1.2 CPS的主要特征

CPS及其子系统，其结构在空间与时间维度上具有分布式、异构性、可扩展性、自组织性和自治性等特征，所处环境复杂多变，并可通过鲁棒控制实现具有实时性的综合协调。CPS属于复杂系统，具有复杂系统的开放性、巨量性、进化涌现性、自组织性、层次性、非线性和脆性的特点。同时，CPS具有很多独特的特点，体现在信息物理高度融合、系统功能交互涌现、系统结构动态演化、内外状态深度感知、网络实时适应控制等方面。

1.2.1 信息物理高度融合

CPS 的信息物理高度融合主要体现在两个方面——宏观上的“虚实结合”与微观上的“软硬不分”。虚实结合是指虚拟的信息世界和现实物理世界的结合，物理世界的特征和状态，可以跨越整个网络空间被实时、可靠、安全地传输至信息世界，使信息世界能够正确、全面地认知和分析物理世界的状态，并及时做出基于网络的控制决策。软硬不分是指，CPS中硬件与软件高度集成，软件被嵌入到硬件中，使其具有计算和通信的能力。在这一点上，CPS 与嵌入式系统颇有神似，但仍有不同。两者的软硬件融合虽然都是为了增强物理设备的功能，但CPS可实现将计算与通信单元嵌入并连接在物理系统或过程之上，通过网络通信与控制实现物理系统的协调同步，解决资源的有效利用等问题，以更好地适应周围不确定的、动态发展和变化的环境。

1.2.2 系统功能交互涌现

系统科学把整体才具有，孤立的部分及其总和却不具有的特性称为涌现性。如单个物质分子没有温度、压强可言，而当其聚集为热力学系统，就具有可以用温度、压强表示的整体属性。就系统自身而言，涌现性主要是由它的组成单元按照系统的组织、连接方式相互作用、相互补充、相互制约而激发出来的，是一种组成成分之间的相干效应。典型的例子就是同样的原子按不同的结构方式经过化学反应形成性质不同的分子。涌现性是复杂系统的典型特征。CPS 作为一类在时间和空间等维度上具有多重复杂性的复杂系统，系统功能交互涌现。以基于CPS的智能交通系统为例，城市交通系统是由道路系统、流量系统和管理系统组成的典型的、开放的复杂系统。不论是以交叉路口或区域对应于节点，还是以车辆作为节点，网络都具有非规则的结构和动态变化的拓扑结构。因道路状况、网络结构、信号灯控制、驾驶员的行为特征、甚至因基建施工和临时社会活动产生的交通拥堵等复杂性因素交互作用，往往导致交通系统某种功能、行为的涌现。

1.2.3 系统结构动态演化

CPS是动态开放的，这体现在CPS可以动态地接受各类组件的接入和退出，自主获得每个接入单元的信息并能够随时控制该组件，从而有利于系统自身的动态调整和构建大规模复杂系统。同时，CPS能够自动排除或修复各种故障组件，以保证系统正常工作的能力，实现系统的全局性能优化。

系统的结构、状态、特性、行为、功能等随着时间的推移而发生的变化称为系统的演化[1]。一般来说，系统演化的动力有的来自系统内部——组成成分关联方式的改变，引起系统功能及其他特性的改变：也有的来自外部环境——环境的变化以及环境与系统相互联系和作用方式的变化，都会导致系统整体特性和功能的变化。CPS 的演化是内部动力和外部动力共同作用的结果。不同于其他系统的是，CPS 是自主演化的，这主要体现在其具有高度的自组织性，能够在不影响整体系统结构功能的基础上实现系统结构的动态重组和重新配置，以满足不同的任务需求或适应外界环境的动态变化。其组件与子系统也都具有自适应、自配置、自维护、自优化和自保护能力，支持CPS完成自感知、自决策和自控制。

1.2.4 内外状态深度感知

由于对智能感知技术的应用，CPS中蕴含着大量设备的运行数据，如基于CPS的智能电网系统中的线温度、弧垂、振动、舞动等数据。这些数据是CPS得以监测、观察、认知、控制自身状态的关键依据。由于SCADA系统（Supervisory Control And Data Acquisition，信息采集与监控系统）等自身监控系统的存在，CPS 可以实时获取这些数据。通过对这些数据的采集、存储、传输、挖掘和处理，能够实现对自身状态的深度感知。相比传统系统，CPS 不再需要人工干预和调整，在节省资源消耗的同时提高了运行效率。同时，这也使得CPS 能对自身运行过程中出现的或可能出现的问题做出迅速的反应，具有自我故障监测和前瞻性的预测能力。 同时，CPS 也能够从环境中获取数据，提取有效信息，如基于 CPS的智能电网系统中输电线周围的微气象数据等。

CPS 以数据为中心，各个层级的组件与子系统都围绕数据融合向上提供服务，内外部数据沿着从物理世界接口到用户的路径上不断提升抽象级，用户最终得到全面、精确的信息，实现对内外部状态的深度感知。

1.2.5 网络实时适应控制

CPS 连接着信息世界和物理世界，信息获取、传输、处理的实时性会影响用户判断与决策的精度，控制指令传输、执行的实时性会影响任务能否正确执行、设备能否正确运行等各个方面，装备体系在作战使用过程中的实时性尤为重要。因此，CPS对时间要求严格，传感模块能够实时感知环境变化，决策控制模块能够根据实时数据进行判决，实现对物理过程的实时控制，感知数据和控制指令能够在网络中实时传输。当然，CPS 的实时性不仅体现在信号感知、计算以及控制等方面，还体现在大量分布式异构设备在跨平台、跨空间范围上的实时响应，以及人机交互上。除了实时性，适应性也是CPS区别于其他系统的主要特征。适应性指的是在CPS中，每个应用任务的模式和强度对CPS的功能/性能要求各不相同，任务的优先级也不同，CPS在实现这些不同的任务要求时具有适应性。