羅俊海 ，肖志輝 ，仲昌平

（1.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 611731；2.邁普通信技術(shù)股份有限公司 成都 610041）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)（特別是嵌入式計(jì)算技術(shù)）、通信技術(shù)（特別是無(wú)線通信技術(shù)）、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)（特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）的迅速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（cyber physical system,CPS）應(yīng)運(yùn)而生。

目前CPS還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的明確定義，本文的定義為：CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計(jì)算、通信和控制(computing,communication,control，3C)能力的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與信息世界的協(xié)同和實(shí)時(shí)交互，以增加或擴(kuò)展新的功能，提供實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息反饋等服務(wù)。圖1展示了 CPS 3C能力之間的相互協(xié)同過(guò)程。

另外，隨著CPS認(rèn)識(shí)的逐步深入，本文認(rèn)為CPS將由3C的核心概念逐步向“5C+5Any”的核心概念轉(zhuǎn)換。5C分別是融合 (convergence)、通信(communication)、計(jì)算(computing)、連接(connectivity)、內(nèi)容(content)；5Any分別是任意時(shí)間 (anytime)、任意地點(diǎn) (anywhere)、任意服務(wù)(anyservice)、任意網(wǎng)絡(luò)(anynetwork)和任意對(duì)象(anyobject)。

圖1 CPS 3C能力之間的相互協(xié)同過(guò)程

CPS中所有研究的對(duì)象都統(tǒng)一看作設(shè)備終端，讓設(shè)備終端具有智能化，通過(guò)泛在相連實(shí)現(xiàn)終端間的信息交換[1]。CPS通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、傳感器與執(zhí)行器組合節(jié)點(diǎn)分布在物理世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的全面感知，并通過(guò)操控物理世界的對(duì)象正確地控制物理世界。CPS的計(jì)算系統(tǒng)完成各種計(jì)算任務(wù)，提供各種服務(wù)；控制系統(tǒng)使用感知信息和計(jì)算系統(tǒng)提供的信息與服務(wù)，確定對(duì)物理世界的控制策略，協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行器對(duì)物理世界對(duì)象的操作，實(shí)施對(duì)物理世界的協(xié)同控制，有機(jī)地實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的融合。CPS通信網(wǎng)絡(luò)可以邏輯地視為傳感器網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò)。

CPS應(yīng)用極為廣泛，包括醫(yī)療器件和系統(tǒng)、生活助理、交通控制、先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)、過(guò)程控制、能源消耗與再生、環(huán)境保護(hù)、智能、重要基礎(chǔ)設(shè)施控制（如電力資源、通信系統(tǒng)、水資源等）、智能機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)施、航空航天、信息安全和國(guó)防系統(tǒng)等。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

CPS是當(dāng)今最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，被普遍認(rèn)為是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)史上的下一次信息浪潮，將會(huì)改變?nèi)伺c現(xiàn)實(shí)物理世界之間的交互方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。CPS得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視，并已經(jīng)投入了大量的人力和物力，從事CPS領(lǐng)域基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究。

2007年8月，美國(guó)明確建議把CPS作為美國(guó)聯(lián)邦政府研究投入最高優(yōu)先級(jí)的課題，從此開(kāi)啟了美國(guó)對(duì)CPS研究的大門(mén)。美國(guó)很多高校和研究單位都針對(duì)CPS提出了自己的觀點(diǎn)和愿景。

2009年5月，來(lái)自加州伯克利分校、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等高校和波音、博世、豐田等企業(yè)界的研究人員參加了由美國(guó)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究人員的社團(tuán)組織——計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟資助的以“CPS研究中的產(chǎn)業(yè)-學(xué)術(shù)界新型伙伴關(guān)系”為主題的研討會(huì)，會(huì)議最終發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)界在CPS研中的協(xié)作》白皮書(shū)[2]。

從2006年到 2010年 3月1日，NSF（national sanitation foundation）共批準(zhǔn)CPS相關(guān)項(xiàng)目133余項(xiàng)，其中2006年8項(xiàng)，2007年26項(xiàng)，2008年32項(xiàng)，2009年66項(xiàng)。資助范圍很廣，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、基本理論、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、支持技術(shù)、應(yīng)用、相關(guān)國(guó)際會(huì)議及博士生論壇等。

