赛博物理系统面临的挑战及应对策略

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在CPS的研究上面临着巨大的挑战，具体可总结为以下几个方面。例如，计算单元与物理对象的交互可能暴露通信的信息，从而使通过物理对象对CPS的通信网络进行攻击成为可能。CPS设计开发工具的研发面临许多挑战。

CPS涉及计算机科学、通信科学和控制科学等多个学科知识，其研究开发的成功需要计算机科学、通信科学和控制科学等多学科间的相互协作。CPS的设计必须在统一的设计框架下考虑测量噪声、执行精度、环境扰动、计算过程中的错误和通信过程中存在的延时和丢包等多方面的因素。然而，目前还没有一个能够处理计算机系统，通信网络系统和物理动态系统的统一理论框架。简单来讲，计算机工程师和科学家们并不知道如何将稳定性等物理系统指标，转化为计算机设计中的功耗等指标。控制理论和信号处理理论将计算机抽象为不会出错的计算设备，这种简单的抽象忽略了计算的许多重要的方面：由于缓冲和能量管理而导致的大时变，由于计算的复杂性导致更高的软件错误率等。控制理论和信号处理理论对通信的抽象也过于简单，控制理论假定信息在不同环节中的传递是零丢失、零时延的，这在无线、低功耗网络中无法实现。虽然最近数据丢包、时滞系统等系统的控制问题到了控制界的重视并且得到了诸多结果，但是这些研究结果是从控制模型的角度分析得到，其能否与计算机和通信有效集成，进而设计有效的CPS系统还没有得到肯定。

发展CPS的首要壁垒是指导理论的缺乏，建立CPS理论已经成了相关学科领域的重要而急切的研究课题。另外CPS的设计方法和设计工具的开发等问题也需要努力解决。在CPS的研究上面临着巨大的挑战，具体可总结为以下几个方面。

1.系统合成

计算机系统、网络系统和物理系统本质上是不同的，CPS的开发需要重新考虑异质子系统的合成问题，需要考虑CPS中物理和计算的特性对系统设计的影响。对异质系统采用新的视角进行研究和分析才能够允许创造大规模网络化集成系统。对此种异质系统合成存在许多理论上需要研究的问题，首要问题是研究过程中的模型提取。计算模型提取需要包含物理概念，如时间和能量。而对物理动态的模型提取需要包含实现平台的不确定性，诸如网络延时、有限字节长度、舍入误差等。这些提取的改变可以使得拥有物理特性的计算与能够处理实现不确定性的物理的综合不再是一个难题；其次，需要为描述物理过程和计算逻辑的异质模型及模型语言的合成发展新的设计方法。需要发展新的数学框架，以使得方法论不仅仅在数学上是精确地可描述的，并且对于系统开发者和相应设计工具的开发者来说是清楚的，易理解的和实用的；需要开发新的CPS开放架构，这些架构允许建立国家级或者全球级的CPS能力，这些架构应该是动态的，以便更好地适应操作条件的改变；需要依据不可靠的子系统建立可靠的CPS的理论和方法。

2.分布式传感、计算和控制

对于传统的控制系统而言，传感、计算、控制决策的制定及执行都是即时完成的，但在网络化的CPS中，反应时间却可能对系统的控制性能产生影响，比如控制决策的执行延时太长，将可能使系统产生严重的问题。并且CPS本质上具有分布式特征，不能依赖于以往的单闭环反馈控制理论来解决此系统的分布式控制、传感、计算等问题。如何从一个分布式的环境中收集到充足的信息？如何对分布式控制对象施加有效的控制？如何合理利用分布式计算单元，合理地给这些分布式计算单元分配任务？分布式传感，分布式计算和控制的过程中，信息的传递通过网络通信来实现，为了更好地利用这些网络资源，如何采取必要的通信控制算法以便能够使得通信的效率最高？这些都是需要解决的关键问题。例如，为了完成某个控制任务，什么信息需要采集？什么时候需要采集信息？何处计算单元应该负责计算的任务？信息传递的路径选择？何处执行器完成执行功能？在一个分布式环境中，还要考虑系统的健壮性、自适应性和自组织性等重要特性。例如，某个传感器单元、某个计算单元、某个通信线路的故障会不会对系统的性能产生严重的影响。在一个分布式环境中，局部的系统演化要能够在最小程度上影响全局系统的演化，确保局部对全部的资源需求，及局部系统对整个系统运行性能的影响达到最小。

3.网络通信可预测性、可靠性及安全性

通信网络拥有有限的通信带宽，存在传输过程中的数据包丢失及时变时延，这些缺点使得传统控制策略难以应用于CPS。为了有效地对CPS施加控制以期望得到最优的系统性能，需要对系统控制策略和无线网络设计进行联合研究，在设计无线通信网络时需要考虑到其满足分布式传感、计算和控制对信息的要求。为了支持实时、闭环传感和控制，CPS中的通信网络设计将明显不同于传统无线传感器网路（其一般采用开环传感），确保信息通信质量的可控及可预测是极其重要的。为了达到该目的，存在许多有待解决的问题，如无线通信网络需要支持CPS控制策略的设计；动态、不可预测的控制决策会实时改变对信息通信需求，因而需要信息通信结构和信息调度的实时调整；不同的控制策略要求不同的信息通信质量；CPS的不确定环境特征对可预测信息通信网络服务质量（QoS）设计也是一个很大的挑战。CPS中的许多异质单元的存在也给网络通信中的信息安全设计和控制带来了更多的困难。例如，计算单元与物理对象的交互可能暴露通信的信息，从而使通过物理对象对CPS的通信网络进行攻击成为可能。

4.设计开发工具

当新的CPS应用领域出现时，必须能够快速利用已经存在的工具基础去帮助设计那些系统。然而，原有的计算机辅助设计工具并不适合采用CPS技术构建大规模异质系统，因此必须研究CPS的设计开发工具。CPS设计开发工具的研发面临许多挑战。CPS是异质集成系统，由多个不同属性的物理子系统、计算子系统和通信网络子系统组成。这种异质性导致设计的复杂性增加，给自动化设计工具的开发带来了困难。CPS中存在诸多异质性的子系统，设计工具需要兼顾这些系统的各自的特性，因此会导致设计工具的专业化程度会降低，降低设计工具的效率，增加设计的成本，也给设计工具的市场化开发带来了困难。

CPS的研究将给21世纪的工业带来革命性的发展，但是也可以看到，由于计算机学科、控制学科和通信学科研究理论和方法上的异质性而导致了CPS各个组成部分之间的无缝集成成为需要解决的难题，带来了挑战。另一方面，CPS广阔的应用前景及能够给生活和工业带来的诸多好处使得许多国家、企业、科研单位纷纷加入CPS研究的队伍中来。社会经济发展的需要，国家之间对科技的竞争都将使得CPS成为当前及未来数年的研究热点。

赛博物理系统面临的挑战及应对策略

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