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1、Chapter II CPS,1,林献坤,2,CPS起源、定义与意义CPS特征CPS系统结构CPS支撑技术CPS挑战与机遇,Content,3,Section I:CPS的由来,21世纪信息产业发展，改变了人类环境。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，使人类真正进入智能时代。,4,Section I:物联网,物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有
2、能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。,传感器技术是连接物联网与各领域的直接载体。,物联网的集成,传感器技术,5,Section I:CPS的定义,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（Computer、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 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
3、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。,6,Section I:CPS的定义,CPS中，计算和通信嵌入物理进程中，并与之深度交互，使得物理系统具有新的性能。,7,Section I:CPS的意义,将物理设备联网，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。思考：与SCADA的区别？与物联网的区别？,智能番茄养育机器人,8,Sect
4、ion II:CPS的体系结构,9,CPS的核心要素,10,Section II:CPS的体系结构,11,CPS的三个层次,SoS=system of system,12,CPS的六大特征,13,CPS的六大特征,14,CPS的六大特征,15,CPS的六大特征,16,CPS的六大特征,17,CPS的六大特征,18,CPS的支撑技术,19,CPS的支撑技术,普适计算体现了信息空间与物理空间的融合，与CPS从设计目的到工作模式都 非常相似；嵌入式计算与控制的概念结合在一起，通过嵌入到 物理系统中，实现“环境智能化”；分布式计算是将复杂的 问题分配给许多计算机解决，实现了计算资源共享和平衡计 算负载
5、；云计算是分布式计算发展的新计算模式，将计算、数据和应用等资源作为服务通过互联网提供给用户；,20,CPS的支撑技术,自律计 算也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化和自保护机 制，解决物理环境的不确定性和不可控的条件对的不利 影响.移动计算实现了计算机与其他的智能信息设备在无 线环境下的数据传输和资源共享；可信计算在计算和通信 系统中广泛使用基于硬件的安全模块，从全新的观点解决计 算的安全问题。,21,CPS的支撑技术,自律计 算也称为自主计算，通过自配置、自恢复、自优化和自保护机 制，解决物理环境的不确定性和不可控的条件对的不利 影响.移动计算实现了计算机与其他的智能信息设备在无 线环
6、境下的数据传输和资源共享；可信计算在计算和通信 系统中广泛使用基于硬件的安全模块，从全新的观点解决计 算的安全问题。,22,CPS的支撑技术,下一代互联网（）和下一代网络（）将为CPS发挥重要 的支撑作用。作为 NGI核心的IPv6技术，提供了丰富的地 址资源，使众多的物理对象的网络化互联成为可能；基于 软交换技术的 NGN是能够提供数据、语音和视频多媒体技 术的电信网络。广域的测试平台 GENI(Global Environment for networking Investigation)将有助于下 一代CPS的网络协议的试验.,23,CPS的重大机遇与挑战,CPS应用覆盖了小到智能家庭网
7、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。,24,CPS的重大机遇与挑战,CPS与物理世界的深度融合，以及系统的规模（时间与空间）与复杂性是CPS为计算机科学领域带来挑战的根本原因。,1)基础分歧：计算机科学建立在离散数学基础之上，而工程以连续数学为主。如何实现离散的、异步的计算进程与 连续的、同步的物理进程的紧密结合，是CPS研究的根本性 挑战。2）缺乏协同分析与协同设计：目前计算机硬件与软件、计算系统与物理系统的评估、
8、建模与仿真都采用分离的方式 完成，缺乏必要的协同设计与协同分析。硬件与软件分离导致约束过度或 约束不足，难以评估设计决策的影响；计算系统与物理系统分离导致不能完全地捕捉到这些系统之间 的相互依赖性，理解这些依赖性是精确表示和建模CPS的关键前提。,25,CPS的重大机遇与挑战,3）系统设计与验证的挑战：由于CPS包含了不同的物 理和计算组件及系统之间的交互，因此在鲁棒性、可靠性、效率和实时性方面的系统设计成为一个关键问题，并且由于系 统复杂性的增加，所需的开发时间成指数增长。CPS的模型 包含了硬件、软件和物理环境的各种细节以及不同系统的异构性，导致了状态空间膨胀，为系统 验证带来了巨大的挑战，极大地增加了验证成本。4)计算的核心抽象区少时间语义：目前计算机领域里所有较高级别的抽象中都隐藏着时间性，程序的执行是不可预测的，尤其是在复杂的CPS中。但是由于CPS要实现计算与物理世界的直接交互，因此不能讲时间抽象分离。,
