赛博物理系统研究的最新进展

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：计算机的出现促使人们开始了将计算机集成到物理系统中的研究历程。因此，21世纪以来网络控制系统的研究风生水起。2006年，美国国家自然科学基金会主持召开了第一届赛博物理系统研讨会，指出CPS研究的目的是为出现的计算机，通信网络和物理单元高度集成的系统的开发寻找新的理论基础和实现技术，使得信息、计算、通信和控制融于一体的新一代集成系统能够高可靠、高效率地工作，具有高性能。

计算机的出现促使人们开始了将计算机集成到物理系统中的研究历程。最初的研究是将计算机作为控制器，提高物理对象控制的灵活性，改善物理对象的性能。其中控制学科领域集中研究计算机控制系统，而计算机学科则致力于开发计算速度更快、存储容量更大的计算设备。不管是计算机科学研究计算设备的设计和开发，还是控制科学研究各种物理动态系统的计算机控制，其前提是将系统抽象为某个模型，然后进行分析。由于这两个学科的研究对象和研究方法不一致，导致研究结果不兼容。比如，计算机学科研究计算的时候往往忽略时间这个因素，这样导致计算单元在与物理系统集成的过程中由于实时性的缺乏而产生许多难以解决的问题。这种困难促使了计算机学科对嵌入式系统研究的重视，研究计算单元如何满足物理系统的实时性要求。另一方面，网络应用的普及，控制科学也日益意识到通过网络传输的数据信息存在各种各样的通信特征，如存在信息包丢失，不确定网路延时等，如果希望一个复杂的物理系统能满足控制性能要求，这些对控制系统性能的影响因素则无法置之不管。因此，21世纪以来网络控制系统的研究风生水起。

上述研究对计算机科学、控制科学和通信科学之间的融合做出了一定的贡献，然而，随着各种计算设备及网络的进一步发展，许多系统具有计算单元和物理对象分布式布置，网络进行通信和控制等CPS特征。采用上述研究成果对这类系统进行分析和设计时存在不可逾越的困难。通信网络的带宽、延时、丢包率的大小、计算单元的能力、计算单元的调度方式、物理系统的架构及动态特性等各种因素都可能影响系统的动态性能，并且这些因素对系统性能的影响是相互联系的。CPS的研究已经引起了许多国家的重视，并得到这些国家政府的大力支持和资助。

（1）美国。

美国国家自然科学基金会在CPS的研究中充当了世界领导者的角色。早在2005年，美国国家自然科学基金会就资助了当年高可信医疗设备软件与系统（High Confidence Medical Device Software and Systems，HCMDSS）研讨会，会上提到高可信的医疗设备具有CPS的典型特征。2006年，美国国家自然科学基金会主持召开了第一届赛博物理系统研讨会（NSF workshop on Cyber-Physical Systems），指出CPS研究的目的是为出现的计算机，通信网络和物理单元高度集成的系统的开发寻找新的理论基础和实现技术，使得信息、计算、通信和控制融于一体的新一代集成系统能够高可靠、高效率地工作，具有高性能。与此同时，召开了其他一些有关CPS的研讨会。CPS的研究开始受到美国政府的重视。2007年8月，美国总统直属科技顾问委员会PCAST在关于网络信息技术的报告中提出，需要重新重视网络信息技术的研究和发展，并且第一次官方地提出研究CPS理论、开发CPS设计技术是保持美国信息技术（IT）行业世界领先地位的重要措施，官方的支持很大程度上刺激了对CPS的进一步研究工作。在此之后，CPS指导小组组织专家总结了CPS的当前研究情况及给出了研究的指导方向。2008年，美国国家自然科学基金会召开了CPS峰会，并且为CPS的研究提供研究资金进行重点资助（NSF program solicitation on Cyber-Physical Systems），鼓励相关领域研究者为CPS理论研究和技术开发做出贡献。

（2）欧洲。

在欧洲，启动了嵌入式智能与系统先进研究与技术（Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems，ARTEMIS）项目，该项目预计在2007—2013年期间投入70亿欧元展开智能电子系统方面的研究工作，该项目期望到2016年欧盟在智能电子系统研究和技术开发方面能够成为世界的领导者。CPS作为智能电子系统的一个重要发展方向，自然受到了ARTEMIS项目的支持和重视。另外，欧盟还成立了欧洲智能系统集成技术平台（the European Technology Platform on Smart Systems Integration，EPOSS）。目的在于增进科技研发和促进经济发展，使欧洲产业在全球市场上取得优势。欧洲智能系统集成平台每年举行的年会为学术界和工业界对智能系统集成的发展提供了交流平台。2010年的年会（European conference&exhibition on integration issues of miniaturized systems-MEMS，MOEMS，ICs and electronic components）于当年3月在意大利举行，并且明确提出：智能系统集成是一个多元件集成而得到的系统，系统可以从外界物理对象中得到信息，电子地操控该物理对象，跟物理对象进行通信从而得到信息和数据，然后对物理对象施加反馈信息，可以发现此类系统明显具有CPS特征。

（3）此外，诸如日本、韩国和中国等国家也展开了CPS的相关研究工作。在韩国，韩国软件振兴院（korea IT industry promotion agency）为韩国情报通信部下属的非营利事业单位，其宗旨为促进韩国IT产业的发展。它一直以来密切关注新一代嵌入式系统的发展，资助了2008年在大邱举行的大邱国际嵌入式系统会议（Daegu International Embedded Conference），该会议的目的是研讨下一代具有网络化特性的嵌入式系统，提出了需要开展CPS的研究。韩国科学技术院（Korea Advanced Institute Of Science and Technology，KAIST）已经于2008年在大学里尝试开展CPS的课程教学工作。

在日本，虽然还没有官方正式地推动CPS项目，但是其每年举行的嵌入式技术会议（embedded technology）均密切关注CPS的发展，并且该年会还受到了日本全国广泛的关注。其中2008年的年会有26 646个注册者，最终有10 000人参加了该会议。2009年的会议在日本横滨举行，继续关注计算设备，通信网络方面的新进展及这些新技术与物理对象集成的研究工作。

我国也较早关注了CPS的研究工作，在2007年发布的控制科学与工程学科发展研究报告中提到，系统运作的网络化、功能的多样化、系统的复杂化是国内外自动化研究和发展的主要趋势，特别指出CPS的控制越来越引起控制界的关注。2008年7月在北京举办了首届国际CPS研讨会（the first international workshop on Cyber-Physical Systems），与此同时联合召开的国际分布式计算系统会议（28th IEEE international conference on distributed computing systems，ICDCS2008）也非常关注CPS的研究进展。2009年，网络化集成控制技术论坛专题讨论了网络化集成控制技术的研究进展及其工业应用。

作为21世纪工业的技术基础，CPS的研究和开发得到了工业界的充分关注。诸如美国国家仪器、微软、日本电气、霍尼韦尔等大型国际IT公司正积极参与CPS的研究和开发工作，希望在新一代的工业化技术革新的浪潮中能够保持其技术的先进性，以期望未来仍然可以维持其市场领先者的角色。例如，美国国家仪器、微软、日本电气、霍尼韦尔等公司参与了美国国家自然科学基金会主持的CPS峰会，欧姆龙、西门子、HMS等公司参加了2009年网络化集成控制技术论坛并展示了最新开发的相关工业技术。

赛博物理系统研究的最新进展

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