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汇报内容CPS系统定义嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系CPS的发展技术特点研究热点基本功能单元系统架构CPS在行业中的应用研究展望12020/7/11定义CPS就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，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式22020/7/11嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系嵌入式(EmbeddedSystem)系统是软件和硬件的综合体，在某些情况下，还可以包括机械装置。传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联。物联网(TheInternetofThings)指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。32020/7/11嵌入式系统、物联网、传感网和CPS的区别和联系传感网(SensorNetwork)节点是传感器，通过自组织的方式构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理属性，实现特定区域的监测。CPS简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是3C融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，这对于CPS来说太过简单，CPS需要实现的是感控，也就是说，CPS不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。42020/7/11发展CPS是在嵌入式系统、传感器技术和网络技术的基础上发展起来的，尤其是前两者的发展直接导致了CPS概念的提出。CPS在继承IoT无处不在通信模式的基础上，更强调物体间的感知互动，强调物理世界与信息系统间的循环反馈，它将地理分布的异构嵌入式设备通过高速稳定的网络连接起来，实现信息交换、资源共享和协同控制，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，是未来网络演进的必然趋势52020/7/11技术特点1.信息世界与物理世界的交互协同、深度集成2.系统体系结构具有开放性、动态性和多维度的异构性特点3.同时存在时间、空间方面的约束，在时空层次上具备高度的复杂性4.自主适应物理环境的动态变化，具备自适应、重配置的能力5.信息世界与物理世界问存在反馈闭环控制，实现智能控制和提供高质量的服务6.必须满足实时性、可靠性和安全性方面的要求62020/7/11研究热点（一）拥有众多复杂功能的CPS系统是多学科交叉的前沿研究领域，其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、系统安全等一、网络融合现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、Adhoc网络、wi-Fi、WiMAX、无线传感网等，因为每种网络的规模都很大，且结构与通信方式皆不同，所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代的可能，以达到互联互通的目的。因此，如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互通，是CPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。72020/7/11研究热点（二）二、节点接入与管理CPS网络本身就是一个开放式的网络，允许各种网络、各种节点自由接人、退出网络，对于其他网络，CPS网络的规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由是CPS网络通信的难题。而且，当前对节点的接人与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网络的节点管理的研究还很少，所以这也是一个亟待解决的问题。82020/7/11研究热点（三）一、安全性问题与互联网类似，CPS网络也面临传统的网络威胁，因此安全与隐私问题也是目前的研究热点。像现有的拒绝服务攻击、僵尸网络、身份欺骗、信息窃取等网络攻击手段，都是CPS可能遇到的问题，且由于CPS网络涉及各种物理节点(如传感器等)，攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使系统接收到虚假信息，这些安全问题都是CPS网络需要解决的问题。92020/7/11基本功能单元CPS的基本组件包括传感器、执行器和决策控制单元。基本组件结合反馈循环控制机制构成了CPS的基本功能逻辑单元，执行CPS最基本的监测与控制功能决策控制单元传感器被控对象执行器用户输入控制指令控制量感知信息102020/7/11系统架构CPS系统是由众多异构元素构成的复杂系统，对于不同行业的特定应用通常需要构建特定的系统结构。但是从技术实现的角度分析，一般可以将其分为物理层(PL)、网络层(NL)和应用层(AL)。这样的结构仅反映了实现技术的层次关系，实践中要包含的组成元素可能千差万别，层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂。112020/7/11新一代网络网络节点网络节点控制指令监测命令接受接受提供监测事件资源管理知识库服务器应用软件全局时钟管理实时监控应用层软件管理、系统集成等网络层物理层物理世界抽象、仿真、信息处理感知、控制人机交互物理世界CPS单元CPS单元CPS单元CPS单元系统架构122020/7/11物理层是CPS系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，CPS通过物理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。物理层由地理上分布的各种CPS单元组成，这里的CPS单元可以是一个单独的CPS节点，例如一台手持终端PDA或移动手机就是一个CPS单元。另外，一个CPS单元也可以是一组CPS节点集合，如一组探测仓库温度的智能传感器集合通过一个超级智能传感器组合连接入新一代网络与其他CPS单元交互，这一组智能传感器被认为是一个CPS单元，其中每个智能传感器是一个CPS节点。系统架构物理层132020/7/11网络层将物理层的大量异构CPS单元实现互联互通，并支持CPS单元之间的互操作。网络层是CPS实现资源共享的基础。CPS网络需要屏蔽掉物理层CPS单元的异构性，实现无缝连接，为应用层提供资源共享的基础网络，以透明的方式为用户提供即插即用式服务网络层是由大量的中间件服务器组成的，这里的中间件主要用于不同网络协议和网络体系结构的转换，相当于异构网络的中间转换服务器。不同公司生产的、功能各异的、甚至编码方式和硬件都不兼容的设备，通过中间件服务器可以将异质信息转化为同质，无障碍地进行数据交换。系统架构网络层142020/7/11应用层是面向用户的一个一体化平台，该层将网络层和物理层的详细信息封装成为不同的应用模块，使用户不用关心低层细节而直接进行业务处理。系统架构应用层152020/7/11CPS在智能电网上的应用一、智能电网定义智能电网是包括各种发电设备、输配电网络、用电设备和储能设备的物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、网络技术、通讯技术、计算技术、自动化与智能控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网。它是一个完全自动化的供电网络，其中每一个发电设备、每一个输配电设备用户(乃至用电设备)和每一个节点都得到了实时监控，并保障从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。162020/7/11二、CPS在智能电网中的优势CPS系统中的物理设备强调精确控制，实现远程交互和协作，同时系统是一个多维度而非单维度的开放式系统，具有高度的复杂性，能支持建造国家级甚至全球级的大型或者特大型联网物理设备。这些特点决定了CPS系统在智能电网建设方面将大有用武之地，通过CPS系统，能够从发电、输电、变电、配电、用电、调度等方面实现精确控制、远程协作和自治，从而为社会创造并节约宝贵的能源。CPS在智能电网上的应用172020/7/11CPS研究展望CPS网络是一种全新的局部操控、全局控制，具有多学科交叉应用的混合网络，作为一种全新的组网方式，CPS网络在众多领域如个人医疗救助、智能交通、环境监测等具有巨大应用潜力，并对未来人们生活方式带来深远的影响与深刻的变化．预计CPS网络领域未来一段时间内研究的重点方向包括：1)网络控制与中间件2)网络连接向多层次发展3)网络层次模型多样化4)可供实验的完整网络实验平台5)完整可实现的CPS系统182020/7/11