赛博物理系统的定义及其作用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：各国科研学者从CPS的理论方法、相关组件、运行环境、系统设计与实现等不同层面对CPS进入了深入研究，但是由于CPS结构复杂，融合了其他学科的多种技术，至今学术界仍没有一个完全统一的定义。控制中心的计算单元与物理实体在网络环境下进行通信，组件自我控制等，所以，CPS是一个多维混杂异构系统。图2-17CPS抽象结构图

赛博物理系统是将虚拟世界与物理资源紧密结合与协调的产物。它强调物理世界与感知世界的交互，能自主感知物理世界状态、自主连接信息与物理世界对象、形成控制策略，实现虚拟信息世界和实际物理世界的互联、互感及高度协同。

CPS是融合了计算（Computation）、通信（Communication）与控制（Control）技术（又叫作3C技术）的智能化系统，它从实体空间的对象、环境、活动中进行大数据的采集、存储、建模、分析、挖掘、评估、预测、优化、协同，并与对象的设计、测试和运行性能表征深度有机融合，是实时交互、相互耦合、相互更新的网络空间（包括机理空间、环境空间及群体空间），进而通过自感知、自记忆、自认知、白决策、自重构和智能支持，促进工业资产的全面智能化。

具体而言，CPS是在环境感知的基础上，通过计算、通信与物理系统的一体化设计，形成可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，通过计算进程与物理设备相互影响的反馈循环来实现深度融合与实时交互，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。

各国科研学者从CPS的理论方法、相关组件、运行环境、系统设计与实现等不同层面对CPS进入了深入研究，但是由于CPS结构复杂，融合了其他学科的多种技术，至今学术界仍没有一个完全统一的定义。加州大学伯克利分校著名学者Edward A.Lee认为CPS集成了计算过程与物理过程，由嵌入式计算机与网络控制器控制物理过程，而物理过程在运行的过程中不断反馈信息给控制器，由此形成了一个闭环控制系统。Baheti等认为CPS是一种具有高可靠度的复杂系统，在运行的过程中，系统的组件及物理实体在未知的环境中相互协调、通信。Sastry则基于计算机信息处理理论提出，CPS具有通信，存储和计算的能力，能实时监控物理世界中的个体，保证系统稳定、安全、高效的运行。Branicky和Krogh等基于嵌入式系统设计理论，认为CPS能感知物理过程中实体的生物特性并按需求进行计算，因此，本质上它是一个机器人系统。国内研究学者何积丰院士和马文方指出CPS具有感知环境能力，结合计算过程、网络过程及控制过程，可以实现系统自身的可感、可控及可扩展。

下面是从不同角度对CPS的阐述：

（1）在本质上，CPS是以人、机、物的融合为目标的计算技术，从而实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，因此，人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统。

（2）在微观上，CPS通过在物理系统中嵌入计算与通信内核，实现计算进程（Computation Processes）与物理进程（Physical Processes）的一体化。计算进程与物理进程通过反馈循环（Feedback Loops）方式相互影响，实现嵌入式计算机与网络对物理进程可靠、实时和高效的监测、协调与控制。

（3）在宏观上，CPS是由运行在不同时间和空间范围的、分布式的、异构的系统组成的动态混合系统，包括感知、决策和控制等各种不同类型的资源和可编程组件。各个子系统之间通过有线或无线通信技术，依托网络基础设施相互协调工作，实现对物理与工程系统的实时感知、远程协调、精确与动态控制和信息服务。

综合以上分析，可以认为CPS是一种基于嵌入式技术与人工智能技术的智能化信息处理系统。它应主要由控制中心、网络及物理实体组成，其抽象结构图如图2-17所示。控制中心的计算单元与物理实体在网络环境下进行通信，组件自我控制等，所以，CPS是一个多维混杂异构系统。功能方面，CPS主要集中于性能优化，其中涉及海量异构数据融合，基于不可靠信息的可靠通信，资源合理地动态分配，各组件有机协调实现系统自寻优等。因此，CPS是一个自感知、自决策、自治的人工智能系统，能沟通基于计算的虚拟离散世界与基于时间的物理世界。

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图2-17　CPS抽象结构图

赛博物理系统的定义及其作用

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