0 引言

    自1992年美國國家航空航天局（NASA）首次提出信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-physical Systems,，CPS)概念以來,，CPS引起了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和各國政府的普遍關(guān)注,。目前,，CPS已廣泛應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，大到智能電網(wǎng),、航空航天,、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療,、國防等大型復(fù)雜系統(tǒng),，小到無人機(jī),、家用機(jī)器人、藥丸式電子內(nèi)窺鏡等局部或小型應(yīng)用,，CPS已充分體現(xiàn)著在分布式計(jì)算資源與物理世界深度融合過程中表現(xiàn)出的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),。本文將對(duì)CPS的概念進(jìn)行描述并對(duì)涉及的感知、計(jì)算,、通信和控制技術(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析,，討論有關(guān)CPS的技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并展望和總結(jié)了CPS在發(fā)展過程中面對(duì)的挑戰(zhàn)和相應(yīng)的研究方向,。

1 CPS的內(nèi)涵

1.1 CPS的概念

    目前尚未對(duì)CPS形成統(tǒng)一權(quán)威的定義,，已有概念多基于研究者的不同的關(guān)注點(diǎn)和描述方法而提出。通過與嵌入式系統(tǒng),、工業(yè)控制系統(tǒng),、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的對(duì)比，立足于系統(tǒng)的本質(zhì)特征,，本文將CPS理解為集智能感知（Perception）,、深度計(jì)算（Computation）、可靠通信（Communication）和精準(zhǔn)控制（Control）等技術(shù)于一體的連接虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)物理世界,，緊密結(jié)合計(jì)算資源和物理資源的先進(jìn)智能系統(tǒng),。CPS是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與控制系統(tǒng)深度融合的產(chǎn)物，其中“感知”體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的特有基因,，“控制”反映了控制系統(tǒng)的基本功能,。

    本定義中，一是將CPS的構(gòu)成要素確定為感知,、計(jì)算,、通信和控制（將早期對(duì)CPS確定的“3C”特征^[1]擴(kuò)展為“3C+1P”），揭示了CPS的本質(zhì)是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息單元與物理實(shí)體間的深度融合,；二是說明了CPS的功能是通過形成從數(shù)據(jù)感知到數(shù)據(jù)處理的自下而上信息流以及從分析決策到精準(zhǔn)執(zhí)行的自上而下的控制流^[2]實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源的合理配置和運(yùn)行的按需響應(yīng),；三是指出CPS的具體實(shí)現(xiàn)方式是通過構(gòu)建物理空間與信息空間中人、機(jī),、物等不同元素之間的映射,，將物理空間中存在但未被獲知的隱性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能夠識(shí)別的顯性數(shù)據(jù)后提交給智能系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理，將形成的知識(shí)數(shù)據(jù)保存在專家數(shù)據(jù)庫中,，同時(shí)通過控制系統(tǒng)將決策信息轉(zhuǎn)化為控制指令數(shù)據(jù)后作用到物理空間,；四是強(qiáng)調(diào)了CPS的功能主要是通過信息迭代方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

    概括地說,，CPS是一個(gè)將信息空間的離散模式與物理世界的連續(xù)動(dòng)態(tài)模式相結(jié)合后形成的混雜系統(tǒng)（hybrid system）,，其中代表物理世界的連續(xù)變量和反映信息空間的離散事件相互影響，從而形成一個(gè)信息驅(qū)動(dòng)與事件驅(qū)動(dòng)并存的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),。

1.2 CPS的組成結(jié)構(gòu)

    圖1所示的是CPS典型應(yīng)用的組成結(jié)構(gòu),，按自底向上的分層思想,，將CPS劃分為感知和控制層、網(wǎng)絡(luò)傳送層以及計(jì)算決策層共3層,。

    其中,，感知和控制層由感知和執(zhí)行模塊組成，用于將物理空間中的隱性信息轉(zhuǎn)化為可以提交給上層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘@性數(shù)據(jù),，同時(shí)根據(jù)決策結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間中物理實(shí)體的控制,。在一些單元級(jí)的CPS中，根據(jù)預(yù)定的策略,，在感知模塊和執(zhí)行模塊之間也可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,；網(wǎng)絡(luò)傳送層由現(xiàn)有和演進(jìn)中的各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成，主要功能是提供安全,、可靠,、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸通道，為不同CPS節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同感知和控制提供基本的通信保障,；計(jì)算決策層通過云計(jì)算,、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CPS系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)的深度處理和實(shí)時(shí)分析，并通過對(duì)來自不同系統(tǒng)和環(huán)境數(shù)據(jù)的判斷,，根據(jù)形成的最優(yōu)決策對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制,。

2 CPS的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 CPS的技術(shù)體系

    CPS的復(fù)雜性和多學(xué)科交叉性體現(xiàn)在其技術(shù)的廣泛性和實(shí)現(xiàn)方式的綜合性。通過對(duì)CPS組成結(jié)構(gòu)和主要功能的分析,，在表1中列出了CPS中涉及的一些主要技術(shù)^[3],。

