第1章 绪论

1.1 CPS概述

20 世纪 40 年代之后，系统科学在大型、复杂工程系统和社会经济需求的巨大推动下应运而生。作为现代科学技术体系的一大部门，系统科学经历了从“老三论”（系统论、控制论、信息论）到“新三论”（耗散结构理论、协同学、突变论）的发展。80 年代以后，非线性科学和复杂性科学的研究逐渐兴起，并成为当前系统工程技术领域的热点。近年来，嵌入式技术、分布式计算、移动通信、智能控制等各类工程技术的蓬勃发展和广泛应用都离不开系统科学的不断进步。在相关技术基础的不断积累与创新之下，计算机网络系统、工业控制系统、物联网、云计算平台、移动互联网、无线传感器网络、可穿戴设备等以信息通信技术（ICT，Information and Communication Technology）为助力的工程系统在人类的生产、生活中发挥着越来越重要的作用。因此，具备更多能力、能够在国际甚至全球范围内运行的大型复杂系统，如国家电网、空中交通管控系统、国家运输网、全球气候监控系统等的集成早已不成问题，各类大型复杂系统已逐渐成形。

科技进步在带来世界工业与经济水平快速发展的同时也产生了很多难题，如环境压力亟须引进先进技术改善能源利用率、降低污染；基础设施的重复或过量建设造成了资源的极大浪费，需要优化资源的配置与管理；安全威胁从未停止，需要更加快速、有效的防御体系；人口老龄化需要更加有效地利用包括设备到医疗数据与信息的整个医疗系统等等。同时，这些难题也为科学技术的研究与发展带来了新的挑战，为人类社会工业化进程朝可持续化的方向提升、转型提出了新的要求。

综上所述，网络与信息技术对已经发展了两百多年的现代物理工程系统产生了强大的冲击。人们已经不能满足近30年来互联网所带来的人与人之间交互关系的改变。人们对各种工程系统和计算设备能力的需求也已不仅仅局限于系统功能的增加，而是更加关注系统资源的合理有效分配与系统效能的优化，以及服务个性化与用户满意度的提升。在这种需求的引导之下，科技与经济发展的双重推动力促使了新一代工程系统——Cyber-Physical System（CPS）的诞生。

2005年年末、2006年年初，美国国家科学基金会（NSF，National Science Foundation）的Helen Gill提出了CPS的概念（CPS一词引入到中国之后被翻译为“信息物理系统”或“信息物理融合系统”），用于描述计算与物理过程的融合。嵌入式计算机技术的应用与发展使我们能够将计算和通信功能按照特定的方式添加到物理系统之上。汽车电子系统与机械系统的成功结合就是早期成功的案例。计算机控制的汽车引擎的出现对低油耗与低排放汽车的出现都起到了关键作用。计算与物理组件的紧密结合技术优势对经济和社会的发展都产生了广阔且深远的影响。CPS 以计算、通信等信息系统与物理系统或过程的深度融合为主要特征，可将多个单独的系统个体联结起来构成具备新能力的复杂系统，使系统更加安全、高效，降低了建造新系统和运维这些系统的成本。NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示，“如同互联网改变了人与人之间的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的交互方式。”

CPS 的概念一经提出就受到了全世界范围内的广泛关注，成为各工业发达国家政府、学术界与工程界研究和投资的热点。占据CPS技术的国际领先地位被认为是各个国家未来科技竞争力和振兴工业制造业的关键所在。无论是美国的“先进制造业”战略、德国的“工业4.0”战略[1]、英国的“高价值制造”战略、欧盟的“第八框架计划——2020地平线计划”，还是中国的“两化深度融合”战略，都把信息化作为工业发展的目标，其实现的基础都是CPS理论与技术。当前在世界范围内掀起的新一轮工业革命中，CPS已成为最前沿的交叉研究领域之一，是未来智能家居、智能工厂、智能电网、智能交通、智能医疗、智慧农业、智慧城市与智慧地球等实现的基础。

CPS 所带来的新型服务模式和解决方案得益于“互联网思维”的广泛应用，以及 ICT需求的不断增加。这种潜力反过来也会引起市场、行业、商业部门和经济生态系统的动态变化，同时也会促进工业制造模式和商业模式不断改变。正如中国科学院院士何积丰所述：“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局。”在不远的未来，每个人都将享受以信息物理系统为核心的新一代科技创新给人类未来生活带来的节能、舒适、快捷与便利。

1.1.1 CPS的概念与内涵

从2006年CPS的概念一经提出，至今很多国家的研究机构或学者对其进行了定义，这些定义均体现了学者或组织根据自己领域研究对CPS的理解，包含了“网络化的”、“分布式的”、“有线/无线连接的”、“复杂的”等特征性术语或形容词。显然，CPS以系统科学为其理论基础，是一个抽象概念系统。一般认为，“CPS是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程与物理进程相互影响的实时反馈循环实现信息世界与物理世界的深度融合和实时交互”。

