ChapterII

CPS1林獻(xiàn)坤1306355233@ChapterIICPS1林獻(xiàn)坤2CPS起源、定義與意義CPS特征CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPS支撐技術(shù)CPS挑戰(zhàn)與機遇Content2CPS起源、定義與意義Content3SectionI:CPS的由來

21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改變了人類環(huán)境。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了人類通信和管理信息的方式；信息技術(shù)使人類管理物理環(huán)境的方式改變；

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓人類主動地全方面感知，實現(xiàn)智慧的感知生活；

信息物理系統(tǒng)技術(shù)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合。

信息物理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的自然銜接，使人類真正進(jìn)入智能時代。3SectionI:CPS的由來21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)4SectionI:物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。傳感器技術(shù)是連接物聯(lián)網(wǎng)與各領(lǐng)域的直接載體。物聯(lián)網(wǎng)的集成傳感器技術(shù)4SectionI:物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(Internetof5SectionI:CPS的定義信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-PhysicalSystems）是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computer、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS作為計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。5SectionI:CPS的定義信息物理系統(tǒng)（CPS,6SectionI:CPS的定義CPS中，計算和通信嵌入物理進(jìn)程中，并與之深度交互，使得物理系統(tǒng)具有新的性能。6SectionI:CPS的定義CPS中，計算和通信嵌入7SectionI:CPS的意義將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。CPS本質(zhì)上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，因為CPS強調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。思考：

與SCADA的區(qū)別？

與物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別？智能番茄養(yǎng)育機器人7SectionI:CPS的意義將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，連接到互8SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)8SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)9CPS的核心要素9CPS的核心要素10SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)10SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)11CPS的三個層次SoS=systemofsystem11CPS的三個層次SoS=systemofsyst12CPS的六大特征12CPS的六大特征13CPS的六大特征13CPS的六大特征14CPS的六大特征14CPS的六大特征15CPS的六大特征15CPS的六大特征16CPS的六大特征16CPS的六大特征17CPS的六大特征17CPS的六大特征18CPS的支撐技術(shù)18CPS的支撐技術(shù)19CPS的支撐技術(shù)普適計算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合，與CPS從設(shè)計目的到工作模式都非常相似；嵌入式計算與控制的概念結(jié)合在一起，通過嵌入到物理系統(tǒng)中，實現(xiàn)“環(huán)境智能化”；分布式計算是將復(fù)雜的問題分配給許多計算機解決，實現(xiàn)了計算資源共享和平衡計算負(fù)載；云計算是分布式計算發(fā)展的新計算模式，將計算、數(shù)據(jù)和應(yīng)用等資源作為服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶；19CPS的支撐技術(shù)普適計算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合，20CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護機制，解決物理環(huán)境的不確定性和不可控的條件對ＣＰＳ的不利影響.移動計算實現(xiàn)了計算機與其他的智能信息設(shè)備在無線環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享；可信計算在計算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件的安全模塊，從全新的觀點解決計算的安全問題。20CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自21CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護機制，解決物理環(huán)境的不確定性和不可控的條件對ＣＰＳ的不利影響.移動計算實現(xiàn)了計算機與其他的智能信息設(shè)備在無線環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享；可信計算在計算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件的安全模塊，從全新的觀點解決計算的安全問題。21CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自22CPS的支撐技術(shù)下一代互聯(lián)網(wǎng)（ＮＧＩ）和下一代網(wǎng)絡(luò)（ＮＧＮ）將為CPS發(fā)揮重要的支撐作用。作為NGI核心的IPv6技術(shù)，提供了豐富的地址資源，使眾多的物理對象的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)成為可能；基于軟交換技術(shù)的NGN是能夠提供數(shù)據(jù)、語音和視頻多媒體技術(shù)的電信網(wǎng)絡(luò)。廣域的測試平臺GENI(GlobalEnvironmentfornetworkingInvestigation)將有助于下一代CPS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的試驗.22CPS的支撐技術(shù)下一代互聯(lián)網(wǎng)（ＮＧＩ）和下一代網(wǎng)絡(luò)（ＮＧ23CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS應(yīng)用覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應(yīng)用，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治能力的設(shè)備。因此CPS的發(fā)展將面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但機遇也是無限的。23CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS應(yīng)用覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大24CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS與物理世界的深度融合，以及系統(tǒng)的規(guī)模（時間與空間）與復(fù)雜性是CPS為計算機科學(xué)領(lǐng)域帶來挑戰(zhàn)的根本原因。1)基礎(chǔ)分歧：計算機科學(xué)建立在離散數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上，而工程以連續(xù)數(shù)學(xué)為主。如何實現(xiàn)離散的、異步的計算進(jìn)程與連續(xù)的、同步的物理進(jìn)程的緊密結(jié)合，是CPS研究的根本性挑戰(zhàn)。2）缺乏協(xié)同分析與協(xié)同設(shè)計：目前計算機硬件與軟件、計算系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的評估、建模與仿真都采用分離的方式完成，缺乏必要的協(xié)同設(shè)計與協(xié)同分析。硬件與軟件分離導(dǎo)致約束過度或約束不足，難以評估設(shè)計決策的影響；計算系統(tǒng)與物理系統(tǒng)分離導(dǎo)致不能完全地捕捉到這些系統(tǒng)之間的相互依賴性，理解這些依賴性是精確表示和建模CPS的關(guān)鍵前提。24CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS與物理世界的深度融合，以及系25CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)3）系統(tǒng)設(shè)計與驗證的挑戰(zhàn)：由于CPS包含了不同的物理和計算組件及系統(tǒng)之間的交互，因此在魯棒性、可靠性、效率和實時性方面的系統(tǒng)設(shè)計成為一個關(guān)鍵問題，并且由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，所需的開發(fā)時間成指數(shù)增長。CPS的模型包含了硬件、軟件和物理環(huán)境的各種細(xì)節(jié)以及不同系統(tǒng)的異構(gòu)性，導(dǎo)致了狀態(tài)空間膨脹，為系統(tǒng)驗證帶來了巨大的挑戰(zhàn)，極大地增加了驗證成本。4)計算的核心抽象區(qū)少時間語義：目前計算機領(lǐng)域里所有較高級別的抽象中都隱藏著時間性，程序的執(zhí)行是不可預(yù)測的，尤其是在復(fù)雜的CPS中。但是由于CPS要實現(xiàn)計算與物理世界的直接交互，因此不能講時間抽象分離。25CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)3）系統(tǒng)設(shè)計與驗證的挑戰(zhàn)：由于CPChapterII

