物联网与-物理与信息系统

ChapterIICPS1林献坤[e-mail]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Content3SectionI: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。4SectionI:物联网物联网(InternetofThings)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有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5SectionI:CPS的定义信息物理系统（CPS,Cyber-PhysicalSystems）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。6SectionI: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。7SectionI: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8SectionII:CPS的体系结构9CPS的核心要素10SectionII:CPS的体系结构11CPS的三个层次SoS=systemofsystem12CPS的六大特征13CPS的六大特征14CPS的六大特征15CPS的六大特征16CPS的六大特征17CPS的六大特征18CPS的支撑技术19CPS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；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；20CPS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ＣＰＳ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。21CPS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ＣＰＳ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。22CPS的支撑技术下一代互联网（ＮＧＩ）和下一代网络（ＮＧＮ）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(GlobalEnvironmentfornetworkingInvestigation)将有助于下一代CPS的网络协议的试验.23CPS的重大机遇与挑战CPS应用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，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。24CPS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、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。25CPS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。