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CPS研究

    CPS(Cyber Physical Systems)信息物理融合系统是将计算、通信技术与物理工程进行融合,实行一体化设计,使所控制的系统更加安全高效,协同工作。近年来,CPS已成为国内外学术界和科技界研究开发的重要方向,开展CPS研究与应用对于加快我国培育推进工业化与信息化融合具有重要意义。CPS将计算和网络融入物理系统当中,要求信息系统根据物理系统的特点与之进行特定频率的交互,并且在各个分布的物理系统节点之间进行数据交换,将3C(Computing、Communication、Control)三者进行有机的融合与深度协作,从而达到对大型物理系统与信息系统的实时感知、动态控制和信息服务等。CPS的重要特点是其活动时间性比较强,数据的有效性受时间限制。所以,CPS对实时通信有很高的要求和依赖性。

         现实世界中事件发生在时间和空间上都是分离的,而信息系统(cyber)需要获取并处理大量的外界信息,传统的处理方式多是尽最大努力(Best-effort)的顺序执行是不能满足CPS要求的。因而,如何在信息系统(cyber)中实现时间和空间的分离性(time and space partition)是CPS研究的重要关键技术之一。为了实现CPS对物理系统实时感知和达到高度可预测的控制性能,就必须对计算和通信的过程进行更加深入的研究,使多个计算模块(module)和通信数据流在同一个处理器和传输信道上相互独立、互不干扰、具有时间和空间分离性,以实现CPS的组合性(CPS summit report 2008)。事实上,计算和通信系统本身就是一个非常复杂的物理系统,甚至有些情况下,通信系统的复杂性远高于所要控制的物理系统,比如大规模传感器网络、大型智能电网、中央空调控制系统等中,为了达到对大量数据流的高可靠的实时通信要求,其数据交换设备往往比各接入终端还要复杂。因此,如何利用CPS的设计理念,使通信系统中各个数据流在传输通道上具有时间和空间的分离性,实现高度可靠的实时传输性能是目前CPS应用基础研究的重点内容之一。本项目基于航空电子全双工分组交换以太网AFDX(Avionics Full DupleX Switched Ethernet),研究CPS中实时通信系统平台的时间空间分离方法以实现具有确定性保证的传输性能。

         新的信息世界观认为现代世界是由物理世界、信息世界和人类社会所组成的三元世界。人-机-物三元世界(如下图1所示)是一个多人、多机、多物组成的动态开发的网络世界。从交互的角度来看,融合了信息世界和物理世界的CPS改变了我们人和物理世界交互的方式,正如Internet改变了我们彼此之间的交互方式一样。CPS这种新方式所完成的是物理设备系统的“三化”:信息化、网络化和智能控制化。因此,从本质上来理解,CPS实际上是一个“3C”融合系统,体现了信息科学,物理科学,控制科学和系统科学的交叉与融合,它以信息处理任务为核心,计算部件完成计算功能,并通过高性能通信网络完成数据通信,通过开放的大规模循环控制实现对物理实体的监测与控制,其体现的“3C”概念模型如图2所示。从结构上来看,CPS系统需要包括这样几个部分:(1)传感器,用于感知物理世界的信息;(2)控制器/执行器,用于实施对物理实体的操作;(3)计算部件,可能是集中式的也可能式分布式的,能根据物理信息做出恰当的处理与分析,并做出控制/执行策略;(4)通信网络,用于连接以上各个单元以及相关的信息、对象、事件和人物,网络的规模式是大规模甚至于全球级的互联。从功能上来看,CPS具备五大功能特性:(1)计算功能;(2)网络通信功能;(3)精确控制功能;(4)远程协作功能;(5)自治功能。

        信息物理融合系统CPS的研究与发展,离不开数据管理技术的支持,并随着CPS中的应用需求越来越多,其数据管理技术研究将变得日益重要。由于CPS中的数据管理关键技术研究尚处于起步阶段,因而相关研究成果还比较少,即使已有的一些研究成果也还存在许多不足之处,需要我们进一步深入细致的开展相关研究工作。

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