动与漫游，支持无缝切换及移动性管理，提供连续的业务体验。

·开放性、透明性。CPS网络各个层次的能力都是开放的，通过标准的接口对外提供服务，有助于业务提供者方便、快速、灵活地开发和部署丰富的业务。

·可管可控性。提供统一的管理平台，对互连的不同网络设备实施各种管理和控制，从而实现对全网的综合管理，包括终端设备及业务接入鉴权、QoS保证等，使用户获得可管理可控制的优质CPS服务。

·时空约束性。CPS业务具有严格的实时性和空间约束，并且不同业务可能有不同的时间和空间粒度。

·不确定性。CPS业务具有不确定性，主要来源于测量误差、计算模型误差、无线通信等因素。

·融合性、协同性。数字化、多媒体化的信息服务将融入人们日常工作、生产、生活中，信息整合和服务协同是泛在服务的核心。CPS中的物理设备强调精确控制，要实现度量标准，并且能实现远程交互和协作完成具体任务的自主管理，这些任务不是靠一个或几个设备完成的，而要靠众多物理设备协作完成。

·安全性。CPS业务应提供从机器终端设备到应用服务的端到端的安全传输保证，同时，网络作为终端层和应用服务的数据传输中介，应对数据传输的双方进行认证和授权，实现CPS的全程安全管控。

5 CPS发展所面临的挑战

从规模上看，由于CPS相关面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。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、协同和自治能力的设备，据估计物联网的市场规模达到上万亿元，而CPS的市场规模远远超出物联网的，难以计数。

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[8]。

5.1 CPS差异化

CPS包括了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制，使CPS具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治的功能。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展的网络，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。和其他系统相比，CPS体现了如下的差异化。

·多维度开放式系统。CPS不是单维度封闭系统，其具有高度的复杂性，能够支持各类型的物理设备系统，具有开放性。

·强调物理设备和信息系统的深度整合，但目前缺乏进行这种整合的基础。控制论和计算机分属两个学科，各学科解决问题的思路存在着极大的差异。研究物理的人会用微分方程刻画世界，而研究计算机的人习惯用离散数学和形式化语言描述模型。

·基于模型开发。现有系统只关心数据在存储器中的状态变化，无法描述物理设备的多种行为和信息之间的交互。

·具有时间和空间的概念。现有的编程语言能力无法满足CPS的这种需要。

·海量数据处理。现在对于海量数据处理的研究不多，主要来源于互联网上的数据。

5.1.1 CPS与传统嵌入式系统的差异化

CPS不能仅仅通过传统的嵌入式方式为物理系统扩展或者增加新的功能。传统的嵌入式方式已不再适应新一代物理系统的信息化和网络化的需要，CPS需要开放、可靠和确定的嵌入式系统。CPS中的嵌入式计算系统不是传统的封闭性系统，而是可以通过网络与其他信息系统进行互联和互操作的系统；要求的嵌入式系统是一种开放的嵌入式系统，可以提供标准的网络访问接口和交互协议、标准的计算平台和服务调用接口、标准的计算环境和管理界面。

5.1.2 CPS与物联网、传感网的差异化

从名称来看，物联网偏重工程技术，而CPS则偏重科学技术研究；从概念内涵角度来看，物联网突出物与物间的互联，而CPS在物与物互联的基础上，还强调对物的实时、动态的信息控制与信息服务。

另外，传感网由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，用于感知和采集网络覆盖区域内被监测对象和事件的信息，是CPS感知和监测物理世界的有效手段。但其仅仅是采集和传递数据，并没有涉及核心控制技术，也不具备CPS要求的高可靠性。所以传感网并不是物联网，更不是CPS，传感网的相关技术在一定程度上可以支撑CPS的开发[9]。

5.2 CPS发展所面临的挑战

目前，有关CPS的研究还处于起步和探索阶段，研究者面临很多挑战，如CPS的设计、构造、测试和维护的成本高、难度大，精细化集成技术，可靠性和实时性要求，安全性等。下面将从以下几个方面阐述CPS研究所面临的挑战。