歐洲聯(lián)盟計(jì)劃從2007年到2013年在CPS相關(guān)的嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)(ARTMEIS)上投入54億歐元。當(dāng)前其有關(guān)CPS的探索性研究成果主要有：CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)安全、QoS和應(yīng)用案例等[3]。

目前，國(guó)際上的CPS研究工作剛剛開(kāi)始，研究工作僅觸及CPS的少數(shù)幾個(gè)方面，研究成果比較少?？傮w來(lái)說(shuō)，可以分為CPS的系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)傳輸與管理技術(shù)、能源管理、系統(tǒng)安全、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、控制以及示范應(yīng)用系統(tǒng)等。

從2009年開(kāi)始，CPS逐漸引起國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)、學(xué)者以及企業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視。2010年，國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域辦公室和國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M在華東師范大學(xué)舉辦了“信息—物理融合系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇，探討了CPS科學(xué)基礎(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域CPS應(yīng)用系統(tǒng)示范及國(guó)家急需的CPS應(yīng)用系統(tǒng)戰(zhàn)略布局，并就3G與CPS融合、智能電網(wǎng)的CPS應(yīng)用、CPS技術(shù)發(fā)展與智能交通、CPS技術(shù)在數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字農(nóng)業(yè)、公共安全等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研討[4]。

目前國(guó)內(nèi)從事CPS研究的機(jī)構(gòu)不多，西北工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、電子科技大學(xué)等高校創(chuàng)立了CPS研究組，但這些機(jī)構(gòu)都沒(méi)有從CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)時(shí)性方面展開(kāi)研究。相信隨著CPS關(guān)注度的提高，國(guó)內(nèi)從事CPS研究的學(xué)者和機(jī)構(gòu)會(huì)越來(lái)越多[5]。

3 CPS架構(gòu)

CPS深度結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，集傳感、控制、計(jì)

算及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接在一起，構(gòu)成一種大型的、異構(gòu)的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。CPS體系架構(gòu)如圖2所示。

（1）感知層

由傳感器、控制器和采控器等感知設(shè)備組成，負(fù)責(zé)感知用戶(hù)感興趣的物理世界的某些物理屬性，比如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)田的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療中病人的血壓、脈搏等生命特征參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)多感知器協(xié)同感知物理世界狀態(tài)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

連接信息世界與物理世界的各種對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制的CPS實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)分組的實(shí)時(shí)傳輸。

（3）認(rèn)知層

通過(guò)感知數(shù)據(jù)的認(rèn)知計(jì)算、分析和推理，正確和深入地認(rèn)識(shí)物理世界。該層分為認(rèn)知邏輯層、管理邏輯層和認(rèn)知適配層3個(gè)子層。

（4）控制層

控制層也可以叫應(yīng)用層?？刂茖痈鶕?jù)認(rèn)知層的認(rèn)知結(jié)果，確定控制策略，發(fā)布控制指令，遠(yuǎn)程指揮各個(gè)物理設(shè)備終端協(xié)同控制物理世界，形成反饋循環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)物理世界的被控制量偏離規(guī)定值時(shí)，CPS自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用消除偏差。

4 CPS業(yè)務(wù)特征

CPS通過(guò)感知、智能設(shè)備獲得客觀世界事物的信息，并對(duì)感知到的信息進(jìn)行分析和智能化的處理，與通信對(duì)象進(jìn)行交互，完成應(yīng)用相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯。

CPS應(yīng)用非常豐富，各種應(yīng)用的特征各不相同。例如在健康醫(yī)療生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，普通的生命體征數(shù)據(jù)只需要周期性地傳送或在事件驅(qū)動(dòng)的情況下傳送，只需要傳輸少量的數(shù)據(jù)信息，不需要很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，但緊急情況下的數(shù)據(jù)信息需要實(shí)時(shí)傳送，因此需要較高級(jí)別的QoS保證[6,7]。而在視頻監(jiān)控類(lèi)業(yè)務(wù)中則需要傳輸大量的監(jiān)控信息，需要較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。與話音等傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)相比，CPS應(yīng)用在通信特征方面呈現(xiàn)出差異化和多樣化，具有如下業(yè)務(wù)特征。