CPS26林獻(xiàn)坤1306355233@ChapterIICPS1林獻(xiàn)坤27CPS起源、定義與意義CPS特征CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPS支撐技術(shù)CPS挑戰(zhàn)與機遇Content2CPS起源、定義與意義Content28SectionI:CPS的由來

21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改變了人類環(huán)境。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了人類通信和管理信息的方式；信息技術(shù)使人類管理物理環(huán)境的方式改變；

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓人類主動地全方面感知，實現(xiàn)智慧的感知生活；

信息物理系統(tǒng)技術(shù)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合。

信息物理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的自然銜接，使人類真正進(jìn)入智能時代。3SectionI:CPS的由來21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)29SectionI:物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。傳感器技術(shù)是連接物聯(lián)網(wǎng)與各領(lǐng)域的直接載體。物聯(lián)網(wǎng)的集成傳感器技術(shù)4SectionI:物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)(Internetof30SectionI:CPS的定義信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-PhysicalSystems）是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computer、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS作為計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。5SectionI:CPS的定義信息物理系統(tǒng)（CPS,31SectionI:CPS的定義CPS中，計算和通信嵌入物理進(jìn)程中，并與之深度交互，使得物理系統(tǒng)具有新的性能。6SectionI:CPS的定義CPS中，計算和通信嵌入32SectionI:CPS的意義將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。CPS本質(zhì)上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，因為CPS強調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。思考：

與SCADA的區(qū)別？

與物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別？智能番茄養(yǎng)育機器人7SectionI:CPS的意義將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，連接到互33SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)8SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)34CPS的核心要素9CPS的核心要素35SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)10SectionII:CPS的體系結(jié)構(gòu)36CPS的三個層次SoS=systemofsystem11CPS的三個層次SoS=systemofsyst37CPS的六大特征12CPS的六大特征38CPS的六大特征13CPS的六大特征39CPS的六大特征14CPS的六大特征40CPS的六大特征15CPS的六大特征41CPS的六大特征16CPS的六大特征42CPS的六大特征17CPS的六大特征43CPS的支撐技術(shù)18CPS的支撐技術(shù)44CPS的支撐技術(shù)普適計算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合，與CPS從設(shè)計目的到工作模式都非常相似；嵌入式計算與控制的概念結(jié)合在一起，通過嵌入到物理系統(tǒng)中，實現(xiàn)“環(huán)境智能化”；分布式計算是將復(fù)雜的問題分配給許多計算機解決，實現(xiàn)了計算資源共享和平衡計算負(fù)載；云計算是分布式計算發(fā)展的新計算模式，將計算、數(shù)據(jù)和應(yīng)用等資源作為服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶；19CPS的支撐技術(shù)普適計算體現(xiàn)了信息空間與物理空間的融合，45CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護機制，解決物理環(huán)境的不確定性和不可控的條件對ＣＰＳ的不利影響.移動計算實現(xiàn)了計算機與其他的智能信息設(shè)備在無線環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享；可信計算在計算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件的安全模塊，從全新的觀點解決計算的安全問題。20CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自46CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護機制，解決物理環(huán)境的不確定性和不可控的條件對ＣＰＳ的不利影響.移動計算實現(xiàn)了計算機與其他的智能信息設(shè)備在無線環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享；可信計算在計算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件的安全模塊，從全新的觀點解決計算的安全問題。21CPS的支撐技術(shù)自律計算也稱為自主計算，通過自配置、自47CPS的支撐技術(shù)下一代互聯(lián)網(wǎng)（ＮＧＩ）和下一代網(wǎng)絡(luò)（ＮＧＮ）將為CPS發(fā)揮重要的支撐作用。作為NGI核心的IPv6技術(shù)，提供了豐富的地址資源，使眾多的物理對象的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)成為可能；基于軟交換技術(shù)的NGN是能夠提供數(shù)據(jù)、語音和視頻多媒體技術(shù)的電信網(wǎng)絡(luò)。廣域的測試平臺GENI(GlobalEnvironmentfornetworkingInvestigation)將有助于下一代CPS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的試驗.22CPS的支撐技術(shù)下一代互聯(lián)網(wǎng)（ＮＧＩ）和下一代網(wǎng)絡(luò)（ＮＧ48CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS應(yīng)用覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應(yīng)用，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡單地連在一起，而是要催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治能力的設(shè)備。因此CPS的發(fā)展將面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但機遇也是無限的。23CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS應(yīng)用覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大49CPS的重大機遇與挑戰(zhàn)CPS與物理世界的深度融合，以及系統(tǒng)的規(guī)模