CPS-网络化控制-研究与思考

信息物理融合系统的网络化

控制研究与思考南京财经大学经济学硕士南京昂氏原点企业管理咨询研究部总监——梁瑞兵T目录页信息物理融合系统的开展与应用什么是信息物理融合系统提纲过渡页什么是信息物理融合系统--CPS的概念--CPS的特点什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用1、CPS的概念CPS即信息物理融合系统，英文为CyberPhysicalSystemCPS中，计算和通信嵌入物理进程中，并与之深度交互，使得物理系统具有新的性能

信息物理融合系统(CyberPhysicalSystem，CPS)是物理进程与计算进程的融合，是计算、通信和控制的深度融合Cyber——计算，通信和控制，离散的，逻辑型的，切换的Physical——自然的或者人工的系统，按连续时间进行操控

1ComputingFoundationsandPracticeforCyber-PhysicalSystems:APreliminaryReportTechnicalReportNo.UCB/EECS-2007-72,May21,2007EdwardLee,UniversityofCaliforniaatBerkeley1可靠，平安，高效，实时什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用1、CPS的概念控制通过对信息的处理、管理，使信息系统和物理对象按期望的模式运行，提高信息效劳的可靠性。计算物理组件上嵌入式系统的计算能力，能够将“被动的”物理数据转换为“主动的”信息。通信将一系列计算系统连接起来，并将物理过程相连，可以增强可靠性和功能。计算通信控制计算-Calculate物理组件上嵌入式系统的计算能力，能够将“被动的”物理数据转换为“主动的”信息。通信-communication将一系列计算系统连接起来，并将物理过程相连，可以增强可靠性和功能。CPS计算、通信、控制控制-Control通过对信息的处理、管理，使信息系统和物理对象按期望的模式运行，提高信息服务的可靠性。3C融合是CPS的本质特性信息物理融合既是一种理念、思想，也是一项技术和方法，更是我们的实现目标。物理系统与信息系统的深度融合什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点CPS中，离散的计算/信息处理与连续的物理过程紧密交互为一体,其功能与特点通过计算对象与物理过程互动所表达；无法判定CPS的行为属性为哪一个或两个共同作用所产生的结果。CPS不是简单地在传统产品中植入计算与通信设备,而是将计算和网络通信融入物理系统中,以产生新功能并提升系统质量什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点全面的互联互通CPS是一个典型的“系统的系统”(Systemofsystems)各个子系统〔如嵌入式控制单元〕通过各种类型的通信网络进行信息传输，一个子系统可能由多个规模较小的子系统互联组成。子系统内部的物理设备同样需要由某种〔或者多种异构的〕网络进行互联。CPS中，通信网络将在不同层次、不同规模、不同环境下被广泛采用，从而在各个物理实体之间实现泛在的互联互通。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点分布式的传感、计算和控制物理部件都嵌入一定的信息处理功能，同时系统中各物理设备〔感知、驱动、对象等〕往往被安置在不同的地理位置，它们之间具有强耦合性CPS中的许多感知、计算和控制任务均是由地理上分散的多个单元协同完成的，具有较严格的时间〔即实时性〕和空间约束。CPS本质上是分布式的什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点数据多源混杂CPS中蕴藏着大量由各种传感器生成的用于表征物理世界不同状态的数据。这些感知数据是监测、观察和认知物理世界的关键依据。同时，分布式的计算单元〔如控制器〕将利用感知数据生成各种用于驱动〔执行器〕物理动作或协调节点间任务执行、调度与通信的大量控制信息。在许多应用场合，由于系统节点数目大、种类繁多，CPS中对海量数据的处理是不可防止的。而且，系统目标任务、被控对象、感知方式的多样性和复杂性，也使得CPS中的数据呈现出混杂特性。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点单元不确定、不可靠CPS由各种异构异质的计算、通信和物理单元组成。由于系统复杂性、开放性等原因，许多单元表达出严重的不确定性和不可靠性。比方，与传统控制系统不同，CPS中计算单元的负载往往具有时变性，计算设备本身可能是商用产品〔而不是专用的工控产品〕，从而具有性能不确定性、非实时性，且可靠性较低，容易出现硬件或软件故障。由于节点间通信可能处于开放环境中〔如无线通信〕，通信链路可能会由于环境噪声的影响而表达出不稳定性，节点甚至可能会因为受到恶意攻击而失效。单元的不确定性和不可靠性在很大程度上会对CPS的系统性能产生严重的影响。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、CPS的特点与传统系统相比，CPS在系统规模、信息交互内容与环境以及控制的目标与复杂性等方面有很大的不同，是一类全新的复杂系统对象。计算、通信与控制的3C融合是CPS的本质特性，其中计算系统与通信网络是实现CPS大规模控制任务的根底，而实现系统的有效控制那么是CPS的最终目标。由此可见过渡页信息物理融合系统的开展与应用--开展机遇--开展现状--CPS应用举例什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用1、开展机遇科技和经济的驱动计算、网络和感知本钱降低.构成经济推动力；无所不在的计算和通信促成国家或全球范围的CPS(如：国家级电网、交通网络等)；社会、经济的压力需要更高效的使用国家根底设施；环境压力催生新技术，以改善能源效率，减少污染。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用1、开展机遇通过计算、通信与物理进程的融合，CPS带来很多益处系统更平安、更有效

