信息物理融合系統體系結構研究

羅韶杰 張立臣

(廣東工業大學計算機學院 廣東 廣州 510006)

0 引 言

信息物理融合系統CPS的概念由美國國家自然科學基金會的Helen Gill于2005年末、2006年初提出。CPS在軟硬件混成系統、嵌入式系統、傳感器網等領域的基礎之上發展而來。CPS是集計算、通信、控制于一體的系統[1]；CPS由傳感器感知環境，通過網絡與計算設備通信，由計算設備實時綜合處理數據、做出決策，再通過網絡向執行器下達指令進行控制，其通過上述實時反饋環[2]將信息世界與物理世界深度融合，具有實時性、可靠性、安全性、多樣性和自治性等性質[3]。CPS的應用范圍十分廣泛，涉及諸如航空航天、公路與軌道交通、電網、水資源調度、工業先進制造及自動化，以及近年來新出現的智能家居、智能農業等非常多的領域[4-5]。

CPS這一新興概念一經提出，便在國際間引起了廣泛的重視：無論是美國“先進制造業”戰略、德國“工業4.0”戰略等國外的發展戰略，還是我國的“中國制造2025”戰略，都把CPS視為重要領域、核心技術，“中國制造2025”提出：“基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革”[6-7]。

雖然CPS是國內外戰略中的重要領域和主攻方向，甚至已有相關的項目啟動了，但是目前CPS體系結構方面的研究相比CPS其他方面的研究及其應用來說，還顯得比較少。本文對CPS的體系結構展開了較為深入的研究。首先，歸納和介紹了幾類比較主流的CPS體系結構；然后，對CPS的體系結構的層次劃分、層級結構以及共性進行了總結和研究，總結出典型CPS體系結構以及典型CPS層級體系結構；最后，結合近年來新出現的熱點概念及技術討論了這些新興或熱點的概念及技術對CPS體系結構起到了怎樣的影響，并討論了CPS體系結構未來的發展。

1 CPS的基本概念與定義

Radhakisan Baheti與CPS概念的提出者Helen Gill認為CPS是涉及到計算科學、網絡通信以及通信理論等跨學科的，各計算元素與物理元素緊密結合的，具有高可靠性，能相互協調處理不確定動態事件的一種系統[8]。

Edward A.Lee教授是國外最早對CPS展開研究的學者之一，其認為CPS是一類由嵌入式計算機以及其他計算核心通過網絡監測與控制物理實體，而物理實體也通過網絡和計算組件實現反饋的反饋閉環的計算進程與物理過程的集成系統[2]。

何積豐院士是國內最早對CPS展開研究的學者之一，他認為CPS是這樣的一類系統：CPS在環境感知的基礎之上，深度且緊密地融合計算、通信與控制能力，具有可控、可信以及可擴展的能力，是藉由計算進程與物理過程間相互影響的反饋循環來實現深度融合與實時交互以增加或拓展新功能的、以安全、可靠、高效、實時的方式監控物理實體的網絡化的物理設備系統[9]。

2 CPS的體系結構

為了從整體上把握CPS體系結構相關研究，查閱了國內外許多關于CPS體系結構的文獻資料，經過遴選、分析、分類歸納和整合相似研究之后，得出現有主流的CPS體系結構。

2.1 控制循環與CPS原型體系結構

上文已經介紹了Edward A. Lee教授提出的CPS中的計算組件與物理實體之間的反饋環理論。文獻[10]對反饋環進行了分析，指出現有的將計算與物理世界的交互集成于一起的科學技術起源于嵌入式系統與實時系統，這種反饋環的實現可以從已有的嵌入式系統的研究入手。然后將反饋環參照嵌入式系統及根據實際情況演變轉化成了控制循環，如圖1所示。該控制循環分為信息系統、物理系統以及現實物理世界三個域，其中，信息系統又包含傳感單元及高層控制單元。在該控制循環中感知和執行單元與高層控制單元緊密耦合，信息系統中，通過傳感單元對物理世界中的信息進行采樣，傳送到高層控制單元進行分析處理，決定產生何種決策，再將決策命令下達給物理系統中的執行單元，執行單元執行決策，作用于并改變現實物理世界，而現實物理世界又將會被采樣至信息系統，如此循環往復就構成了控制循環。