圖2 CPS體系架構(gòu)

·環(huán)境感知性。CPS應(yīng)用可以通過(guò)傳感器等感知設(shè)備對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行感知，自動(dòng)獲取環(huán)境信息。

·自組織、自愈性。節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)、智能地接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)具有分布式自恢復(fù)能力。

·異構(gòu)性、泛在性。多種接入和承載方式融合在一起，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入。任何對(duì)象（人或設(shè)備等）無(wú)論何時(shí)、何地都能通過(guò)合適的方式獲得所需要的信息與服務(wù)。

·移動(dòng)性、寬帶性。不同的CPS終端設(shè)備具有不同的移動(dòng)性特征，有些是固定不動(dòng)的，有些只進(jìn)行低速移動(dòng)，而有些則可能會(huì)高速移動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)可以支持具有不同移動(dòng)特性的對(duì)象的移動(dòng)與漫游，支持無(wú)縫切換及移動(dòng)性管理，提供連續(xù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

·開(kāi)放性、透明性。CPS網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次的能力都是開(kāi)放的，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口對(duì)外提供服務(wù)，有助于業(yè)務(wù)提供者方便、快速、靈活地開(kāi)發(fā)和部署豐富的業(yè)務(wù)。

·可管可控性。提供統(tǒng)一的管理平臺(tái)，對(duì)互連的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)施各種管理和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)的綜合管理，包括終端設(shè)備及業(yè)務(wù)接入鑒權(quán)、QoS保證等，使用戶(hù)獲得可管理可控制的優(yōu)質(zhì)CPS服務(wù)。

·時(shí)空約束性。CPS業(yè)務(wù)具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和空間約束，并且不同業(yè)務(wù)可能有不同的時(shí)間和空間粒度。

·不確定性。CPS業(yè)務(wù)具有不確定性，主要來(lái)源于測(cè)量誤差、計(jì)算模型誤差、無(wú)線通信等因素。

·融合性、協(xié)同性。數(shù)字化、多媒體化的信息服務(wù)將融入人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸a(chǎn)、生活中，信息整合和服務(wù)協(xié)同是泛在服務(wù)的核心。CPS中的物理設(shè)備強(qiáng)調(diào)精確控制，要實(shí)現(xiàn)度量標(biāo)準(zhǔn)，并且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互和協(xié)作完成具體任務(wù)的自主管理，這些任務(wù)不是靠一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備完成的，而要靠眾多物理設(shè)備協(xié)作完成。

·安全性。CPS業(yè)務(wù)應(yīng)提供從機(jī)器終端設(shè)備到應(yīng)用服務(wù)的端到端的安全傳輸保證，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)作為終端層和應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸中介，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)，實(shí)現(xiàn)CPS的全程安全管控。

5 CPS發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

從規(guī)模上看，由于CPS相關(guān)面覆蓋了小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)的應(yīng)用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將物與物簡(jiǎn)單地連在一起，而是要催生出眾多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治能力的設(shè)備，據(jù)估計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到上萬(wàn)億元，而CPS的市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出物聯(lián)網(wǎng)的，難以計(jì)數(shù)。

下一代工業(yè)將建立在CPS之上，隨著CPS技術(shù)的發(fā)展和普及，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的物理設(shè)備無(wú)處不在，并將推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的升級(jí)換代，極大地提高汽車(chē)、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力[8]。

5.1 CPS差異化

CPS包括了無(wú)處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制，使CPS具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治的功能。CPS的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，從根本上改變?nèi)祟?lèi)構(gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。和其他系統(tǒng)相比，CPS體現(xiàn)了如下的差異化。

·多維度開(kāi)放式系統(tǒng)。CPS不是單維度封閉系統(tǒng)，其具有高度的復(fù)雜性，能夠支持各類(lèi)型的物理設(shè)備系統(tǒng)，具有開(kāi)放性。

·強(qiáng)調(diào)物理設(shè)備和信息系統(tǒng)的深度整合，但目前缺乏進(jìn)行這種整合的基礎(chǔ)?？刂普摵陀?jì)算機(jī)分屬兩個(gè)學(xué)科，各學(xué)科解決問(wèn)題的思路存在著極大的差異。研究物理的人會(huì)用微分方程刻畫(huà)世界，而研究計(jì)算機(jī)的人習(xí)慣用離散數(shù)學(xué)和形式化語(yǔ)言描述模型。