图1-1展示了CPS的3C核心概念，CPS的通信网络子系统包括传感器网络、泛在通信网络等。CPS的计算子系统完成各种数据的存储、分析与处理任务；CPS的控制子系统使用感知和计算子系统提供的信息，确定对物理世界的控制策略，协调各个执行器对物理世界对象的操作，实现对物理世界的协同控制。可以说，CPS是一类“System of Systems”。

CPS 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。CPS 的典型逻辑架构包括物理层、网络层和决策层，如图1-2所示。

物理层，也称为感知执行层，包含物理系统或过程（也可能是人体或人群）、传感器、执行器等，主要负责感知获取物理系统及其所在环境数据以及执行系统控制命令。通过分布在物理系统及其所在环境内的嵌入式传感器和执行器与物理系统进行交互，对物质属性、环境状态等数据进行大规模分布式的数据获取与状态辨识，并通过数据传输层获取上层数据处理结果，反馈至执行器，根据控制命令进行操作，以适应系统与物理环境的变化。

网络层，也称为数据传输层，由若干通信基站和网络节点组成，负责将物理层感知的原始数据传输至信息中心，通信模式主要包括有线宽带、专用短程通信技术、3G/4G 以及无线通信技术等，同时网络层还需具有对海量信息进行实时、高效、安全的处理和管理的能力。

决策层，也称为应用控制层，是CPS交互的核心部分。该层将从数据传输层获取到的信息进行抽象处理后，根据需求经过预设规则和高层控制语义规范的判断，生成执行控制命令，并将执行控制命令通过数据传输层实时反馈至感知执行层的底层物理单元，由执行器进行相关操作。应用控制层使CPS与行业专业应用相结合，实现广泛化、智能化的应用解决方案集合，如智能交通和智能电网等系统，也包含人机交互的接口，提供远程监控、视频显示、信息发布和人工干预控制的能力。

现代的CPS要求具备“全面感知、可靠传输、实时处理、智能控制”的四大基本逻辑功能，多学科与多技术融合是其主要特点。在全面感知方面，以 MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）为代表的新型传感器和传感器网络等技术为CPS提供了对物理世界的范围广、种类多样的协同感知与监测能力。在可靠传输方面，异构网络融合技术为CPS提供了将物理层的信息进行实时、可靠、安全传输与交换的基础。在实时处理方面，海量信息处理与数据挖掘技术、高性能计算机与信息安全技术为CPS提供了实时存储、处理数据，正确、深入地认知物理世界的基础与安全保障。在智能控制方面，自学习、自适应与鲁棒控制等智能控制和分布式控制技术为CPS通过感知数据的认知计算和推理，正确、深入地认知物理世界，实现信息层与物理层的交互与融合提供了解决方案。

1.1.2 与CPS相关的典型系统

CPS 是在计算机系统、嵌入式系统、工业控制系统、无线传感器网络、物联网、移动互联网、网络控制系统和混杂系统等现代工程系统的基础上演化发展而成的，而不是凭空出现、一蹴而就的。何积丰院士说：“CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协同和自治五大功能。”因此，除传统的物理系统工程技术外，CPS还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ICT技术，并通过两种技术的融合，涌现出新的功能。软件密集系统、软硬件综合系统、过程控制系统、物联网、无线传感器网络等也具有相似的特征，是 CPS系统建立与发展的基础，通过对这些系统的研究可以帮助我们进一步理解CPS。

1.软件密集系统

根据IEEE Std 1471-2000对软件密集系统的定义，所谓软件密集系统，即系统中的软件在系统研制费用、研制时间或系统功能特性等一个或多个方面占主导地位的系统。随着科学技术的发展，越来越多的设备从电子机械密集型逐渐向软件密集型发展。引起软件规模增长有3个原因：一是系统功能的扩大，由此要求软件完成更多、更复杂的功能；二是硬件、软件功能分配有很大转移，软件在系统功能中所占比例从10%上升到35%；三是系统希望通过软件改善人机接口，以获得更好的交互方式。

现有电子系统中软件的主要功能是数据的采集、传输、计算和显示，其特征是“面向数据”。区别于这类系统，软件密集系统具有“面向信息”和“面向知识”的特点。数据是一串数字或字母。当合适的数据在合适的时候放在合适的地方，才可称之为信息。比信息层次更高的是知识，它不仅包含反映客观对象特征的事实，而且包含从事实之间的关系中提取新事实的推理规则。软件密集系统将帮助使用者根据不同使用场景做出相应的决策，而不是仅仅提供数据。以新一代的航空电子系统为例，在飞行中根据即时情况重新规划航路，在作战时鉴别目标的优先级顺序，建议合适的攻击方式和武器发射程序，可以按任务类型和飞行员的意愿随时重新编排显示内容和格式，任何信息可叠加在全视场上或选择的某一部分上，等等。

