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(Cyber-physical Systems，CPS)概念以來，CPS引起了學術界、產業界和各國政府的普遍關注。目前，CPS已廣泛應用到社會各個領域，大到智能電網、航空航天、智能交通、遠程醫療、國防等大型復雜系統，小到無人機、家用機器人、藥丸式電子內窺鏡等局部或小型應用，CPS已充分體現著在分布式計算資源與物理世界深度融合過程中表現出的絕對優勢。本文將對CPS的概念進行描述并對涉及的感知、計算、通信和控制技術進行較為系統的分析，討論有關CPS的技術架構及關鍵技術，并展望和總結了CPS在發展過程中面對的挑戰和相應的研究方向。

1 CPS的內涵

1.1 CPS的概念

    目前尚未對CPS形成統一權威的定義，已有概念多基于研究者的不同的關注點和描述方法而提出。通過與嵌入式系統、工業控制系統、物聯網等相關技術的對比，立足于系統的本質特征，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）等技術于一體的連接虛擬數字世界和現實物理世界，緊密結合計算資源和物理資源的先進智能系統。CPS是物聯網技術與控制系統深度融合的產物，其中“感知”體現了物聯網的特有基因，“控制”反映了控制系統的基本功能。

    本定義中，一是將CPS的構成要素確定為感知、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的本質是在網絡環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據感知到數據處理的自下而上信息流以及從分析決策到精準執行的自上而下的控制流^[2]實現系統內資源的合理配置和運行的按需響應；三是指出CPS的具體實現方式是通過構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據轉化為網絡環境中能夠識別的顯性數據后提交給智能系統進行綜合分析處理，將形成的知識數據保存在專家數據庫中，同時通過控制系統將決策信息轉化為控制指令數據后作用到物理空間；四是強調了CPS的功能主要是通過信息迭代方式來實現對物理實體的動態優化。

    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動態模式相結合后形成的混雜系統（hybrid system），其中代表物理世界的連續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動與事件驅動并存的動態系統。

1.2 CPS的組成結構

    圖1所示的是CPS典型應用的組成結構，按自底向上的分層思想，將CPS劃分為感知和控制層、網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行模塊組成，用于將物理空間中的隱性信息轉化為可以提交給上層網絡傳輸的顯性數據，同時根據決策結果實現對物理空間中物理實體的控制。在一些單元級的CPS中，根據預定的策略，在感知模塊和執行模塊之間也可以直接進行數據交互；網絡傳送層由現有和演進中的各類網絡技術組成，主要功能是提供安全、可靠、實時的數據傳輸通道，為不同CPS節點間的協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、大數據等技術實現對CPS系統中采集數據的深度處理和實時分析，并通過對來自不同系統和環境數據的判斷，根據形成的最優決策對物理實體進行控制。

2 CPS的技術體系和關鍵技術

2.1 CPS的技術體系

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

2.2 CPS的關鍵技術

2.2.1 智能感知和自動控制

    （1）傳感器技術

    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律轉換成適用于網絡環境傳輸的信號的器件或裝置。根據工作機理的不同，傳感器可分為利用物質的物理現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、微處理器等技術的快速發展，集感知、計算和通信功能于一體的具有自診斷、自校正、自補償等功能的智能傳感器使物理空間的信息感知變得更加高效和細化。

    （2）自動控制技術

    自動控制技術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（設備或系統）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。

    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。利用嵌入式軟件，從被控對象（傳感器、儀器、儀表、在線測量設備等）和被控環境中采集信息，實現感知功能，通過上層的計算功能分析被控對象和環境的當前狀況，最后再根據已建立的模型計算和控制規則形成決策結果，向執行器發出操作指令。在具體的應用中，以上過程是一個“感知→分析→決策→執行→”的循環往復過程，直到實現既定的控制目標。另外，一般由多個可控的物理實體根據生產流程構成一個具體的生產系統，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絡或CPS總線來實現。

    由于CPS主要應用于一些安全性和可靠性高的關鍵系統中，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、嵌入式數據庫、應用軟件和開發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和配置，實現對被控對象的智能化監測、管理和控制。

2.2.2 網絡通信技術

    CPS雖然是物聯網中的一類典型應用，但與一般物聯網技術不同的是，CPS對網絡通信技術在穩定性、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的通信網絡可包括現有和演進中的各類網絡技術，如有線網絡中的現場總線技術和工業以太網技術，無線網絡中的WiFi、ZigBee、4G/5G、藍牙等技術；在組網方面，由于CPS同樣采用傳統網絡中經典的分層模型，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），明晰的層次結構要求CPS組網中應具有更高的開放性和靈活性，以便實現異構網絡、異構系統之間的跨平臺互聯和高度集成；在技術方面，在一個異構互聯網絡中，不同網絡采用的通信協議、傳輸速率、數據結構等可能不同，這就需要在具體集成過程中解決大量的技術細節問題。

    （1）現場總線技術

    現場總線是工業控制系統中一種數字通信技術，主要為工業現場的控制器、執行器、智能儀器與儀表等設備之間的連接提供數字通信通道，為控制系統與現場控制設備之間的實時數據傳輸提供可靠的通信保障。現場總線技術是計算機、通信、智能控制、超大規模集成電路等技術發展并相互作用的產物，實現了工業控制系統向著數字化、網絡化、智能化和高度集成的方向發展。CPS中的現場總線技術具有全網數字化、開放環境下的異構互聯、設備的智能化、設備間的互操作性、對現場工業環境的適應性等特點^[5]。

