信息物理系统CPS课件.ppt

1、汇报内容汇报内容定义定义 CPSCPS就是一个在环境感知的基础上，深度融合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，化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互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。监测或者控制一个物理实体。CPSCPS的最终目标是实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、

2、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可信、可扩展并且安全高效的CPSCPS网络，并最终从网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式根本上改变人类构建工程物理系统的方式嵌入式嵌入式(Embedded System)系统是软件和硬件的综合体，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封闭的系统，在一些工控网络中，有

3、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。或者互联网进行互联。物联网物联网(The Internet of Things)指通过射频识别、红外感指通过射频识别、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

4、是互联网，是在互联网基础上的延伸络。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。品与物品之间，进行信息交换和通讯。传感网传感网(Sensor Network)节点是传感器，通过自组织的方式节点是传感器，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。属性，

5、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，简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是其核心是3C融合、融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功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。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，这对于知，这对于CPS来说太过简单，来说太过简单，CPS需要实现的是感控，也需要实现的是感控，也就是说，就是说，CPS不仅仅实现感知功能，还需要实现控制不

6、仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对，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。设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。发展发展技术特点技术特点研究热点（一）研究热点（一）拥有众多复杂功能的拥有众多复杂功能的CPSCPS系统是多学科交叉的前沿研究领域，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、网络融合一、网络融合 现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、Ad hocAd hoc网络、网络、wi-Fiwi-Fi、WiMAXW

7、iMAX、无线传感网等，因、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，的可能，以达到互联互通的目的。因此，如何使各如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互通，是通，是CPSCPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。系统的一个难点，也是当前的研究热点。研究热点（二）研究热点（二）二、节点接入与管理二、节点接入与管理 CPSCPS网络本身就是一个开放式的网络，

8、允许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，对于各种网络、各种节点自由接人、退出网络，对于其他网络，其他网络，CPSCPS网络的规模更大，所以如何定位网络的规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由是是CPSCPS网络通信的难题。而且，当前对节点的接网络通信的难题。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。待解决的问题。研究热点（三）研究热点

9、（三）一、一、安全性问题安全性问题 与互联网类似，与互联网类似，CPSCPS网络也面临传统的网络威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。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、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，都是信息窃取等网络攻击手段，都是CPSCPS可能遇到的可能遇到的问题，且由于问题，且由于CPSCPS网络涉及各种物理节点网络涉及各种物理节点(如传感如传感器等器等)，攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使，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，系统接收到虚假信息，这些安全

10、问题都是这些安全问题都是CPSCPS网网络需要解决的问题络需要解决的问题。基本功能单元基本功能单元系统架构系统架构 CPSCPS系统是由众多异构元素构成的复杂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。建特定的系统结构。但是从技术实现的角度但是从技术实现的角度分析，一般可以将其分为物理层分析，一般可以将其分为物理层(PL)(PL)、网络层、网络层(NL)(NL)和应用层和应用层(AL)(AL)。这样的结构仅反映了实现。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技术的层次关系，实践中要包含的组成元素

11、可能千差万别，层间的联系与信息传递关系可能千差万别，层间的联系与信息传递关系也可能相当复杂也可能相当复杂。系统架构系统架构物理层是物理层是CPSCPS系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带。界的纽带。它是直接与物理世界交互的部分，它是直接与物理世界交互的部分，CPSCPS通过物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。理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。物理层物理层由由地理上分布的各种地理上分布的各种CPSCPS单元单元组成，这里的组成，这里的CPSCPS单单元可以是一个单独的元可以是一个单独的CPSCPS节点，例如

12、一台手持终端节点，例如一台手持终端PDAPDA或或移动手机就是一个移动手机就是一个CPSCPS单元。另外，一个单元。另外，一个CPSCPS单元也可以单元也可以是一组是一组CPSCPS节点集合，如一组探测仓库温度的智能传感器节点集合，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他CPSCPS单元交互，这一组智能传感器被认为是一个单元交互，这一组智能传感器被认为是一个CPSCPS单单元，其中每个智能传感器是一个元，其中每个智能传感器是一个CPSCPS节点。节点。系统架构系统架构 物理层物理层网络层将物理层的大量

13、异构网络层将物理层的大量异构CPSCPS单元实现互联互通，并支单元实现互联互通，并支持持CPSCPS单元之间的互操作。单元之间的互操作。网络层是网络层是CPSCPS实现资源共享的实现资源共享的基础。基础。CPSCPS网络需要屏蔽掉物理层网络需要屏蔽掉物理层CPSCPS单元的异构性，实单元的异构性，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。网络的中间转换服务器。不同公司生产的、功能各异的、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。可以将异质信息转化为同质，无障碍地进行数据交换。系统架构系统架构 网络层网络层系统架构系统架构 应用层应用层CPS在智能电网上的应用在智能电网上的应用CPS在智能电网上的应用在智能电网上的应用CPS研究展望研究展望