·基于模型開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)有系統(tǒng)只關(guān)心數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的狀態(tài)變化，無(wú)法描述物理設(shè)備的多種行為和信息之間的交互。

·具有時(shí)間和空間的概念?，F(xiàn)有的編程語(yǔ)言能力無(wú)法滿(mǎn)足CPS的這種需要。

·海量數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)在對(duì)于海量數(shù)據(jù)處理的研究不多，主要來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。

5.1.1 CPS與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的差異化

CPS不能僅僅通過(guò)傳統(tǒng)的嵌入式方式為物理系統(tǒng)擴(kuò)展或者增加新的功能。傳統(tǒng)的嵌入式方式已不再適應(yīng)新一代物理系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，CPS需要開(kāi)放、可靠和確定的嵌入式系統(tǒng)。CPS中的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的封閉性系統(tǒng)，而是可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)和互操作的系統(tǒng)；要求的嵌入式系統(tǒng)是一種開(kāi)放的嵌入式系統(tǒng)，可以提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)接口和交互協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算平臺(tái)和服務(wù)調(diào)用接口、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算環(huán)境和管理界面。

5.1.2 CPS與物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的差異化

從名稱(chēng)來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)偏重工程技術(shù)，而CPS則偏重科學(xué)技術(shù)研究；從概念內(nèi)涵角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)突出物與物間的互聯(lián)，而CPS在物與物互聯(lián)的基礎(chǔ)上，還強(qiáng)調(diào)對(duì)物的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的信息控制與信息服務(wù)。

另外，傳感網(wǎng)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，用于感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象和事件的信息，是CPS感知和監(jiān)測(cè)物理世界的有效手段。但其僅僅是采集和傳遞數(shù)據(jù)，并沒(méi)有涉及核心控制技術(shù)，也不具備CPS要求的高可靠性。所以傳感網(wǎng)并不是物聯(lián)網(wǎng)，更不是CPS，傳感網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)在一定程度上可以支撐CPS的開(kāi)發(fā)[9]。

5.2 CPS發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

目前，有關(guān)CPS的研究還處于起步和探索階段，研究者面臨很多挑戰(zhàn)，如CPS的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、測(cè)試和維護(hù)的成本高、難度大，精細(xì)化集成技術(shù)，可靠性和實(shí)時(shí)性要求，安全性等。下面將從以下幾個(gè)方面闡述CPS研究所面臨的挑戰(zhàn)。

5.2.1 物理系統(tǒng)與計(jì)算系統(tǒng)的協(xié)同處理

從上面的定義和分析可以看出，CPS的特點(diǎn)之一就是協(xié)同，所以在進(jìn)行CPS研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，必須處理物理系統(tǒng)與計(jì)算系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。CPS在面向物理環(huán)境感知時(shí)，具有空間和時(shí)間上的關(guān)系，所以計(jì)算系統(tǒng)必須保證在事件處理、決策和控制時(shí)是準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的，確保在物理系統(tǒng)控制和操作的空間和時(shí)間上的正確性。另外，正因?yàn)槭录臅r(shí)空相關(guān)性，在進(jìn)行CPS研究的同時(shí)，必須有效地利用事件的時(shí)空關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。

5.2.2 物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同處理

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)處不在的通信接入，使得物理設(shè)備能夠進(jìn)行信息交互。所以，在進(jìn)行CPS研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，必須處理物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。建立物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同模型，定性和定量地分析物理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。必須摒棄傳統(tǒng)的分別評(píng)價(jià)、建模和仿真CPS的方式，這樣無(wú)法構(gòu)建物理系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同與依賴(lài)關(guān)系。