圖1 控制循環體系結構

控制循環體系結構是基于嵌入式系統思想設計的，當系統的復雜性增加時，這種集中控制與緊密耦合的體系結構將會面臨挑戰：由于緊密耦合，系統復雜性增加時數據量將會加大，對通信帶寬帶來沖擊，數據傳輸的可靠性、時效性將無法得到保障，數據的組織、傳輸和處理也將會變得繁瑣，導致整個系統的可靠性、有效性、時效性降低；但文獻[10]也發現，人類社會提供了一個很成功的跨越這個挑戰的范例，人類社會在與物理世界交互、相互影響的同時，也與信息世界交互得很好。于是文獻[10]基于控制循環并根據對人類社會與物理世界、信息世界的交互方式的觀察與研究，吸收了包括全球參照時間、信息驅動屬性等的因素，擴展并建立了一種CPS的原型體系結構(Prototype Architecture of CPSs)，如圖2所示。

圖2 CPS原型體系結構

文獻[11]中譚朋柳等在分析了文獻[9]中的CPS原型體系結構后認為該原型體系結構雖然是以下一代網絡連接松散耦合的信息系統與物理系統，且物理系統是由用戶定義的語義及規則進行監控，但都忽略了CPS的實時性特征，沒有解決CPS的實時性問題，于是在分析和吸收了上述CPS原型結構并經過改進及簡化后提出了新的CPS體系結構，如圖3所示。

譚朋柳等提出的CPS體系結構中采用CPS實時網絡(CPS Real-Time net，CPSRTnet)替代了文獻[10]的CPS原型體系結構中網絡，用于聯接系統其余各部分，保證系統中網絡包的實時傳輸，為整個系統提供實時的網絡服務，其本質上也屬于CPS原型體系結構。

圖3 譚朋柳等人提出的CPS體系結構

2.2 基于事件驅動的CPS層級模型

CPS需要信息世界和物理世界在時空上緊密地相互作用。這些交互通常由事件控制，這些事件發生在物理世界中，并且應該自主地反映在信息世界中，由CPS依靠其事件檢測和決策機制而采取某些行動。在文獻[12]中，CPS被設想為由計算設備和包括分布式傳感器和執行器的嵌入式系統組成的異構系統。這些組件在大的規模上相互連接，并執行自主任務，以連接網絡世界和物理世界。一般來說，這些任務涉及兩個世界之間的密切的相互作用，一個世界的某種變化應該以時間敏感和/或空間敏感的方式反映在另一個世界中。另一方面，CPS應用程序和用戶可能不會對物理世界的每個變化感興趣，或許某些特定的條件才是令人感興趣的，根據這些條件，CPS執行某些預定義的操作。在其框架中，將感興趣的條件稱為“事件”，并將檢測到事件之后期望執行的一系列預先定義好的操作稱為“動作”。因此，任何CPS任務都可以表示為“事件-動作”關系。文獻[12]根據上述的設想提出了一種事件驅動的CPS層級模型，如圖4所示。

圖4 CPS事件層級模型

文獻[13]也從層級事件驅動的角度入手，綜合分析了CPS的事件驅動流程，并著重于從實體角度繪制了CPS的各層級結構示意圖、層級中的事件驅動示意圖、層級模型圖等CPS事件層級模型圖，并將CPS事件層級模型應用于智能家居中。

文獻[14]討論了CPS的事件驅動特性，進一步探索了關鍵機制，指出之前的CPS時間層級模型沒有充分地考慮到事件生命周期與事件融合的缺陷，提出了一種事件的多元組的表示方法來改進CPS時間層級模型。將改進后的基于事件驅動的CPS層級模型應用無人機編隊仿真來驗證了相關定義和方法的有效性。

文獻[15]分析了CPS中離散信息系統和連續物理系統交互融合的混成特性，以混成自動機理論為基礎，以時空事件驅動為方法，提出一種CPS體系架構并定義了基于時空事件的CPS事件，運用不同功能及定義的CPS端和CPS事件驅動的機制剖析并描繪了CPS體系結構的內部信息物理交互反饋的過程。將提出的CPS體系結構應用于協同駕駛過程中的單一車輛內部速度調控系統作為實例，對其進行了形式化描述，實例的形式化過程證明了該體系架構的有效性。

2.3 “發布-訂閱”式CPS體系結構

CPS體系結構的發展本就不是單向獨立進行的，不同的CPS體系結構間并不存在也不應該設置隔閡和鴻溝，有時候不同的CPS體系結構間的結合可以促使其取長補短，優勢互補。

