信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

羅韶杰 張立臣

(廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣東 廣州 510006)

0 引 言

信息物理融合系統(tǒng)CPS的概念由美國國家自然科學(xué)基金會(huì)的Helen Gill于2005年末、2006年初提出。CPS在軟硬件混成系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來。CPS是集計(jì)算、通信、控制于一體的系統(tǒng)[1]；CPS由傳感器感知環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算設(shè)備通信，由計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)綜合處理數(shù)據(jù)、做出決策，再通過網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器下達(dá)指令進(jìn)行控制，其通過上述實(shí)時(shí)反饋環(huán)[2]將信息世界與物理世界深度融合，具有實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、多樣性和自治性等性質(zhì)[3]。CPS的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及諸如航空航天、公路與軌道交通、電網(wǎng)、水資源調(diào)度、工業(yè)先進(jìn)制造及自動(dòng)化，以及近年來新出現(xiàn)的智能家居、智能農(nóng)業(yè)等非常多的領(lǐng)域[4-5]。

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

雖然CPS是國內(nèi)外戰(zhàn)略中的重要領(lǐng)域和主攻方向，甚至已有相關(guān)的項(xiàng)目啟動(dòng)了，但是目前CPS體系結(jié)構(gòu)方面的研究相比CPS其他方面的研究及其應(yīng)用來說，還顯得比較少。本文對CPS的體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；然后，對CPS的體系結(jié)構(gòu)的層次劃分、層級結(jié)構(gòu)以及共性進(jìn)行了總結(jié)和研究，總結(jié)出典型CPS體系結(jié)構(gòu)以及典型CPS層級體系結(jié)構(gòu)；最后，結(jié)合近年來新出現(xiàn)的熱點(diǎn)概念及技術(shù)討論了這些新興或熱點(diǎn)的概念及技術(shù)對CPS體系結(jié)構(gòu)起到了怎樣的影響，并討論了CPS體系結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展。

1 CPS的基本概念與定義

Radhakisan Baheti與CPS概念的提出者Helen Gill認(rèn)為CPS是涉及到計(jì)算科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信以及通信理論等跨學(xué)科的，各計(jì)算元素與物理元素緊密結(jié)合的，具有高可靠性，能相互協(xié)調(diào)處理不確定動(dòng)態(tài)事件的一種系統(tǒng)[8]。

Edward A.Lee教授是國外最早對CPS展開研究的學(xué)者之一，其認(rèn)為CPS是一類由嵌入式計(jì)算機(jī)以及其他計(jì)算核心通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與控制物理實(shí)體，而物理實(shí)體也通過網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算組件實(shí)現(xiàn)反饋的反饋閉環(huán)的計(jì)算進(jìn)程與物理過程的集成系統(tǒng)[2]。

何積豐院士是國內(nèi)最早對CPS展開研究的學(xué)者之一，他認(rèn)為CPS是這樣的一類系統(tǒng)：CPS在環(huán)境感知的基礎(chǔ)之上，深度且緊密地融合計(jì)算、通信與控制能力，具有可控、可信以及可擴(kuò)展的能力，是藉由計(jì)算進(jìn)程與物理過程間相互影響的反饋循環(huán)來實(shí)現(xiàn)深度融合與實(shí)時(shí)交互以增加或拓展新功能的、以安全、可靠、高效、實(shí)時(shí)的方式監(jiān)控物理實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)化的物理設(shè)備系統(tǒng)[9]。

2 CPS的體系結(jié)構(gòu)

為了從整體上把握CPS體系結(jié)構(gòu)相關(guān)研究，查閱了國內(nèi)外許多關(guān)于CPS體系結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)資料，經(jīng)過遴選、分析、分類歸納和整合相似研究之后，得出現(xiàn)有主流的CPS體系結(jié)構(gòu)。

2.1 控制循環(huán)與CPS原型體系結(jié)構(gòu)