5.2.1 物理系统与计算系统的协同处理

从上面的定义和分析可以看出，CPS的特点之一就是协同，所以在进行CPS研究和技术开发时，必须处理物理系统与计算系统之间的协同关系。CPS在面向物理环境感知时，具有空间和时间上的关系，所以计算系统必须保证在事件处理、决策和控制时是准确和实时的，确保在物理系统控制和操作的空间和时间上的正确性。另外，正因为事件的时空相关性，在进行CPS研究的同时，必须有效地利用事件的时空关系，进行数据处理和计算。

5.2.2 物理系统与网络系统的协同处理

网络系统实现了无处不在的通信接入，使得物理设备能够进行信息交互。所以，在进行CPS研究和技术开发时，必须处理物理系统与网络系统之间的协同关系。建立物理系统和网络系统之间的协同模型，定性和定量地分析物理系统和网络系统之间的协同关系。必须摒弃传统的分别评价、建模和仿真CPS的方式，这样无法构建物理系统与网络系统之间的协同与依赖关系。

5.2.3 计算系统与网络系统的协同处理

由于物理系统中物理设备的安全性、面向对象性和可靠性的需要和通用的计算系统中的部件存在着本质上的差异，因此必须考虑计算系统和网络系统之间的协同关系。研究物理系统的动态性、计算的离散性和时序性，重构计算和网络的抽象体系，如编程语言中增加时序，网络增加时序，重新定义OS、编程语言的接口，重新划分软硬件，构建面向CPS中间件，系统正确性验证技术、嵌入式服务开发技术，提供实时安全的数据服务技术、隐私保护技术以及安全控制技术等。

5.2.4 示范工程建设的挑战

这一挑战基于CPS的应用。CPS的典型示范系统，例如智慧城市、智慧农业、智慧医疗系统等，都会涉及较为复杂的基本建设工程和公共设施工程。首先必须保证无处不在的网络通信的基础设施，保证所有的物理设备能够正确接入，特别是无线接入方式。所以构建全覆盖的无线网络基础设施就是开展示范工程的第一件事情，而且很难在短时间内完成。另外，示范工程的建设必须要按需进行引导，建立相互融合的综合性平台应用，避免单一应用的示范工程建设。

总之，CPS研究所涉及的科学与技术问题非常广泛，包含了理论建模和计算，系统集成与验证，分布式传感，计算,通信和网络控制，CPS领域语言，程序设计自动化和高可信软件，物理接口与挖掘，安全、隐私和信任，示范工程等。这些方面需要继续投入人力和物力进行研究与开发。

6 结束语

CPS是未来经济增长的亮点，是下一次信息化技术革命浪潮。CPS桥接了原来完全分割的虚拟世界和现实世界，使得虚拟网络世界智能化，并基于物理世界与虚拟世界的相互连接，有机地实现信息交互，并且能够优化物理世界设备之间的控制、操作和传递，构成一个泛在、绿色、智能、高效的物理世界，使得现实世界更加丰富多彩。

可以看出，CPS的研究是一项长远的计划，其应用涉及各行各业，是一项庞大的综合性、复杂性系统，所以对CPS的研究必须着眼于现在，展望于未来数十年或更长时间进行的系统设计、构造、实现、优化和跟踪，使得研究者按需进行有计划、分阶段的研究和开发工作。对于CPS的研究挑战与机遇并存，只要能够科学分析、优化决策，持续地研究和开发，按需引导，必将获得发展与成功。

1 信息物理系统(CPS).http://book.51cto.com/art/201105/260231.htm

2 CPS计划:物联网的他山之石.http://www.ciw.com.cn/newsdemo/ciwnews/201004/20100406110255-71689.shtml

3 CPS简介.http://wenku.baidu.com/view/70697f28915f804d2b16 c1a9.html

4 何积丰.Cyber physical systems.中国计算机学会通讯,2010(5):25～29

5 谭朋柳,舒坚,吴振华.一种信息—物理融合系统体系结构.计算机研究与发展,2010(5):312～316

6 刘祥志,刘晓建,王知学等.信息物理融合系统.山东科学,2010,47(z2):56～61

7 信息物理融合系统(CPS)中的数据管理关键技术.http://www.efst.sh.cn/showKnowledge.do?id=576

8 信息物理融合系统(CPS)的概念、特点、挑战和研究进展.http://wenku.baidu.com/view/4e94cebec77da26925c5b050.html

9 物联网综述.http://wenku.baidu.com/view/73625a35f111f18583 d05ad8.html