    （2）工業以太網技術

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

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

2.2.3 智能平臺服務技術

    （1）邊緣計算

    邊緣計算是指在網絡邊緣的數據源處執行計算任務的一種新型計算模式^[8]。在CPS中，邊緣計算的下行數據表示執行數據，上行數據表示感知數據，而邊緣指圖2中物理實體的感知、計算、通信和控制資源。邊緣感知設備具有旺盛的數據自處理需求，如果能夠在感知設備上增加運行CPS執行任務的數據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絡邊緣的智能感知設備上，將會有效保障通信的實時性，降低網絡壓力，減輕CPS計算中心的計算工作量，提高CPS的整體性能。

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

    （2）霧計算

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

    由多個單元級CPS組成的復雜CPS是目前工業應用中最常見的模式，其中不同基本單元級CPS之間的協同計算和操作是確保整個CPS系統性能的關鍵。如圖3所示^[3]，通過霧計算技術的應用，將數據的處理、數據存儲和應用程序集中在靠近網絡邊緣的設備中，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據傳輸中對網絡帶寬的占用；另一方面，將邊緣智能感知設備的深度數據處理操作上移到霧計算處，降低了對邊緣設備在計算能力上的壓力。霧計算更能夠發揮CPS中各組成單元的計算資源優勢，讓數據的存儲和處理相對分散，讓有價值數據的流動更加高效、實時，使整個CPS中資源的配置更加優化。

    （3）工業大數據

    工業大數據是一個宏觀的概念，它同時包含企業信息化過程中產生的數據、工業CPS數據以及企業與外界交往過程中產生的數據等。這些數據中，有些是由設備產生的時序數據（主要由傳感器、儀器儀表和智能感知終端采集的數據），有些是人為產生的數據（如產品設備數據、業務數據、產品用戶評價數據等）。不管這些數據產生于何處，都是通過促進數據的流動共享來解決企業生產環節的業務問題，以提高控制的精準性和決策的科學性。

3 發展展望

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和新型應用領域，對CPS技術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：無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）和控制理論。以上兩大陣營，雖然研究經歷不同，研究方法存在一些差異，但研究目標是共同構建一個集感知、計算、通信與控制于一體的高度集成的系統。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，從基礎研究、理論指導、技術實現等方面實現優勢互補，共同促進CPS的進一步發展。

3.2 關鍵技術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的綜合運用。在前文對一些技術進行論述時就反映出了CPS中不同技術發展的不平衡性和實現方式上的差異性，這些因素是影響CPS核心應用的關鍵。

    除前文重點介紹的技術之外，工業軟件對CPS在工業領域的應用起著關鍵作用。工業軟件^[10]是對工業生產、管理、服務等全部過程的代碼化體現。軟件是算法的代碼化，工業軟件是CPS的核心，對CPS的影響起著決定作用。在許多情況下，CPS中的設備運行環境較為惡劣，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，對系統的性能要求越來越高，軟件系統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。下一步需要結合CPS典型應用，對可信軟件理論與關鍵技術在CPS中的應用進行深入研究。

    另外，系統建模技術也決定著CPS的功能實現和性能保障。目前，針對CPS研究的建模理論和方法較多，如離散系統建模方法、連續系統建模方式、混合系統建模方式等^[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。下一步需要結合CPS典型應用，加強建模過程中連續系統（物理空間）與離散系統（信息空間）融合方法的基礎理論和關鍵技術研究，以及加強分布式系統的建模研究，解決CPS不同組件間的時間同步、網絡延時、物理實體統一標識等問題。

3.3 CPS的標準有待進一步完善

    根據應用建立配套的技術標準是推動CPS產業健康發展的有效模式和必要手段。目前，有關國家和地區的相關機構已經提出了一批CPS的標準，但是由于CPS是一個同時涉及網絡、終端以及管理平臺的復雜系統，現有標準尚無法滿足CPS應用的需求，在設計與制造、典型應用、標準化語言描述、應用模式、異構互聯、安全管理等方面的標準化建設中還存在較大挑戰，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：一是制定統一的技術標準架構，明晰各標準明細之間的關聯性；二是完善CPS的體系結構，包括基本的概念和術語；三是對涉及CPS的系統建模、異構互聯、數據共享、實時控制等關鍵技術及規范提供具體指導；四是根據應用，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 典型應用的引領作用需求加強

    CPS技術一經提出就得到了工業應用領域的廣泛關注，并在設計、制造、服務、應用等環節得到體現。CPS技術的引入，通過設備之間的互聯以及智能管理平臺的應用，消除了生產環節中存在的信息孤島，實現了對生產過程的監控和資源的合理調度，優化了資源配置。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行業應用的典型案例。下一步將重點對物理實體的接口協議、實時通信、精準控制、遠程互動等涉及CPS的關鍵技術進行研究，同時加強基于大數據技術的知識庫和規則庫的建設。在此基礎上，選擇工業領域的典型應用進行系統建模，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 結論

    鑒于CPS的重要性，其概念一經提出便引起了學術界和產業界的高度重視，并在產、學、研、用一體化進程中加速發展。同時，鑒于CPS的復雜性，對其技術的研究和實踐探索還需要在充分借鑒相關領域已有成果的基礎上，緊緊抓住影響CPS發展的關鍵技術進行集中攻關。目前，對CPS的研究工作剛剛起步，CPS技術和應用發展還面臨著許多挑戰，在統一認識、完善技術體系標準、加強關鍵技術創新研究、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）