上文已經(jīng)介紹了Edward A. Lee教授提出的CPS中的計(jì)算組件與物理實(shí)體之間的反饋環(huán)理論。文獻(xiàn)[10]對反饋環(huán)進(jìn)行了分析，指出現(xiàn)有的將計(jì)算與物理世界的交互集成于一起的科學(xué)技術(shù)起源于嵌入式系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)，這種反饋環(huán)的實(shí)現(xiàn)可以從已有的嵌入式系統(tǒng)的研究入手。然后將反饋環(huán)參照嵌入式系統(tǒng)及根據(jù)實(shí)際情況演變轉(zhuǎn)化成了控制循環(huán)，如圖1所示。該控制循環(huán)分為信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)以及現(xiàn)實(shí)物理世界三個(gè)域，其中，信息系統(tǒng)又包含傳感單元及高層控制單元。在該控制循環(huán)中感知和執(zhí)行單元與高層控制單元緊密耦合，信息系統(tǒng)中，通過傳感單元對物理世界中的信息進(jìn)行采樣，傳送到高層控制單元進(jìn)行分析處理，決定產(chǎn)生何種決策，再將決策命令下達(dá)給物理系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，執(zhí)行單元執(zhí)行決策，作用于并改變現(xiàn)實(shí)物理世界，而現(xiàn)實(shí)物理世界又將會(huì)被采樣至信息系統(tǒng)，如此循環(huán)往復(fù)就構(gòu)成了控制循環(huán)。

圖1 控制循環(huán)體系結(jié)構(gòu)

控制循環(huán)體系結(jié)構(gòu)是基于嵌入式系統(tǒng)思想設(shè)計(jì)的，當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加時(shí)，這種集中控制與緊密耦合的體系結(jié)構(gòu)將會(huì)面臨挑戰(zhàn)：由于緊密耦合，系統(tǒng)復(fù)雜性增加時(shí)數(shù)據(jù)量將會(huì)加大，對通信帶寬帶來沖擊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、時(shí)效性將無法得到保障，數(shù)據(jù)的組織、傳輸和處理也將會(huì)變得繁瑣，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、有效性、時(shí)效性降低；但文獻(xiàn)[10]也發(fā)現(xiàn)，人類社會(huì)提供了一個(gè)很成功的跨越這個(gè)挑戰(zhàn)的范例，人類社會(huì)在與物理世界交互、相互影響的同時(shí)，也與信息世界交互得很好。于是文獻(xiàn)[10]基于控制循環(huán)并根據(jù)對人類社會(huì)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(shí)間、信息驅(qū)動(dòng)屬性等的因素，擴(kuò)展并建立了一種CPS的原型體系結(jié)構(gòu)(Prototype Architecture of CPSs)，如圖2所示。

圖2 CPS原型體系結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[11]中譚朋柳等在分析了文獻(xiàn)[9]中的CPS原型體系結(jié)構(gòu)后認(rèn)為該原型體系結(jié)構(gòu)雖然是以下一代網(wǎng)絡(luò)連接松散耦合的信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)，且物理系統(tǒng)是由用戶定義的語義及規(guī)則進(jìn)行監(jiān)控，但都忽略了CPS的實(shí)時(shí)性特征，沒有解決CPS的實(shí)時(shí)性問題，于是在分析和吸收了上述CPS原型結(jié)構(gòu)并經(jīng)過改進(jìn)及簡化后提出了新的CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

譚朋柳等提出的CPS體系結(jié)構(gòu)中采用CPS實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)(CPS Real-Time net，CPSRTnet)替代了文獻(xiàn)[10]的CPS原型體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)，用于聯(lián)接系統(tǒng)其余各部分，保證系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)包的實(shí)時(shí)傳輸，為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，其本質(zhì)上也屬于CPS原型體系結(jié)構(gòu)。

圖3 譚朋柳等人提出的CPS體系結(jié)構(gòu)