5.2.3 計(jì)算系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同處理

由于物理系統(tǒng)中物理設(shè)備的安全性、面向?qū)ο笮院涂煽啃缘男枰屯ㄓ玫挠?jì)算系統(tǒng)中的部件存在著本質(zhì)上的差異，因此必須考慮計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的協(xié)同關(guān)系。研究物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、計(jì)算的離散性和時(shí)序性，重構(gòu)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的抽象體系，如編程語(yǔ)言中增加時(shí)序，網(wǎng)絡(luò)增加時(shí)序，重新定義OS、編程語(yǔ)言的接口，重新劃分軟硬件，構(gòu)建面向CPS中間件，系統(tǒng)正確性驗(yàn)證技術(shù)、嵌入式服務(wù)開(kāi)發(fā)技術(shù)，提供實(shí)時(shí)安全的數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)、隱私保護(hù)技術(shù)以及安全控制技術(shù)等。

5.2.4 示范工程建設(shè)的挑戰(zhàn)

這一挑戰(zhàn)基于CPS的應(yīng)用。CPS的典型示范系統(tǒng)，例如智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療系統(tǒng)等，都會(huì)涉及較為復(fù)雜的基本建設(shè)工程和公共設(shè)施工程。首先必須保證無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，保證所有的物理設(shè)備能夠正確接入，特別是無(wú)線接入方式。所以構(gòu)建全覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就是開(kāi)展示范工程的第一件事情，而且很難在短時(shí)間內(nèi)完成。另外，示范工程的建設(shè)必須要按需進(jìn)行引導(dǎo)，建立相互融合的綜合性平臺(tái)應(yīng)用，避免單一應(yīng)用的示范工程建設(shè)。

總之，CPS研究所涉及的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題非常廣泛，包含了理論建模和計(jì)算，系統(tǒng)集成與驗(yàn)證，分布式傳感，計(jì)算,通信和網(wǎng)絡(luò)控制，CPS領(lǐng)域語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化和高可信軟件，物理接口與挖掘，安全、隱私和信任，示范工程等。這些方面需要繼續(xù)投入人力和物力進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。

6 結(jié)束語(yǔ)

CPS是未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的亮點(diǎn)，是下一次信息化技術(shù)革命浪潮。CPS橋接了原來(lái)完全分割的虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界，使得虛擬網(wǎng)絡(luò)世界智能化，并基于物理世界與虛擬世界的相互連接，有機(jī)地實(shí)現(xiàn)信息交互，并且能夠優(yōu)化物理世界設(shè)備之間的控制、操作和傳遞，構(gòu)成一個(gè)泛在、綠色、智能、高效的物理世界，使得現(xiàn)實(shí)世界更加豐富多彩。

可以看出，CPS的研究是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，其應(yīng)用涉及各行各業(yè)，是一項(xiàng)龐大的綜合性、復(fù)雜性系統(tǒng)，所以對(duì)CPS的研究必須著眼于現(xiàn)在，展望于未來(lái)數(shù)十年或更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化和跟蹤，使得研究者按需進(jìn)行有計(jì)劃、分階段的研究和開(kāi)發(fā)工作。對(duì)于CPS的研究挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，只要能夠科學(xué)分析、優(yōu)化決策，持續(xù)地研究和開(kāi)發(fā)，按需引導(dǎo)，必將獲得發(fā)展與成功。

1 信息物理系統(tǒng)(CPS).http://book.51cto.com/art/201105/260231.htm

2 CPS計(jì)劃:物聯(lián)網(wǎng)的他山之石.http://www.ciw.com.cn/newsdemo/ciwnews/201004/20100406110255-71689.shtml

3 CPS簡(jiǎn)介.http://wenku.baidu.com/view/70697f28915f804d2b16 c1a9.html

4 何積豐.Cyber physical systems.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊,2010(5):25～29

5 譚朋柳,舒堅(jiān),吳振華.一種信息—物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010(5):312～316

6 劉祥志,劉曉建,王知學(xué)等.信息物理融合系統(tǒng).山東科學(xué),2010,47(z2):56～61

7 信息物理融合系統(tǒng)(CPS)中的數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù).http://www.efst.sh.cn/showKnowledge.do?id=576

8 信息物理融合系統(tǒng)(CPS)的概念、特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和研究進(jìn)展.http://wenku.baidu.com/view/4e94cebec77da26925c5b050.html

9 物聯(lián)網(wǎng)綜述.http://wenku.baidu.com/view/73625a35f111f18583 d05ad8.html