文档介绍：信息物理系统简介
概述
CPSs( cyber physical systems)是未来通信网络的一种重要发展方向。它是集合物理、生物及工程学的综合性系统,具有局部操控、全局控制的特点。这种新兴的网络系统引起了研究界极大的兴趣。
目前对于CPSs的研究还处于初级阶段,从概念模型到关键技术都没有确切描述,给相关研究者正确理解及研究CPSs造成困难。基于CPSs未来广泛的应用范围和良好的发展前景,,分析了CPSs与物联网的异同点,对CPSs研究现状进行了总结,并对CPSs研究涉及到的关键技术与基础理论进行了系统讨论,最后对CPSs的研究前景进行了展望。
定义
到目前为止,学术界对CPSs还没有确切定义,其功能属性在理论上还处于不断完善的阶段。在目前文献对CPSs 的描述中,它包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等技术,各物理部件均有获取信息、处理信息的能力,多层次的网络互联,高度自动化,多层面控制,具备动态重组/重配置能力,系统具有、安全、高效、实时、高可信属性。文献[1] 提出CPSs是计算进程( computation)和物理进程( physical pro cesses)的一体化,嵌入式计算机和网络监视器控制着物理进程,物理进程又通过反馈环来影响计算进程。文献[2]认为CPSs是在物理环境中结合了大量传感器和激励器的嵌入式系统,在系统中计算进程和物理进程紧密结合。Helen Gill在HCSS研讨会上提出CPSs是一个物理的、生物的工程系统,该系统通过一个计算核心来控制、监测其物理实体的操作。文献[3] 认为CPSs是嵌入式系统,无线网络和实时系统的结合体。以上定义虽然从不同角度对CPSs进行了描述,但都具有计算与物理实体相结合,以自动控制为本质的特征。
从上述CPSs的相关定义中我们可以看出:微观层面,CPSs是计算进程和物理进程的结合体;宏观层面,CPSs是嵌入式系统,传感器,监视器通过网络( 下一代网络)来实现人机或实体间的交互,进而完成用户期望的特定功能的物理系统。通过以上分析, 我们给出一个CPSs定义:CPSs是一种由嵌入式系统(具备感知能力)、网络(下一代网络) 组成,计算进程与物理进程紧密结合,具备自我感知、自我判断、自我调节、自我控制能力的下一代智能系统。
CPSs与物联网
物联网是通过射频识别( RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网产业分为标识、感知、处理和信息传送四个环节,各环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。对于CPSs和物联网,它们有一定的区别和联系。相同之处表现在:CPSs与物联网均利用网络将物体互联,物体携带信息,物体之间通过网络交互,应用领域广泛,不同之处表现在:
(1) CPSs与物联网发展思路不同。物联网从传感器网络发展而来,是传感器网络的延伸。CPSs由嵌入式系统与网络的结合,是一种联网的嵌入式系统。
(2) CPSs与物联网使用的关键技术不同,物联网使用的关键技术是RFID、传感器、智能芯片、无线网络。物联网利用射频自动识别技术,通过计算机互联网实现物品(商品) 的自动识别和信息的互联与共享。CPSs使用的关键技术为嵌入式技术、网络技术、智能控制技术、传感器技术等等。CPSs利用上述技术实现对物理实体的控制。
(3) CPSs与物联网完成的功能不同. 物联网通过射频识别技术满足用户对物体的识别、定位、跟踪、监控和管理, 体现的是一种管理理念. CPSs建立在嵌入式系统基础之上, 偏重于对实体的控制.
(4) CPSs与物联网实现机制不同。物联网中物体所含信息是预先设置的,物体与人或物体间交互时信息不会改变。CPSs物理实体中存有计算单元,拥有存储能力及获取实体外信息能力。在高层指令下,实体内嵌入式程序可更改,完成用户指定的其它功能,体现了实体的计算能力。
CPSs研究现状
国内外对CPSs的研究刚刚起步,但由于其未来的广阔应用前景,CPSs研究已成为一个热点的研究方向。文献[4] 从宏观的角度,对CPSs从技术、应用到未来研究方向进行了介绍,特别是对CPSs的基础——嵌入式系统做了详细的分析讨论,指出现有嵌入式系统存在的问题。文献[5] 给出了CPSs的定义,并从全局标识时间、事件/信息驱动,可信性量化,发布/预约机制,语义控制规则,及下一代网络技术基础上提出一种CPSs体系结构的雏形,同时指出实现该模型还存在的问题。文献[6] 对CPSs在工业控制中的优势及存在的问题进行了分析。文献[7] 提出一