2.2 基于事件驅(qū)動(dòng)的CPS層級模型

CPS需要信息世界和物理世界在時(shí)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(fā)生在物理世界中，并且應(yīng)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(jī)制而采取某些行動(dòng)。在文獻(xiàn)[12]中，CPS被設(shè)想為由計(jì)算設(shè)備和包括分布式傳感器和執(zhí)行器的嵌入式系統(tǒng)組成的異構(gòu)系統(tǒng)。這些組件在大的規(guī)模上相互連接，并執(zhí)行自主任務(wù)，以連接網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界。一般來說，這些任務(wù)涉及兩個(gè)世界之間的密切的相互作用，一個(gè)世界的某種變化應(yīng)該以時(shí)間敏感和/或空間敏感的方式反映在另一個(gè)世界中。另一方面，CPS應(yīng)用程序和用戶可能不會(huì)對物理世界的每個(gè)變化感興趣，或許某些特定的條件才是令人感興趣的，根據(jù)這些條件，CPS執(zhí)行某些預(yù)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(zhí)行的一系列預(yù)先定義好的操作稱為“動(dòng)作”。因此，任何CPS任務(wù)都可以表示為“事件-動(dòng)作”關(guān)系。文獻(xiàn)[12]根據(jù)上述的設(shè)想提出了一種事件驅(qū)動(dòng)的CPS層級模型，如圖4所示。

圖4 CPS事件層級模型

文獻(xiàn)[13]也從層級事件驅(qū)動(dòng)的角度入手，綜合分析了CPS的事件驅(qū)動(dòng)流程，并著重于從實(shí)體角度繪制了CPS的各層級結(jié)構(gòu)示意圖、層級中的事件驅(qū)動(dòng)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(yīng)用于智能家居中。

文獻(xiàn)[14]討論了CPS的事件驅(qū)動(dòng)特性，進(jìn)一步探索了關(guān)鍵機(jī)制，指出之前的CPS時(shí)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(jìn)CPS時(shí)間層級模型。將改進(jìn)后的基于事件驅(qū)動(dòng)的CPS層級模型應(yīng)用無人機(jī)編隊(duì)仿真來驗(yàn)證了相關(guān)定義和方法的有效性。

文獻(xiàn)[15]分析了CPS中離散信息系統(tǒng)和連續(xù)物理系統(tǒng)交互融合的混成特性，以混成自動(dòng)機(jī)理論為基礎(chǔ)，以時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)為方法，提出一種CPS體系架構(gòu)并定義了基于時(shí)空事件的CPS事件，運(yùn)用不同功能及定義的CPS端和CPS事件驅(qū)動(dòng)的機(jī)制剖析并描繪了CPS體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息物理交互反饋的過程。將提出的CPS體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用于協(xié)同駕駛過程中的單一車輛內(nèi)部速度調(diào)控系統(tǒng)作為實(shí)例，對其進(jìn)行了形式化描述，實(shí)例的形式化過程證明了該體系架構(gòu)的有效性。

2.3 “發(fā)布-訂閱”式CPS體系結(jié)構(gòu)

CPS體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展本就不是單向獨(dú)立進(jìn)行的，不同的CPS體系結(jié)構(gòu)間并不存在也不應(yīng)該設(shè)置隔閡和鴻溝，有時(shí)候不同的CPS體系結(jié)構(gòu)間的結(jié)合可以促使其取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)。

文獻(xiàn)[16]將前面兩節(jié)中的CPS原型體系結(jié)構(gòu)與“事件驅(qū)動(dòng)”的概念結(jié)合了起來，經(jīng)過對兩者的整合以及一些調(diào)整，設(shè)計(jì)了一套“發(fā)布-訂閱”式的CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 “發(fā)布-訂閱”式CPS體系結(jié)構(gòu)