文獻[16]將前面兩節中的CPS原型體系結構與“事件驅動”的概念結合了起來，經過對兩者的整合以及一些調整，設計了一套“發布-訂閱”式的CPS體系結構，如圖5所示。

圖5 “發布-訂閱”式CPS體系結構

在此體系結構中，以CPS原題體系結構作為基礎，不同組件間的信息傳遞都以事件發布-事件訂閱的形式，這種機制可以讓各組件有效屏蔽不感興趣的信息，從而專注于訂閱的事件，提高信息傳輸及處理的效率。

2.4 面向服務的CPS體系結構

面向服務的體系結構(Service Oriented Architecture，SOA)是一種模仿人類社會的分布式的計算模式，在如今的人類社會中，每個人都享受著別人提供的服務，同時也為別人提供服務。SOA的核心思想是將系統中的各資源都封裝成為服務，從而實現異構的平臺間的重用與互操作。文獻[17]對面向服務的CPS體系結構進行了研究和分析，結合了SOA的思想與CPS的3C(Computation，Communication，Control)結構提出了面向服務的CPS概念圖，如圖6所示。

圖6 面向服務的CPS概念圖

文獻[18]基于上述的思想，提出了一種面向服務的CPS體系結構，如圖7所示，將CPS劃分為節點層、網絡層、資源層和服務層。該架構將CPS中的計算設備、存儲設備和控制設備等資源封裝成為服務，給完成具體的任務提供支持，充分體現了CPS的結構特性和“以服務為資源存在方式”的核心思想。文獻[19]利用時間自動機理論以及模型檢測工具Uppaal，通過以智能家居系統作為CPS 案例系統的案例設計分別對系統的安全性、可達性、活性及時間約束四種類型的性質進行了相關驗證。實驗結果是系統通過了這些性質的驗證，從而證明了面向服務的CPS 建模方法的正確性。

圖7 面向服務的CPS體系結構

文獻[20]在分析了面向服務的CPS的體系結構之后，提出在物理層與資源服務層之間設置一個代理，對需求進行分析和預處理并將需求匹配并傳遞到合適的服務去。

2.5 基于云的CPS體系結構

在CPS發展的進程中，其他領域也同時在發展，盡管CPS結合了分布式系統和嵌入式實時系統的優點，但是在應對大數據并行處理且實時性要求較高的場景時總顯得不足。CPS是依賴計算的，幾乎與CPS同年提出的新興且高速發展的、改變了傳統計算模式的云計算技術，無疑會沖擊CPS的傳統計算模式、給CPS帶來其計算模式的變革，基于云的CPS應運而生。

文獻[21]研究和分析了云計算構建在分布式計算、存儲結構的特點，結合CPS發展所需要的技術需求，指出了CPS結合云有明顯的成本方面的優勢，故提出了云計算與CPS的結合，并將加入云計算后的CPS分為三個層次：感知層、傳輸層以及應用層。感知層主要包括CPS用于在信息虛擬世界與物理世界之間交互的物理設備如各類傳感器和音視頻采集設備；傳輸層負責將感知層收集到的數據信息通過各種網絡如有線網和無線網傳輸到應用層中去；應用層由云提供計算服務，對傳輸而來的數據進行解析、進一步加工處理。

文獻[22]設計了一種基于云的用于智能監控機械進程的CPS體系結構，如圖8所示。這種體系結構分為三層：物理資源層、本地服務器層和云層。物理資源層包括物理設備、CNC控制器、本地終端。物理設備主要有CNC機床、傳感器等，CNC控制器負責CNC機床的監視及控制，本地終端負責接收傳感器的信息、提供對傳感器數據及機械運行狀態的監控。本地服務器層包括數據庫服務器和本地服務器。數據庫服務器負責保存各類數據，本地服務器負責對來自物理資源層的信息(數據、信號等)進行預處理后傳送至云層進行處理，也負責接收云層的決策、下達并協調CNC控制器執行決策。云層則提供先進的信號處理及感知決策服務。

圖8 基于云的智能監控機械進程的CPS體系結構

文獻[23]對這種體系結構進行了分析和擴充，并用真實的CNC機床(Computer Numerical Control機床，數碼控制機床，俗稱“數控機床”)機械化生產線應用該體系結構進行了實驗，對作業工具頭的磨損及產品表面光滑度等進行監控，得出的實驗結果和數據證明了該體系架構的有效性。文獻[24]則將大數據和云平臺的概念及技術整合進了工業智能工廠中，設計了一種統一的大數據云平臺物理結構。