降低系统构建、操作本钱

使构建具备新功能的复杂系统成为可能什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用1、开展机遇Cyber-PhysicalSystemsExecutiveSummary,CPSSteeringGroup,March6,2008(availableat://varma.ece/summit/)交通更快、更高效、节能的飞机空中交通控制系统使得更好的利用领空汽车高智能、更廉价、低能耗能源和工业自动化新的可再生能源，分布式能源家庭和办公室更节能，操作更廉价医疗保健和生物医学家庭医疗护理的持续增加更强大的医疗装置进行医疗检测网络化、自动化的生物医学系统关键基础设施电网更可靠、更高效高速公路车行更加密集，但运行更平安性1美国——国家研究重点什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、开展现状八大研究重点支持领域CPS位列首位NSF大量资金资助CPS相关研究课题2欧盟方案从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术〔ARTMEIS〕上投入54亿欧元，以期在2016年成为CPS的世界领袖。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、开展现状什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用2、开展现状3中国国家自然科学基金〔NSFC〕、“973方案”和“863方案”都将其列入重点资助领域从2009年开始，国家自然科学基金委员会资助了多项明确以CPS为主题的基金工程什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用3、CPS应用举例1智能交通CPS2智能电网CPS1智能交通CPS什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用3、CPS应用举例车载网络系统车辆间互联通信路况报告汽车收集路况和传感器信息汽车用手机或WiFi网络向服务器传递信息用户登录服务器可浏览实时路况、个人驾驶习惯。CPS如何改善这种情况背景根底设施城际交通每年发生大量交通事故原因：长途交通高速运行路压力传感器无线通信基站(wifi802.11abg,WIIMAX)用于计算的后端效劳器车无线通信设备显示和视频设备司机用于接收SMS的1智能交通CPS什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用3、CPS应用举例1.车辆进入高速公路的入口，并参加网络2嵌入式传感器检测到的交通信号〔速度，状态〕3.数据库连接和操作4.为车辆准备有用信息5.消息将发送到网络中的每个节点：无线电台，6.参加该网络的车辆，将定期收到通知，并显示在输出设备7.接收效劳器传输的蜂窝设备的短信什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用3、CPS应用举例2智能电网CPS电网发展面临的问题长期以来，传统的电力行业中存在地区性自治管理的现象，而我国电网规模庞大、系统复杂，保障电网整体的安全性、稳定性、可靠性都需要进行整体协调。随着生活水平的提高，人们对于电力行业的服务要求越来越高，对新业务的需求也越来越人性化，现有的系统不能完全满足新的需求。城市化发展对能源供应的需求与日俱增，从而促使电网负荷越来越高。新能源技术的革命对电网系统提出了新的要求。目前电网开展趋势分布式：不仅有主干网支撑，而且存在许多发电功率在几千瓦至数百兆瓦〔也有限制在30～50兆瓦以下〕的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元，DG(DistributedGeneration)——交互力：强调网络中的用户交互CI(ConsumerInteractive)能力。即存在C2C,B2C,以及BC2BC的模式。多样性：能源多样，发电方式也多样的。混杂性：系统混杂，包括液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电〔光伏电池、光热发电〕、风力发电、生物质能发电等。什么是信息物理融合系统信息物理融合系统的开展与应用