在此體系結(jié)構(gòu)中，以CPS原題體系結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，不同組件間的信息傳遞都以事件發(fā)布-事件訂閱的形式，這種機(jī)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(wù)的CPS體系結(jié)構(gòu)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service Oriented Architecture，SOA)是一種模仿人類社會(huì)的分布式的計(jì)算模式，在如今的人類社會(huì)中，每個(gè)人都享受著別人提供的服務(wù)，同時(shí)也為別人提供服務(wù)。SOA的核心思想是將系統(tǒng)中的各資源都封裝成為服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的平臺(tái)間的重用與互操作。文獻(xiàn)[17]對面向服務(wù)的CPS體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和分析，結(jié)合了SOA的思想與CPS的3C(Computation，Communication，Control)結(jié)構(gòu)提出了面向服務(wù)的CPS概念圖，如圖6所示。

圖6 面向服務(wù)的CPS概念圖

文獻(xiàn)[18]基于上述的思想，提出了一種面向服務(wù)的CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖7所示，將CPS劃分為節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層、資源層和服務(wù)層。該架構(gòu)將CPS中的計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和控制設(shè)備等資源封裝成為服務(wù)，給完成具體的任務(wù)提供支持，充分體現(xiàn)了CPS的結(jié)構(gòu)特性和“以服務(wù)為資源存在方式”的核心思想。文獻(xiàn)[19]利用時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論以及模型檢測工具Uppaal，通過以智能家居系統(tǒng)作為CPS 案例系統(tǒng)的案例設(shè)計(jì)分別對系統(tǒng)的安全性、可達(dá)性、活性及時(shí)間約束四種類型的性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是系統(tǒng)通過了這些性質(zhì)的驗(yàn)證，從而證明了面向服務(wù)的CPS 建模方法的正確性。

圖7 面向服務(wù)的CPS體系結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[20]在分析了面向服務(wù)的CPS的體系結(jié)構(gòu)之后，提出在物理層與資源服務(wù)層之間設(shè)置一個(gè)代理，對需求進(jìn)行分析和預(yù)處理并將需求匹配并傳遞到合適的服務(wù)去。

2.5 基于云的CPS體系結(jié)構(gòu)

在CPS發(fā)展的進(jìn)程中，其他領(lǐng)域也同時(shí)在發(fā)展，盡管CPS結(jié)合了分布式系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)對大數(shù)據(jù)并行處理且實(shí)時(shí)性要求較高的場景時(shí)總顯得不足。CPS是依賴計(jì)算的，幾乎與CPS同年提出的新興且高速發(fā)展的、改變了傳統(tǒng)計(jì)算模式的云計(jì)算技術(shù)，無疑會(huì)沖擊CPS的傳統(tǒng)計(jì)算模式、給CPS帶來其計(jì)算模式的變革，基于云的CPS應(yīng)運(yùn)而生。

文獻(xiàn)[21]研究和分析了云計(jì)算構(gòu)建在分布式計(jì)算、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合CPS發(fā)展所需要的技術(shù)需求，指出了CPS結(jié)合云有明顯的成本方面的優(yōu)勢，故提出了云計(jì)算與CPS的結(jié)合，并將加入云計(jì)算后的CPS分為三個(gè)層次：感知層、傳輸層以及應(yīng)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(shè)備如各類傳感器和音視頻采集設(shè)備；傳輸層負(fù)責(zé)將感知層收集到的數(shù)據(jù)信息通過各種網(wǎng)絡(luò)如有線網(wǎng)和無線網(wǎng)傳輸?shù)綉?yīng)用層中去；應(yīng)用層由云提供計(jì)算服務(wù)，對傳輸而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、進(jìn)一步加工處理。

文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了一種基于云的用于智能監(jiān)控機(jī)械進(jìn)程的CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖8所示。這種體系結(jié)構(gòu)分為三層：物理資源層、本地服務(wù)器層和云層。物理資源層包括物理設(shè)備、CNC控制器、本地終端。物理設(shè)備主要有CNC機(jī)床、傳感器等，CNC控制器負(fù)責(zé)CNC機(jī)床的監(jiān)視及控制，本地終端負(fù)責(zé)接收傳感器的信息、提供對傳感器數(shù)據(jù)及機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。本地服務(wù)器層包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和本地服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)保存各類數(shù)據(jù)，本地服務(wù)器負(fù)責(zé)對來自物理資源層的信息(數(shù)據(jù)、信號(hào)等)進(jìn)行預(yù)處理后傳送至云層進(jìn)行處理，也負(fù)責(zé)接收云層的決策、下達(dá)并協(xié)調(diào)CNC控制器執(zhí)行決策。云層則提供先進(jìn)的信號(hào)處理及感知決策服務(wù)。

