課程設計課程名稱新技術專題題目名稱CPS信息物理系統(tǒng) 學生學院專業(yè)班級 學號學生姓名指導教師2014年12月12日目錄TOC\o"1-3"\h\u31449一、CPS系統(tǒng)定義與意義 3283801、CPS系統(tǒng)定義 3732、CPS的意義 332146二、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)和CPS的區(qū)別和聯(lián)系 417211三、CPS技術特點 4806四、CPS研究熱點 429797五、CPS基本功能單元與系統(tǒng)架構 588531、CPS基本功能單元 549712、系統(tǒng)架構 62860六、CPS在智能電網(wǎng)上的應用 7204321、智能電網(wǎng)定義 777092、CPS在智能電網(wǎng)中的優(yōu)勢 716054七、CPS的發(fā)展與展望 7230001、CPS發(fā)展 7295342、CPS研究展望 8254八、CPS的機遇與挑戰(zhàn) 914519九、CPS相關實例實例 9一、CPS系統(tǒng)定義與意義1、CPS系統(tǒng)定義信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-PhysicalSystems）是一個結合電腦運算領域以及傳感器和致動器裝置的整合控制系統(tǒng)。目前已有某些領域出現(xiàn)似于CPS的電子控制整合系統(tǒng)，例如航空、汽車、化學制程、基礎建設、能源、健康、制造、交通控制、娛樂和消費性電子產(chǎn)品，但目前這些系統(tǒng)通常都是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)比較強調機器的計算能力，CPS則更為強調各個實體裝置和電腦運算網(wǎng)絡的連結。CPS是借用技術手段實現(xiàn)人的控制在時間、空間等方面的延伸，CPS系統(tǒng)的本質就是人、機、物的融合計算。所以，國內又將CPS稱為人機物融合系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)不同，一個完整的CPS被設計成一個實體裝置的互動網(wǎng)絡，而不只是一個單獨運作的裝置。這個概念類似于機器人網(wǎng)絡和無線傳感網(wǎng)絡。據(jù)推測，接下來的數(shù)年在科學和工程的進步會使得計算和物理實體單元能夠更緊密的互相結合，而使得CPS的適應性、自動化、效率、功能、可靠性、安全性和可用性大幅提升。科技進展也會讓CPS在多個方面的可能應用變大，例如：行動介入（避免行為沖突）；精準度（機器手術和納米層級的制造）;在危險或是無法進入的環(huán)境下行動（搜尋和營救、消防和深海或太空探測）;協(xié)調（空中交通控制、戰(zhàn)斗行動協(xié)調）；效率（零能源額外損耗建筑）；擴增人類的能力（醫(yī)療監(jiān)控和照護）。2、CPS的意義CPS的意義在于將物理設備聯(lián)網(wǎng)，是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調和自治等五大功能。CPS本質上是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡，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強調的分布式應用系統(tǒng)中物理設備之間的協(xié)調是離不開通信的。CPS對網(wǎng)絡內部設備的遠程協(xié)調能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。美國國家科學基金會（NSF）認為，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。二、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)和CPS的區(qū)別和聯(lián)系嵌入式(EmbeddedSystem)系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，在某些情況下，還可以包括機械裝置。傳統(tǒng)的物理設備通過嵌入式系統(tǒng)來擴展或增加新的功能，其形成的系統(tǒng)基本上是封閉的系統(tǒng)，在一些工控網(wǎng)絡中，有可能采用工業(yè)控制總線進行通訊，但其通信功能較弱，網(wǎng)絡內部難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings)指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。其核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡，在物聯(lián)網(wǎng)中，用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。傳感網(wǎng)(SensorNetwork)節(jié)點是傳感器，通過自組織的方式構成無線網(wǎng)絡，感知的對象是諸如溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等物理屬性，實現(xiàn)特定區(qū)域的監(jiān)測。CPS簡單的說，就是開放的嵌入式系統(tǒng)加上網(wǎng)絡和控制功能，其核心是3C融合、自主適應物理環(huán)境的變化，其中網(wǎng)絡的功能主要是為了實現(xiàn)控制的目的，和一般意義上的網(wǎng)絡有區(qū)別。物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)所擅長的是基于無線連接，主要實現(xiàn)的是感知，這對于CPS來說太過簡單，CPS需要實現(xiàn)的是感控，也就是說，CPS不僅僅實現(xiàn)感知功能，還需要實現(xiàn)控制，其對設備計算能力的要求遠遠超過了物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)所要求的。三、CPS技術特點信息世界與物理世界的交互協(xié)同、深度集成系統(tǒng)體系結構具有開放性、動態(tài)性和多維度的異構性特點同時存在時間、空間方面的約束，在時空層次上具備高度的復雜性自主適應物理環(huán)境的動態(tài)變化，具備自適應、重配置的能力信息世界與物理世界問存在反饋閉環(huán)控制，實現(xiàn)智能控制和提供高質量的服務必須滿足實時性、可靠性和安全性方面的要求四、CPS研究熱點擁有眾多復雜功能的CPS系統(tǒng)是多學科交叉的前沿研究領域，其中的研究熱點包括網(wǎng)絡融合、節(jié)點接入與管理、系統(tǒng)安全等一、網(wǎng)絡融合現(xiàn)有的網(wǎng)絡，如公共電話網(wǎng)、蜂窩移動通信網(wǎng)、Adhoc網(wǎng)絡、wi-Fi、WiMAX、無線傳感網(wǎng)等，因為每種網(wǎng)絡的規(guī)模都很大，且結構與通信方式皆不同，所以幾乎不存在使用一種網(wǎng)絡將其他網(wǎng)絡替代的可能，以達到互聯(lián)互通的目的。因此，如何使各種網(wǎng)絡通過一種統(tǒng)一的方式連接起來，實現(xiàn)互聯(lián)互通，是CPS系統(tǒng)的一個難點，也是當前的研究熱點。二、節(jié)點接入與管理CPS網(wǎng)絡本身就是一個開放式的網(wǎng)絡，允許各種網(wǎng)絡、各種節(jié)點自由接人、退出網(wǎng)絡，對于其他網(wǎng)絡，CPS網(wǎng)絡的規(guī)模更大，所以如何定位節(jié)點、如何快速得到節(jié)點的拓撲、如何快速路由是CPS網(wǎng)絡通信的難題。而且，當前對節(jié)點的接人與管理也只是局限于同構網(wǎng)絡中，對于異構網(wǎng)絡的節(jié)點管理的研究還很少，所以這也是一個亟待解決的問題。三、安全性問題與互聯(lián)網(wǎng)類似，CPS網(wǎng)絡也面臨傳統(tǒng)的網(wǎng)絡威脅，因此安全與隱私問題也是目前的研究熱點。像現(xiàn)有的拒絕服務攻擊、僵尸網(wǎng)絡、身份欺騙、信息竊取等網(wǎng)絡攻擊手段，都是CPS可能遇到的問題，且由于CPS網(wǎng)絡涉及各種物理節(jié)點(如傳感器等)，攻擊者也可以針對物理節(jié)點進行攻擊，使系統(tǒng)接收到虛假信息，這些安全問題都是CPS網(wǎng)絡需要解決的問題。五、CPS基本功能單元與系統(tǒng)架構 1、CPS基本功能單元PS的基本組件包括傳感器、執(zhí)行器和決策控制單元。基本組件結合反饋循環(huán)控制機制構成了CPS的基本功能邏輯單元，執(zhí)行CPS最基本的監(jiān)測與控制功能2、系統(tǒng)架構CPS系統(tǒng)是由眾多異構元素構成的復雜系統(tǒng)，對于不同行業(yè)的特定應用通常需要構建特定的系統(tǒng)結構。但是從技術實現(xiàn)的角度分析，一般可以將其分為物理層(PL)、網(wǎng)絡層(NL)和應用層(AL)。這樣的結構僅反映了實現(xiàn)技術的層次關系，實踐中要包含的組成元素可能千差萬別，層間的聯(lián)系與信息傳遞關系也可能相當復雜。物理層是CPS系統(tǒng)的基礎，是聯(lián)系物理世界與虛擬信息世界的紐帶。它是直接與物理世界交互的部分，CPS通過物理層感知環(huán)境，反之又是通過物理層作用于環(huán)境改變環(huán)境。物理層由地理上分布的各種CPS單元組成，這里的CPS單元可以是一個單獨的CPS節(jié)點，例如一臺手持終端PDA或移動手機就是一個CPS單元。另外，一個CPS單元也可以是一組CPS節(jié)點集合，如一組探測倉庫溫度的智能傳感器集合通過一個超級智能傳感器組合連接入新一代網(wǎng)絡與其他CPS單元交互，這一組智能傳感器被認為是一個CPS單元，其中每個智能傳感器是一個CPS節(jié)點。網(wǎng)絡層將物理層的大量異構CPS單元實現(xiàn)互聯(lián)互通，并支持CPS單元之間的互操作。網(wǎng)絡層是CPS實現(xiàn)資源共享的基礎。CPS網(wǎng)絡需要屏蔽掉物理層CPS單元的異構性，實現(xiàn)無縫連接，為應用層提供資源共享的基礎網(wǎng)絡，以透明的方式為用戶提供即插即用式服務網(wǎng)絡層是由大量的中間件服務器組成的，這里的中間件主要用于不同網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡體系結構的轉換，相當于異構網(wǎng)絡的中間轉換服務器。不同公司生產(chǎn)的、功能各異的、甚至編碼方式和硬件都不兼容的設備，通過中間件服務器可以將異質信息轉化為同質，無障礙地進行數(shù)據(jù)交換。應用層是面向用戶的一個一體化平臺，該層將網(wǎng)絡層和物理層的詳細信息封裝成為不同的應用模塊，使用戶不用關心低層細節(jié)而直接進行業(yè)務處理。六、CPS在智能電網(wǎng)上的應用1、智能電網(wǎng)定義智能電網(wǎng)是包括各種發(fā)電設備、輸配電網(wǎng)絡、用電設備和儲能設備的物理電網(wǎng)為基礎，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術、網(wǎng)絡技術、通訊技術、計算技術、自動化與智能控制技術等與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它是一個完全自動化的供電網(wǎng)絡，其中每一個發(fā)電設備、每一個輸配電設備用戶(乃至用電設備)和每一個節(jié)點都得到了實時監(jiān)控，并保障從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。2、CPS在智能電網(wǎng)中的優(yōu)勢CPS系統(tǒng)中的物理設備強調精確控制，實現(xiàn)遠程交互和協(xié)作，同時系統(tǒng)是一個多維度而非單維度的開放式系統(tǒng)，具有高度的復雜性，能支持建造國家級甚至全球級的大型或者特大型聯(lián)網(wǎng)物理設備。這些特點決定了CPS系統(tǒng)在智能電網(wǎng)建設方面將大有用武之地，通過CPS系統(tǒng)，能夠從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度等方面實現(xiàn)精確控制、遠程協(xié)作和自治，從而為社會創(chuàng)造并節(jié)約寶貴的能源。七、CPS的發(fā)展與展望1、CPS發(fā)展CPS是在嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術和網(wǎng)絡技術的基礎上發(fā)展起來的，尤其是前兩者的發(fā)展直接導致了CPS概念的提出。CPS在繼承IoT無處不在通信模式的基礎上，更強調物體間的感知互動，強調物理世界與信息系統(tǒng)間的循環(huán)反饋，它將地理分布的異構嵌入式設備通過高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)信息交換、資源共享和協(xié)同控制，具有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益，是未來網(wǎng)絡演進的必然趨勢2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上于2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計劃》則將信息物理系統(tǒng)(CyberPhysicsSystem，CPS)列為重要的研究項目。到了2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術顧問委員會(PCAST)在題為《挑戰(zhàn)下的領先——競爭世界中的信息技術研發(fā)》的報告中列出了八大關鍵的信息技術，其中CPS位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡、高端計算、網(wǎng)絡與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的先進研究與技術（ARTMEIS）上投入54億歐元（超過70億美元），以其在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領袖。何積豐院士認為，CPS的意義在于將物理設備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調和自治等五大功能。本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡，但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。控制對于我們并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發(fā)明了數(shù)控技術到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟，其在人們日常居家生活中，各種家電具有控制功能。但是，這些控制系統(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng)，即便其中一些工控應用網(wǎng)絡也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡內部總線大都使用的都是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡內部各個獨立的子系統(tǒng)或者說設備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，而且，通信的功能比較弱。而CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上，這是因為CPS強調的分布式應用系統(tǒng)中物理設備之間的協(xié)調是離不開通信的。CPS在對網(wǎng)絡內部設備的遠程協(xié)調能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。在資助CPS研究上扮演重要角色的美國國家科學基金會(NSF)認為，CPS將讓整個世界互聯(lián)起來。“如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。”NSF計算機與信息科學和工程總監(jiān)Branicky表示。2、CPS研究展望CPS網(wǎng)絡是一種全新的局部操控、全局控制，具有多學科交叉應用的混合網(wǎng)絡，作為一種全新的組網(wǎng)方式，CPS網(wǎng)絡在眾多領域如個人醫(yī)療救助、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等具有巨大應用潛力，并對未來人們生活方式帶來深遠的影響與深刻的變化．預計CPS網(wǎng)絡領域未來一段時間內研究的重點方向包括：1)網(wǎng)絡控制與中間件2)網(wǎng)絡連接向多層次發(fā)展3)網(wǎng)絡層次模型多樣化4)可供實驗的完整網(wǎng)絡實驗平臺5)完整可實現(xiàn)的CPS系統(tǒng)八、CPS的機遇與挑戰(zhàn)如果物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模像人們所說的有上萬億元，那么，CPS的市場規(guī)模則難以計數(shù)，因為CPS涵蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡大到工業(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用。更為重要的是，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)同和自治性能的設備。“下一代工