此外，文獻[25]則專注于研究基于云的CPS體系結構中云內部的體系結構的設計和實現其對軟件定義網以及云計算的內部組織進行了較為深入的研究，將其提出的體系結構分為應用層、云層及物理資源層，并著重對云層內部的體系結構進行了設計并給出了基于云的CPS中的云計算技術圖譜，然后與軟件定義網相結合。文獻[26]中以面向對象的角度對基于云的CPS進行了抽象、并用UML類圖繪制了CPS云計算的概念體系結構。文獻[27]對基于云CPS中的任務調度進行了深入的研究，其分析了系統中的資源、控制、延遲與任務截止時間等各種因素，將基于云的CPS調度政策分為基于公有云的調度和基于私有云的調度，對前者提出了最小開銷優先調度算法，對后者提出了動態資源分配調度算法，并分別進行了仿真實驗，將兩種調度算法的平均響應時間進行了對比。

在CPS體系結構的建模方面，目前主要用到的工具有AADL、Modelica、UML、SysML和Simulink等。文獻[28]對基于云的CPS體系結構和組件進行了分析，指出AADL(Architecture Analysis & Design Language)是基于云的CPS的強有力的設計工具，并將AADL與其他架構建模語言，如UML[29]和SysML等[30]，在CPS建模方面進行了對比，最后用AADL對基于云平臺的飛行管理系統及其體系結構進行了建模作為基于云的CPS體系結構的一個實例。AADL適用于CPS體系結構的頂層建模，Modelica則適合于CPS底層(或物理層)的建模[31]，文獻[32]將AADL與Modelica結合起來對CPS體系結構進行建模，使這兩者互相擴展，互為補充，使建模的覆蓋面更廣，可以覆蓋到CPS體系結構的頂層和底層。另外也有利用UML和Simulink對CPS進行協同建模及仿真的實例[33]。

3 CPS體系架構研究

反饋環理論及其演化而來的控制循環是CPS體系結構的基礎，CPS原型體系結構作為最早的CPS體系結構之一便是在此基礎上結合現實條件擴展演化而來，CPS原型體系結構本身即可視作是控制循環的具體化、現實化的一個實例。在CPS內，信息量大、信息傳遞復雜，這一定程度上限制了CPS的發展，CPS急需解決這個問題。CPS的事件層級模型解決了這個問題，其把消息依據其屬性封裝成不同類型、不同級別的事件，組件可以發布自己的事件和訂閱自己感興趣的事件，而可以不用理會其他事件，從而起到了屏蔽的作用，這就將信息紛繁復雜的信息傳遞簡化了，提高了效率。在CPS原型體系結構上結合CPS事件層級模型就演化出了“發布-訂閱”式的CPS體系結構。

要完成反饋環，就要先從物理硬件感知環境，再透由信息傳輸途徑將信息傳遞到信息處理和決策組件去，然后再將決策和命令通過信息傳輸途徑下達回物理硬件處。所以，大部分CPS體系結構會將CPS劃分為三層，這三層自底向上分別為：物理層、網絡層和信息層，這是CPS的基本結構。本文在分析和歸納了主流的CPS體系結構之后，提出了一種典型CPS體系結構，如圖9所示。

圖9 典型CPS體系結構

物理層包含CPS的硬件設備，如傳感器和執行器等。執行器直接或間接改變物理世界，傳感器對物理世界進行采樣、感知等。

網絡層本應該屬于信息層，但它又區別于處理信息的信息層。網絡層只負責傳輸信息，起到連接物理層和信息層的重要作用，因此將其獨立作為一個層。網絡層包含網絡的各種通信協議及設備，如集線器、交換機和路由器等，這里的網絡可以是因特網、以太網，也可以是自組織網、無線網、下一代網等。

信息層負責信息的處理，其作用包括：對物理層收集的信息進行計算、識別、模式匹配等處理，保存系統內各類信息，對系統進行各種管理及配置，根據感知作出決策和命令，對任務和資源進行調度等。信息層通常包含計算和控制組件(如SoC、服務器或集群等)、數據組件(如數據服務器、數據庫等)、用戶端(如終端、智能手機、便攜式計算機等)等信息組件。