圖8 基于云的智能監(jiān)控機(jī)械進(jìn)程的CPS體系結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[23]對這種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和擴(kuò)充，并用真實(shí)的CNC機(jī)床(Computer Numerical Control機(jī)床，數(shù)碼控制機(jī)床，俗稱“數(shù)控機(jī)床”)機(jī)械化生產(chǎn)線應(yīng)用該體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對作業(yè)工具頭的磨損及產(chǎn)品表面光滑度等進(jìn)行監(jiān)控，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)證明了該體系架構(gòu)的有效性。文獻(xiàn)[24]則將大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)的概念及技術(shù)整合進(jìn)了工業(yè)智能工廠中，設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)云平臺(tái)物理結(jié)構(gòu)。

此外，文獻(xiàn)[25]則專注于研究基于云的CPS體系結(jié)構(gòu)中云內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)其對軟件定義網(wǎng)以及云計(jì)算的內(nèi)部組織進(jìn)行了較為深入的研究，將其提出的體系結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、云層及物理資源層，并著重對云層內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并給出了基于云的CPS中的云計(jì)算技術(shù)圖譜，然后與軟件定義網(wǎng)相結(jié)合。文獻(xiàn)[26]中以面向?qū)ο蟮慕嵌葘谠频腃PS進(jìn)行了抽象、并用UML類圖繪制了CPS云計(jì)算的概念體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[27]對基于云CPS中的任務(wù)調(diào)度進(jìn)行了深入的研究，其分析了系統(tǒng)中的資源、控制、延遲與任務(wù)截止時(shí)間等各種因素，將基于云的CPS調(diào)度政策分為基于公有云的調(diào)度和基于私有云的調(diào)度，對前者提出了最小開銷優(yōu)先調(diào)度算法，對后者提出了動(dòng)態(tài)資源分配調(diào)度算法，并分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，將兩種調(diào)度算法的平均響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了對比。

在CPS體系結(jié)構(gòu)的建模方面，目前主要用到的工具有AADL、Modelica、UML、SysML和Simulink等。文獻(xiàn)[28]對基于云的CPS體系結(jié)構(gòu)和組件進(jìn)行了分析，指出AADL(Architecture Analysis & Design Language)是基于云的CPS的強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具，并將AADL與其他架構(gòu)建模語言，如UML[29]和SysML等[30]，在CPS建模方面進(jìn)行了對比，最后用AADL對基于云平臺(tái)的飛行管理系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模作為基于云的CPS體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。AADL適用于CPS體系結(jié)構(gòu)的頂層建模，Modelica則適合于CPS底層(或物理層)的建模[31]，文獻(xiàn)[32]將AADL與Modelica結(jié)合起來對CPS體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使這兩者互相擴(kuò)展，互為補(bǔ)充，使建模的覆蓋面更廣，可以覆蓋到CPS體系結(jié)構(gòu)的頂層和底層。另外也有利用UML和Simulink對CPS進(jìn)行協(xié)同建模及仿真的實(shí)例[33]。