软件密集系统属于大规模复杂系统，以美国宇航局的软件系统为例，1963年水星计划系统200万条指令，1967年双子星座计划系统400万条指令，1973年阿波罗计划系统1000万条指令，1979 年哥伦比亚航天飞机系统4000万条指令。但是，10 000 条指令的复杂度却不仅仅是100条指令复杂度的100倍。随着软件密集系统规模的增长，软件密集系统的可靠性问题逐渐凸显，成为限制其发展的难点。

2.软硬件综合系统

基于微电子技术和嵌入式技术，实现信息共享、系统集成和智能化控制的系统（产品）称为软硬件综合系统。嵌入式系统就是典型的软硬件综合系统，例如机器人、航空发动机的智能化控制系统、通信网络的智能化控制器、电网系统的智能化控制装置、汽车的自动挡传动装置、微型计算机控制的家电产品等。软硬件综合系统的软硬件均是面向特定应用对象和任务设计的，具有很强的专用性。需要软硬件综合系统提供的功能以及面对的应用和过程都是预知的、相对固定的，所以软硬件综合系统在不同的使用场景下，通常会从不同的使用需求出发，采取不同的实现方案，即使逻辑上的系统结构相同，在物理组成上也会有所不同。一般来说，软硬件综合系统包括机械装置，对实时性要求很高。有些系统（如前面提到的MEMS）反馈环相对封闭，并可能面临在资源有限的情况下的优化问题。

软硬件综合系统的失效通常是软件失效与硬件失效耦合作用的结果。硬件操作环境的改变引起软件失效，如内存模块局部故障是一种操作环境的异常配置，可能会使软件在这种异常环境下造成失效。反过来说，软硬件综合系统中软件失效也会影响到硬件。这主要是由于一个实际的容错系统多数要借助于软件来实现，即软件的故障检测、重组等也将影响硬件的可靠性。

3.过程控制系统

以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统称之为过程控制系统。这里的“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度、位置、尺寸等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

过程控制系统一般由以下几部分组成：被控制的过程（或对象）；用于过程参数检测的检测与变送仪表；控制器；执行机构；报警、保护和连锁等其他部件。过程控制系统的基本结构如图1-3所示。控制器根据系统输出量检测值Y(t)与设定值R(t)的偏差，按照一定的控制算法输出控制量 u，对被控过程进行控制。执行机构接受控制器送来的控制信息调节被控量，从而达到预期的控制目标。过程的输出信号通过过程检测与变送仪表，反馈到控制器的输入端，构成闭环控制系统。

过程控制系统中的被控过程、被控对象、被控量是多样的，明显区别于运动控制系统。如：石油化工过程、冶金工业中的冶炼过程、核工业中的动力核反应过程等等，这些过程的机理不同，甚至执行机构也不同。当然，被控过程、被控对象的多样性也决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的，这种多样性包含系统硬件组成和控制算法以及软件设计。随着现代工业生产的发展，工业过程越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高。传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。从控制方法的角度来看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。同时，控制算法多种多样，有PID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。

4.物联网

物联网的英文名称为 “Internet of things（IoT）”，是指通过射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种“物物相连”的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化的。物联网主要解决物品与物品（T2T，Thing to Thing），人与物品（H2T，Human to Thing），人与人（H2H，Human to Human）之间的互联。但是，与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品的连接更加简化，而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互联。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题，所以我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是21世纪信息化时代的重要发展阶段，近年来因受到中国、美国、日本、韩国、德国、欧盟等国家和地区的高度重视而快速发展。目前的物联网通信大都发生在物品与服务器、物品与人之间，而物品之间的通信应用还较少。随着对传感器技术和智能嵌入式技术的应用，未来的物联网不仅能提供传感器的连接，而且其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。一般认为，物联网具有感知层、网络层和应用层三层架构。也有学者认为还应在网络层和应用层之间包含处理层，即通过云计算等技术对海量信息进行处理，如图 1-4 所示。应用层是物联网与行业专业技术相结合，满足行业需求，使“物物相连”的能力获得应用。因此，应用创新是物联网发展的核心。物联网的精神实质是提供不拘泥于任何场合、任何时间的应用场景与用户的自由互动，依托云计算、互联网和模式识别等技术，其应用领域将更加广泛，必将成为 CPS的重要发展助力之一。

5.无线传感器网络

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）主要由部署在监测区域内的大量微型传感器节点构成，是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络中的传感器节点以协作的方式感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。

WSN的发展得益于MEMS、片上系统（SoC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，其概念的产生与物联网几乎在同一时期[2]。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等。

相对于静态传感器网络来说，通信可以使用有线通路实现，有固定、可靠的电源。而移动的无线传感器网络要在节点的供电、通信、计算和存储等资源受限的情况下实现高能效、可靠的无线通信通道。因此，它具有网络节点多（根据需求可能包含多达上千个甚至上万个节点）、高冗余、网络自组织、拓扑结构动态性强、空间位置寻址（IEEE 802.15.4/ZigBee协议）和以数据为中心的特点。无线传感器网络的节点分布相对稠密，从而导致节点更容易出现故障，节点故障和环境干扰造成网络的拓扑结构经常改变。