也有些多于三層的CPS體系結構則是將三層結構中的某些層擴展成多層而來，比較常見的是將信息層細分成多層，這是由于信息層的特殊性：信息層囊括了各式各樣的資源(如數據、知識等)、計算、存儲組件、各種中間件及應用等非常多而雜的東西，因此有這個需求將信息層細化成不同的幾層。本文在考察和歸納了各種主流CPS體系結構的層級劃分和各層級內容之后，提出了典型CPS層級體系結構，如圖10所示，基本可以概括目前主流的CPS層級體系。舉個例子，文獻[34]將CPS劃分為三個層級：單元級、系統級、SoS級(System of System級)，其中單元級實際對應的是圖10中的物理域中的硬件層以及網絡層中的一部分(包括網絡硬件設備及通信協議棧的底層部分)，系統級包括信息域中的系統層、資源層以及網絡層的一部分(包括網絡硬件設備以及通信協議棧的上層部分)，SoS級則是信息域中的在系統層之上的應用層，其負責對系統進行操作、監控和調度。

圖10 典型CPS層級體系結構

近年來，出現了不少新的熱點概念與技術，如SOA、云計算、人工智能、神經網絡、深度學習等，與這些概念和技術的應用和結合會讓CPS體系結構煥發出新的光彩。CPS體系結構與SOA的核心思想結合，將資源打包封裝成一個個服務，實現了CPS信息層的抽象，這對其他層而言，無疑大大簡化了與信息層的交互方式，因此造就了面向服務的CPS體系結構。云計算則是云提供商將信息資源集中起來管理，通過虛擬化等技術手段，對外提供其業務，免去了用戶自己建立和維護本地信息資源的煩惱。云目前一般提供三種概念的服務：基礎設施即服務(Infrastructure-as-a-Service，IaaS)、平臺即服務(Platform-as-a-Service，PaaS)以及軟件即服務(Software-as-a-Service，SaaS)。在IaaS層次上，用戶可以從云租用服務器、硬件設備等基礎設施并在此之上自行建設CPS的信息層，包括部署資源、建設信息系統平臺以及在此之上開發中間件；在PaaS層次上，用戶可以從云端獲取已經搭建好的信息平臺并在此之上開發CPS的中間件；在SaaS層次上，用戶甚至可以從云端獲取已開發好的軟件服務作為CPS的中間件(如果云服務商提供的話)。SaaS對于CPS來說是較為理想的，因為CPS的中間件可以由云按需提供，所以，只需要將物理層測量、收集和反饋的信息傳輸給云，再調用云相應的服務后等待響應即可，而無需考慮信息在云里面是如何處理的，也無需去設計和部署自己的計算資源，從而降低了本地設計復雜度，這是基于云的CPS所追求的理想狀態。因此，相信基于云的CPS體系結構將會在未來大放異彩。未來，CPS體系結構應吸納更多的優秀的新興技術和熱點概念，如人工智能、神經網絡、深度學習等，可以提高其識別的效率和精確度，進而提升CPS的感知能力。

4 結 語

本文介紹了CPS的定義與基本概念，歸納、分析并列舉了包括原型的、基于事件驅動的、“發布-訂閱”式的、面向服務的和基于云的五類目前較為主流的CPS體系結構以及CPS體系結構建模方面的一些研究。在現有的CPS體系結構的基礎上對CPS體系結構的層次劃分、層級結構進行了探索和討論，并對其共性進行了研究、歸納和總結?？紤]了CPS體系結構共有的三個層次，以及從信息層派生出的多個層級，從不同角度提出了典型CPS體系結構與典型CPS層級體系結構。本文提出的兩種CPS體系結構緊貼CPS的概念和特性，對以后的CPS體系結構方面的相關研究具有參考及指導意義。

實際上，近年來也出現了不少其他的新興的熱點概念和技術，這些概念和技術也正飛速發展，展現出了前所未有的先進性及優勢。未來，CPS體系結構除了與云結合外，也應吸納更多的優秀的新興技術和熱點概念，如人工智能、神經網絡、深度學習等，可以提高其識別的效率和精確度，進而提升CPS的感知能力。CPS體系結構甚至可以和最新興起的霧計算、邊緣計算這些熱點相結合，再一次掀起CPS計算模式的變革。因此，CPS如何更好地與云結合以及吸納新興概念熱點技術是未來工作中值得關注的方向。