3 CPS體系架構(gòu)研究

反饋環(huán)理論及其演化而來的控制循環(huán)是CPS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，CPS原型體系結(jié)構(gòu)作為最早的CPS體系結(jié)構(gòu)之一便是在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件擴(kuò)展演化而來，CPS原型體系結(jié)構(gòu)本身即可視作是控制循環(huán)的具體化、現(xiàn)實(shí)化的一個(gè)實(shí)例。在CPS內(nèi)，信息量大、信息傳遞復(fù)雜，這一定程度上限制了CPS的發(fā)展，CPS急需解決這個(gè)問題。CPS的事件層級模型解決了這個(gè)問題，其把消息依據(jù)其屬性封裝成不同類型、不同級別的事件，組件可以發(fā)布自己的事件和訂閱自己感興趣的事件，而可以不用理會(huì)其他事件，從而起到了屏蔽的作用，這就將信息紛繁復(fù)雜的信息傳遞簡化了，提高了效率。在CPS原型體系結(jié)構(gòu)上結(jié)合CPS事件層級模型就演化出了“發(fā)布-訂閱”式的CPS體系結(jié)構(gòu)。

要完成反饋環(huán)，就要先從物理硬件感知環(huán)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(dá)回物理硬件處。所以，大部分CPS體系結(jié)構(gòu)會(huì)將CPS劃分為三層，這三層自底向上分別為：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和信息層，這是CPS的基本結(jié)構(gòu)。本文在分析和歸納了主流的CPS體系結(jié)構(gòu)之后，提出了一種典型CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 典型CPS體系結(jié)構(gòu)

物理層包含CPS的硬件設(shè)備，如傳感器和執(zhí)行器等。執(zhí)行器直接或間接改變物理世界，傳感器對物理世界進(jìn)行采樣、感知等。

網(wǎng)絡(luò)層本應(yīng)該屬于信息層，但它又區(qū)別于處理信息的信息層。網(wǎng)絡(luò)層只負(fù)責(zé)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(dú)立作為一個(gè)層。網(wǎng)絡(luò)層包含網(wǎng)絡(luò)的各種通信協(xié)議及設(shè)備，如集線器、交換機(jī)和路由器等，這里的網(wǎng)絡(luò)可以是因特網(wǎng)、以太網(wǎng)，也可以是自組織網(wǎng)、無線網(wǎng)、下一代網(wǎng)等。

信息層負(fù)責(zé)信息的處理，其作用包括：對物理層收集的信息進(jìn)行計(jì)算、識(shí)別、模式匹配等處理，保存系統(tǒng)內(nèi)各類信息，對系統(tǒng)進(jìn)行各種管理及配置，根據(jù)感知作出決策和命令，對任務(wù)和資源進(jìn)行調(diào)度等。信息層通常包含計(jì)算和控制組件(如SoC、服務(wù)器或集群等)、數(shù)據(jù)組件(如數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等)、用戶端(如終端、智能手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)等)等信息組件。

也有些多于三層的CPS體系結(jié)構(gòu)則是將三層結(jié)構(gòu)中的某些層擴(kuò)展成多層而來，比較常見的是將信息層細(xì)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(shù)據(jù)、知識(shí)等)、計(jì)算、存儲(chǔ)組件、各種中間件及應(yīng)用等非常多而雜的東西，因此有這個(gè)需求將信息層細(xì)化成不同的幾層。本文在考察和歸納了各種主流CPS體系結(jié)構(gòu)的層級劃分和各層級內(nèi)容之后，提出了典型CPS層級體系結(jié)構(gòu)，如圖10所示，基本可以概括目前主流的CPS層級體系。舉個(gè)例子，文獻(xiàn)[34]將CPS劃分為三個(gè)層級：單元級、系統(tǒng)級、SoS級(System of System級)，其中單元級實(shí)際對應(yīng)的是圖10中的物理域中的硬件層以及網(wǎng)絡(luò)層中的一部分(包括網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備及通信協(xié)議棧的底層部分)，系統(tǒng)級包括信息域中的系統(tǒng)層、資源層以及網(wǎng)絡(luò)層的一部分(包括網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備以及通信協(xié)議棧的上層部分)，SoS級則是信息域中的在系統(tǒng)層之上的應(yīng)用層，其負(fù)責(zé)對系統(tǒng)進(jìn)行操作、監(jiān)控和調(diào)度。

圖10 典型CPS層級體系結(jié)構(gòu)

近年來，出現(xiàn)了不少新的熱點(diǎn)概念與技術(shù)，如SOA、云計(jì)算、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，與這些概念和技術(shù)的應(yīng)用和結(jié)合會(huì)讓CPS體系結(jié)構(gòu)煥發(fā)出新的光彩。CPS體系結(jié)構(gòu)與SOA的核心思想結(jié)合，將資源打包封裝成一個(gè)個(gè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)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(wù)的CPS體系結(jié)構(gòu)。云計(jì)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(shù)手段，對外提供其業(yè)務(wù)，免去了用戶自己建立和維護(hù)本地信息資源的煩惱。云目前一般提供三種概念的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure-as-a-Service，IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(Platform-as-a-Service，PaaS)以及軟件即服務(wù)(Software-as-a-Service，SaaS)。在IaaS層次上，用戶可以從云租用服務(wù)器、硬件設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施并在此之上自行建設(shè)CPS的信息層，包括部署資源、建設(shè)信息系統(tǒng)平臺(tái)以及在此之上開發(fā)中間件；在PaaS層次上，用戶可以從云端獲取已經(jīng)搭建好的信息平臺(tái)并在此之上開發(fā)CPS的中間件；在SaaS層次上，用戶甚至可以從云端獲取已開發(fā)好的軟件服務(wù)作為CPS的中間件(如果云服務(wù)商提供的話)。SaaS對于CPS來說是較為理想的，因?yàn)镃PS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(diào)用云相應(yīng)的服務(wù)后等待響應(yīng)即可，而無需考慮信息在云里面是如何處理的，也無需去設(shè)計(jì)和部署自己的計(jì)算資源，從而降低了本地設(shè)計(jì)復(fù)雜度，這是基于云的CPS所追求的理想狀態(tài)。因此，相信基于云的CPS體系結(jié)構(gòu)將會(huì)在未來大放異彩。未來，CPS體系結(jié)構(gòu)應(yīng)吸納更多的優(yōu)秀的新興技術(shù)和熱點(diǎn)概念，如人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，可以提高其識(shí)別的效率和精確度，進(jìn)而提升CPS的感知能力。

4 結(jié) 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(qū)動(dòng)的、“發(fā)布-訂閱”式的、面向服務(wù)的和基于云的五類目前較為主流的CPS體系結(jié)構(gòu)以及CPS體系結(jié)構(gòu)建模方面的一些研究。在現(xiàn)有的CPS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對CPS體系結(jié)構(gòu)的層次劃分、層級結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索和討論，并對其共性進(jìn)行了研究、歸納和總結(jié)。考慮了CPS體系結(jié)構(gòu)共有的三個(gè)層次，以及從信息層派生出的多個(gè)層級，從不同角度提出了典型CPS體系結(jié)構(gòu)與典型CPS層級體系結(jié)構(gòu)。本文提出的兩種CPS體系結(jié)構(gòu)緊貼CPS的概念和特性，對以后的CPS體系結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究具有參考及指導(dǎo)意義。

實(shí)際上，近年來也出現(xiàn)了不少其他的新興的熱點(diǎn)概念和技術(shù)，這些概念和技術(shù)也正飛速發(fā)展，展現(xiàn)出了前所未有的先進(jìn)性及優(yōu)勢。未來，CPS體系結(jié)構(gòu)除了與云結(jié)合外，也應(yīng)吸納更多的優(yōu)秀的新興技術(shù)和熱點(diǎn)概念，如人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，可以提高其識(shí)別的效率和精確度，進(jìn)而提升CPS的感知能力。CPS體系結(jié)構(gòu)甚至可以和最新興起的霧計(jì)算、邊緣計(jì)算這些熱點(diǎn)相結(jié)合，再一次掀起CPS計(jì)算模式的變革。因此，CPS如何更好地與云結(jié)合以及吸納新興概念熱點(diǎn)技術(shù)是未來工作中值得關(guān)注的方向。