2.2 CPS的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 智能感知和自動(dòng)控制

    （1）傳感器技術(shù)

    傳感器是一種能夠感受被測(cè)量，并將檢測(cè)到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸?shù)男盘?hào)的器件或裝置,。根據(jù)工作機(jī)理的不同,，傳感器可分為利用物質(zhì)的物理現(xiàn)象和效應(yīng)感知來檢測(cè)對(duì)象信息的物理傳感器，利用化學(xué)反應(yīng)來識(shí)別和檢測(cè)信息的化學(xué)傳感器,，以及利用生物化學(xué)反應(yīng)來檢測(cè)信息的生物傳感器等類型^[4],。近年來,，隨著新材料,、多功能集成、微處理器等技術(shù)的快速發(fā)展,，集感知,、計(jì)算和通信功能于一體的具有自診斷、自校正,、自補(bǔ)償?shù)裙δ艿闹悄軅鞲衅魇刮锢砜臻g的信息感知變得更加高效和細(xì)化,。

    （2）自動(dòng)控制技術(shù)

    自動(dòng)控制技術(shù)是能夠在無人值守的情況下，利用自動(dòng)控制裝置使被控對(duì)象（設(shè)備或系統(tǒng)）按預(yù)定流程運(yùn)行,，或使被控對(duì)象的物理量（如溫度,、濕度,、位移、加速度,、壓力等）按預(yù)定要求變化的技術(shù),。

    如圖2所示，CPS是一種虛（信息空間）實(shí)（物理空間）深度融合的智能控制系統(tǒng),。利用嵌入式軟件,，從被控對(duì)象（傳感器、儀器,、儀表,、在線測(cè)量設(shè)備等）和被控環(huán)境中采集信息，實(shí)現(xiàn)感知功能,，通過上層的計(jì)算功能分析被控對(duì)象和環(huán)境的當(dāng)前狀況,，最后再根據(jù)已建立的模型計(jì)算和控制規(guī)則形成決策結(jié)果，向執(zhí)行器發(fā)出操作指令,。在具體的應(yīng)用中,，以上過程是一個(gè)“感知→分析→決策→執(zhí)行→”的循環(huán)往復(fù)過程，直到實(shí)現(xiàn)既定的控制目標(biāo),。另外,，一般由多個(gè)可控的物理實(shí)體根據(jù)生產(chǎn)流程構(gòu)成一個(gè)具體的生產(chǎn)系統(tǒng)，不同物理實(shí)體的集成和控制需要通過信息空間中的通信網(wǎng)絡(luò)或CPS總線來實(shí)現(xiàn),。

    由于CPS主要應(yīng)用于一些安全性和可靠性高的關(guān)鍵系統(tǒng)中,，因此對(duì)CPS軟件提出了較高要求。CPS軟件是一種嵌入式智能控制軟件,，操作系統(tǒng),、嵌入式數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件和開發(fā)工具等全部植入在被控對(duì)象中,，針對(duì)CPS的感知,、通信、計(jì)算,、控制等操作要求進(jìn)行開發(fā)和配置,，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的智能化監(jiān)測(cè)、管理和控制,。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

    CPS雖然是物聯(lián)網(wǎng)中的一類典型應(yīng)用,，但與一般物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不同的是，CPS對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在穩(wěn)定性,、可信性,、實(shí)時(shí)性和安全性等方面的要求都要高。從原理上說，CPS的通信網(wǎng)絡(luò)可包括現(xiàn)有和演進(jìn)中的各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，如有線網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),，無線網(wǎng)絡(luò)中的WiFi、ZigBee,、4G/5G,、藍(lán)牙等技術(shù)；在組網(wǎng)方面,，由于CPS同樣采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)典的分層模型,，即高層的CPS由低層CPS組成（最低層為具有不可分割性的單元級(jí)CPS），明晰的層次結(jié)構(gòu)要求CPS組網(wǎng)中應(yīng)具有更高的開放性和靈活性,，以便實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),、異構(gòu)系統(tǒng)之間的跨平臺(tái)互聯(lián)和高度集成；在技術(shù)方面,，在一個(gè)異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中,，不同網(wǎng)絡(luò)采用的通信協(xié)議、傳輸速率,、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等可能不同,，這就需要在具體集成過程中解決大量的技術(shù)細(xì)節(jié)問題。

    （1）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

    現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制系統(tǒng)中一種數(shù)字通信技術(shù),，主要為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制器,、執(zhí)行器、智能儀器與儀表等設(shè)備之間的連接提供數(shù)字通信通道,，為控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的通信保障?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)、通信,、智能控制,、超大規(guī)模集成電路等技術(shù)發(fā)展并相互作用的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)向著數(shù)字化,、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化和高度集成的方向發(fā)展。CPS中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有全網(wǎng)數(shù)字化,、開放環(huán)境下的異構(gòu)互聯(lián),、設(shè)備的智能化、設(shè)備間的互操作性,、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)^[5],。

    （2）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

    以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)早已成為局域網(wǎng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，而且在局域以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展過程中,，一直繼承著良好的兼容性、穩(wěn)定性和低成本等特點(diