0 引言

    自1992年美國國家航空航天局（NASA）首次提出信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-physical Systems，CPS)概念以來，CPS引起了學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和各國政府的普遍關(guān)注。目前，CPS已廣泛應用到社會各個領(lǐng)域，大到智能電網(wǎng)、航空航天、智能交通、遠程醫(yī)療、國防等大型復雜系統(tǒng)，小到無人機、家用機器人、藥丸式電子內(nèi)窺鏡等局部或小型應用，CPS已充分體現(xiàn)著在分布式計算資源與物理世界深度融合過程中表現(xiàn)出的絕對優(yōu)勢。本文將對CPS的概念進行描述并對涉及的感知、計算、通信和控制技術(shù)進行較為系統(tǒng)的分析，討論有關(guān)CPS的技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并展望和總結(jié)了CPS在發(fā)展過程中面對的挑戰(zhàn)和相應的研究方向。

1 CPS的內(nèi)涵

1.1 CPS的概念

    目前尚未對CPS形成統(tǒng)一權(quán)威的定義，已有概念多基于研究者的不同的關(guān)注點和描述方法而提出。通過與嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的對比，立足于系統(tǒng)的本質(zhì)特征，本文將CPS理解為集智能感知（Perception）、深度計算（Computation）、可靠通信（Communication）和精準控制（Control）等技術(shù)于一體的連接虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實物理世界，緊密結(jié)合計算資源和物理資源的先進智能系統(tǒng)。CPS是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與控制系統(tǒng)深度融合的產(chǎn)物，其中“感知”體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的特有基因，“控制”反映了控制系統(tǒng)的基本功能。

    本定義中，一是將CPS的構(gòu)成要素確定為感知、計算、通信和控制（將早期對CPS確定的“3C”特征^[1]擴展為“3C+1P”），揭示了CPS的本質(zhì)是在網(wǎng)絡環(huán)境下信息單元與物理實體間的深度融合；二是說明了CPS的功能是通過形成從數(shù)據(jù)感知到數(shù)據(jù)處理的自下而上信息流以及從分析決策到精準執(zhí)行的自上而下的控制流^[2]實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源的合理配置和運行的按需響應；三是指出CPS的具體實現(xiàn)方式是通過構(gòu)建物理空間與信息空間中人、機、物等不同元素之間的映射，將物理空間中存在但未被獲知的隱性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡環(huán)境中能夠識別的顯性數(shù)據(jù)后提交給智能系統(tǒng)進行綜合分析處理，將形成的知識數(shù)據(jù)保存在專家數(shù)據(jù)庫中，同時通過控制系統(tǒng)將決策信息轉(zhuǎn)化為控制指令數(shù)據(jù)后作用到物理空間；四是強調(diào)了CPS的功能主要是通過信息迭代方式來實現(xiàn)對物理實體的動態(tài)優(yōu)化。

    概括地說，CPS是一個將信息空間的離散模式與物理世界的連續(xù)動態(tài)模式相結(jié)合后形成的混雜系統(tǒng)（hybrid system），其中代表物理世界的連續(xù)變量和反映信息空間的離散事件相互影響，從而形成一個信息驅(qū)動與事件驅(qū)動并存的動態(tài)系統(tǒng)。

1.2 CPS的組成結(jié)構(gòu)

    圖1所示的是CPS典型應用的組成結(jié)構(gòu)，按自底向上的分層思想，將CPS劃分為感知和控制層、網(wǎng)絡傳送層以及計算決策層共3層。

    其中，感知和控制層由感知和執(zhí)行模塊組成，用于將物理空間中的隱性信息轉(zhuǎn)化為可以提交給上層網(wǎng)絡傳輸?shù)娘@性數(shù)據(jù)，同時根據(jù)決策結(jié)果實現(xiàn)對物理空間中物理實體的控制。在一些單元級的CPS中，根據(jù)預定的策略，在感知模塊和執(zhí)行模塊之間也可以直接進行數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)絡傳送層由現(xiàn)有和演進中的各類網(wǎng)絡技術(shù)組成，主要功能是提供安全、可靠、實時的數(shù)據(jù)傳輸通道，為不同CPS節(jié)點間的協(xié)同感知和控制提供基本的通信保障；計算決策層通過云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)對CPS系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)的深度處理和實時分析，并通過對來自不同系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)的判斷，根據(jù)形成的最優(yōu)決策對物理實體進行控制。

2 CPS的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 CPS的技術(shù)體系

    CPS的復雜性和多學科交叉性體現(xiàn)在其技術(shù)的廣泛性和實現(xiàn)方式的綜合性。通過對CPS組成結(jié)構(gòu)和主要功能的分析，在表1中列出了CPS中涉及的一些主要技術(shù)^[3]。

2.2 CPS的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 智能感知和自動控制

    （1）傳感器技術(shù)

    傳感器是一種能夠感受被測量，并將檢測到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成適用于網(wǎng)絡環(huán)境傳輸?shù)男盘柕钠骷蜓b置。根據(jù)工作機理的不同，傳感器可分為利用物質(zhì)的物理現(xiàn)象和效應感知來檢測對象信息的物理傳感器，利用化學反應來識別和檢測信息的化學傳感器，以及利用生物化學反應來檢測信息的生物傳感器等類型^[4]。近年來，隨著新材料、多功能集成、微處理器等技術(shù)的快速發(fā)展，集感知、計算和通信功能于一體的具有自診斷、自校正、自補償?shù)裙δ艿闹悄軅鞲衅魇刮锢砜臻g的信息感知變得更加高效和細化。

    （2）自動控制技術(shù)

    自動控制技術(shù)是能夠在無人值守的情況下，利用自動控制裝置使被控對象（設(shè)備或系統(tǒng)）按預定流程運行，或使被控對象的物理量（如溫度、濕度、位移、加速度、壓力等）按預定要求變化的技術(shù)。

    如圖2所示，CPS是一種虛（信息空間）實（物理空間）深度融合的智能控制系統(tǒng)。利用嵌入式軟件，從被控對象（傳感器、儀器、儀表、在線測量設(shè)備等）和被控環(huán)境中采集信息，實現(xiàn)感知功能，通過上層的計算功能分析被控對象和環(huán)境的當前狀況，最后再根據(jù)已建立的模型計算和控制規(guī)則形成決策結(jié)果，向執(zhí)行器發(fā)出操作指令。在具體的應用中，以上過程是一個“感知→分析→決策→執(zhí)行→”的循環(huán)往復過程，直到實現(xiàn)既定的控制目標。另外，一般由多個可控的物理實體根據(jù)生產(chǎn)流程構(gòu)成一個具體的生產(chǎn)系統(tǒng)，不同物理實體的集成和控制需要通過信息空間中的通信網(wǎng)絡或CPS總線來實現(xiàn)。

    由于CPS主要應用于一些安全性和可靠性高的關(guān)鍵系統(tǒng)中，因此對CPS軟件提出了較高要求。CPS軟件是一種嵌入式智能控制軟件，操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫、應用軟件和開發(fā)工具等全部植入在被控對象中，針對CPS的感知、通信、計算、控制等操作要求進行開發(fā)和配置，實現(xiàn)對被控對象的智能化監(jiān)測、管理和控制。

2.2.2 網(wǎng)絡通信技術(shù)

    CPS雖然是物聯(lián)網(wǎng)中的一類典型應用，但與一般物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同的是，CPS對網(wǎng)絡通信技術(shù)在穩(wěn)定性、可信性、實時性和安全性等方面的要求都要高。從原理上說，CPS的通信網(wǎng)絡可包括現(xiàn)有和演進中的各類網(wǎng)絡技術(shù)，如有線網(wǎng)絡中的現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，無線網(wǎng)絡中的WiFi、ZigBee、4G/5G、藍牙等技術(shù)；在組網(wǎng)方面，由于CPS同樣采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡中經(jīng)典的分層模型，即高層的CPS由低層CPS組成（最低層為具有不可分割性的單元級CPS），明晰的層次結(jié)構(gòu)要求CPS組網(wǎng)中應具有更高的開放性和靈活性，以便實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡、異構(gòu)系統(tǒng)之間的跨平臺互聯(lián)和高度集成；在技術(shù)方面，在一個異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡中，不同網(wǎng)絡采用的通信協(xié)議、傳輸速率、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等可能不同，這就需要在具體集成過程中解決大量的技術(shù)細節(jié)問題。

    （1）現(xiàn)場總線技術(shù)

    現(xiàn)場總線是工業(yè)控制系統(tǒng)中一種數(shù)字通信技術(shù)，主要為工業(yè)現(xiàn)場的控制器、執(zhí)行器、智能儀器與儀表等設(shè)備之間的連接提供數(shù)字通信通道，為控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制設(shè)備之間的實時數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的通信保障。現(xiàn)場總線技術(shù)是計算機、通信、智能控制、超大規(guī)模集成電路等技術(shù)發(fā)展并相互作用的產(chǎn)物，實現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和高度集成的方向發(fā)展。CPS中的現(xiàn)場總線技術(shù)具有全網(wǎng)數(shù)字化、開放環(huán)境下的異構(gòu)互聯(lián)、設(shè)備的智能化、設(shè)備間的互操作性、對現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境的適應性等特點^[5]。

    （2）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

    以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)早已成為局域網(wǎng)事實上的標準，而且在局域以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展過程中，一直繼承著良好的兼容性、穩(wěn)定性和低成本等特點，使得城域以太網(wǎng)和廣域以太網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展。與此同時，以太網(wǎng)技術(shù)開始進入工業(yè)應用領(lǐng)域，出現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，并很快以低廉的成本和可靠性開始蠶食現(xiàn)場總線技術(shù)的應用份額。盡管現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域取得了巨大成功，但其具有的成本高、速率低、系統(tǒng)兼容性差等缺點，致使部分研發(fā)人員開始結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的需要，利用在其他領(lǐng)域已成熟的COTS技術(shù)（commercial off-the-shelf，商品化的產(chǎn)品和技術(shù)）來逐漸替代現(xiàn)場總線技術(shù)在某些領(lǐng)域的應用。

    以太網(wǎng)技術(shù)如果要實現(xiàn)在工業(yè)網(wǎng)絡中的應用，必須解決以太網(wǎng)中存在的實時性較差這一問題。實時性主要體現(xiàn)在實時的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸和實時的任務調(diào)度兩個方面。工業(yè)網(wǎng)絡對實時性要求非常嚴格，傳感器需要將實時感知的數(shù)據(jù)提交給上層決策和應用系統(tǒng)，控制器需要根據(jù)實時感知的決策結(jié)果實現(xiàn)對物理實體的控制，這都需要實時性的保障。為此，根據(jù)復雜工業(yè)網(wǎng)絡中對實時任務調(diào)度的要求，提出了EtherCAT^[6]、Ethernet Powerlink^[7]等工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)標準。

2.2.3 智能平臺服務技術(shù)

    （1）邊緣計算

    邊緣計算是指在網(wǎng)絡邊緣的數(shù)據(jù)源處執(zhí)行計算任務的一種新型計算模式^[8]。在CPS中，邊緣計算的下行數(shù)據(jù)表示執(zhí)行數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)表示感知數(shù)據(jù)，而邊緣指圖2中物理實體的感知、計算、通信和控制資源。邊緣感知設(shè)備具有旺盛的數(shù)據(jù)自處理需求，如果能夠在感知設(shè)備上增加運行CPS執(zhí)行任務的數(shù)據(jù)計算和分析處理能力，將原有CPS中的部分或全部計算任務遷移到位于網(wǎng)絡邊緣的智能感知設(shè)備上，將會有效保障通信的實時性，降低網(wǎng)絡壓力，減輕CPS計算中心的計算工作量，提高CPS的整體性能。

    傳統(tǒng)CPS采用集中式管理模式，前面介紹的應用于工業(yè)網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等都在針對CPS應用的具體要求，解決通信延時、可靠性、實時性及數(shù)據(jù)安全性等關(guān)鍵問題，而邊緣計算為解決此類問題提供了技術(shù)保障。以實時性為例，在大規(guī)模CPS中，大量邊緣感知設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將使網(wǎng)絡帶寬成為系統(tǒng)瓶頸，而在一些系統(tǒng)中僅通過增加網(wǎng)絡帶寬并不能滿足CPS應用中的低延時要求，為此在位于數(shù)據(jù)源的邊緣感知設(shè)備上執(zhí)行部分計算是適應CPS應用需求的一種有效的新型計算模式。即使是某些CPS需要對數(shù)據(jù)進行集中式處理，也可在邊緣感知設(shè)備端對原始數(shù)據(jù)進行預處理后再提交，以減輕數(shù)據(jù)的傳輸量，降低帶寬占用。

    （2）霧計算

    霧計算在網(wǎng)絡邊緣設(shè)備與云計算中心之間提供存儲、計算等服務，并通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)互操作性和協(xié)同性。霧計算是對現(xiàn)有云計算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域的一種功能補充和擴展，其特征主要表現(xiàn)為通信過程的低延遲、對設(shè)備的位置識別、廣泛的地理分布、支持流動性（支持移動終端）、容納的節(jié)點數(shù)據(jù)大、支持強大的流媒體和實時應用程序、異質(zhì)性等^[9]。

    由多個單元級CPS組成的復雜CPS是目前工業(yè)應用中最常見的模式，其中不同基本單元級CPS之間的協(xié)同計算和操作是確保整個CPS系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。如圖3所示^[3]，通過霧計算技術(shù)的應用，將數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)存儲和應用程序集中在靠近網(wǎng)絡邊緣的設(shè)備中，一方面使中心服務器的計算任務下移，減輕了中心服務器的負載以及遠程數(shù)據(jù)傳輸中對網(wǎng)絡帶寬的占用；另一方面，將邊緣智能感知設(shè)備的深度數(shù)據(jù)處理操作上移到霧計算處，降低了對邊緣設(shè)備在計算能力上的壓力。霧計算更能夠發(fā)揮CPS中各組成單元的計算資源優(yōu)勢，讓數(shù)據(jù)的存儲和處理相對分散，讓有價值數(shù)據(jù)的流動更加高效、實時，使整個CPS中資源的配置更加優(yōu)化。

    （3）工業(yè)大數(shù)據(jù)

    工業(yè)大數(shù)據(jù)是一個宏觀的概念，它同時包含企業(yè)信息化過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、工業(yè)CPS數(shù)據(jù)以及企業(yè)與外界交往過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)中，有些是由設(shè)備產(chǎn)生的時序數(shù)據(jù)（主要由傳感器、儀器儀表和智能感知終端采集的數(shù)據(jù)），有些是人為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（如產(chǎn)品設(shè)備數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、產(chǎn)品用戶評價數(shù)據(jù)等）。不管這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生于何處，都是通過促進數(shù)據(jù)的流動共享來解決企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務問題，以提高控制的精準性和決策的科學性。

3 發(fā)展展望

3.1 研究方法有待進一步融合

    融合是CPS的基本特征，體現(xiàn)了物理空間與信息空間的相互作用和彼此影響；融合也是一種研究方法，反映了學科之間的相互促進和思想交融。由于CPS是集計算、控制、通信等多學科交叉形成的一項新技術(shù)和新型應用領(lǐng)域，對CPS技術(shù)的研究從指導思想和方法上都會受到已有學科固有特征的影響，其中融合是學科間和方法上相互借鑒、相互促進的發(fā)展方式。

    通過對已有研究成果的分析，CPS的研究者主要出自兩大陣營：無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）和控制理論。以上兩大陣營，雖然研究經(jīng)歷不同，研究方法存在一些差異，但研究目標是共同構(gòu)建一個集感知、計算、通信與控制于一體的高度集成的系統(tǒng)。在下一步研究中，需要進一步加大兩大陣營之間的溝通融合，從基礎(chǔ)研究、理論指導、技術(shù)實現(xiàn)等方面實現(xiàn)優(yōu)勢互補，共同促進CPS的進一步發(fā)展。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的研究需要更加深入

    CPS之所以復雜，主要原因之一是多技術(shù)的綜合運用。在前文對一些技術(shù)進行論述時就反映出了CPS中不同技術(shù)發(fā)展的不平衡性和實現(xiàn)方式上的差異性，這些因素是影響CPS核心應用的關(guān)鍵。

    除前文重點介紹的技術(shù)之外，工業(yè)軟件對CPS在工業(yè)領(lǐng)域的應用起著關(guān)鍵作用。工業(yè)軟件^[10]是對工業(yè)生產(chǎn)、管理、服務等全部過程的代碼化體現(xiàn)。軟件是算法的代碼化，工業(yè)軟件是CPS的核心，對CPS的影響起著決定作用。在許多情況下，CPS中的設(shè)備運行環(huán)境較為惡劣，極易遭受外部攻擊和惡意代碼攻擊，安全威脅較大。與此同時，隨著CPS的功能越來越強，對系統(tǒng)的性能要求越來越高，軟件系統(tǒng)也變得越來越復雜和難以駕馭，因軟件的脆弱性引起的系統(tǒng)缺陷將會帶來不可預估甚至是災難性的后果。下一步需要結(jié)合CPS典型應用，對可信軟件理論與關(guān)鍵技術(shù)在CPS中的應用進行深入研究。

    另外，系統(tǒng)建模技術(shù)也決定著CPS的功能實現(xiàn)和性能保障。目前，針對CPS研究的建模理論和方法較多，如離散系統(tǒng)建模方法、連續(xù)系統(tǒng)建模方式、混合系統(tǒng)建模方式等^[11]，但建模的對象都包括感知、計算、通信和物理事件等方面，工作繁瑣且復雜。下一步需要結(jié)合CPS典型應用，加強建模過程中連續(xù)系統(tǒng)（物理空間）與離散系統(tǒng)（信息空間）融合方法的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，以及加強分布式系統(tǒng)的建模研究，解決CPS不同組件間的時間同步、網(wǎng)絡延時、物理實體統(tǒng)一標識等問題。

3.3 CPS的標準有待進一步完善

    根據(jù)應用建立配套的技術(shù)標準是推動CPS產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的有效模式和必要手段。目前，有關(guān)國家和地區(qū)的相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)提出了一批CPS的標準，但是由于CPS是一個同時涉及網(wǎng)絡、終端以及管理平臺的復雜系統(tǒng)，現(xiàn)有標準尚無法滿足CPS應用的需求，在設(shè)計與制造、典型應用、標準化語言描述、應用模式、異構(gòu)互聯(lián)、安全管理等方面的標準化建設(shè)中還存在較大挑戰(zhàn)，還有大量的工作去做。

    下一步需要從以下幾個方面具體開展工作：一是制定統(tǒng)一的技術(shù)標準架構(gòu)，明晰各標準明細之間的關(guān)聯(lián)性；二是完善CPS的體系結(jié)構(gòu)，包括基本的概念和術(shù)語；三是對涉及CPS的系統(tǒng)建模、異構(gòu)互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、實時控制等關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范提供具體指導；四是根據(jù)應用，從CPS部署、集成、測試及故障偵測等方面提出可供借鑒的實施指南和系統(tǒng)解決方案；五是從安全管理、防護能力、風險評估等方面制定安全標準。

3.4 典型應用的引領(lǐng)作用需求加強

    CPS技術(shù)一經(jīng)提出就得到了工業(yè)應用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并在設(shè)計、制造、服務、應用等環(huán)節(jié)得到體現(xiàn)。CPS技術(shù)的引入，通過設(shè)備之間的互聯(lián)以及智能管理平臺的應用，消除了生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在的信息孤島，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和資源的合理調(diào)度，優(yōu)化了資源配置。但由于CPS的復雜性，目前對涉及CPS的感知、分析、決策和執(zhí)行等方面的研究和應用實踐還不夠深入，還沒有形成能夠引領(lǐng)行業(yè)應用的典型案例。下一步將重點對物理實體的接口協(xié)議、實時通信、精準控制、遠程互動等涉及CPS的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，同時加強基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的知識庫和規(guī)則庫的建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，選擇工業(yè)領(lǐng)域的典型應用進行系統(tǒng)建模，通過大量仿真檢驗模型的可行性和可靠性，并在實際應用中不斷完善，最終形成可以直接復制的應用標準和模型。

4 結(jié)論

    鑒于CPS的重要性，其概念一經(jīng)提出便引起了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，并在產(chǎn)、學、研、用一體化進程中加速發(fā)展。同時，鑒于CPS的復雜性，對其技術(shù)的研究和實踐探索還需要在充分借鑒相關(guān)領(lǐng)域已有成果的基礎(chǔ)上，緊緊抓住影響CPS發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進行集中攻關(guān)。目前，對CPS的研究工作剛剛起步，CPS技術(shù)和應用發(fā)展還面臨著許多挑戰(zhàn)，在統(tǒng)一認識、完善技術(shù)體系標準、加強關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究、加快典型應用的示范效應等方面仍有大量的工作要做。

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作者信息:

李馥娟1，王  群1，錢煥延2

（1.江蘇警官學院 計算機信息與網(wǎng)絡安全系，江蘇 南京210031；

2.南京理工大學 計算機科學與工程學院，江蘇 南京210094）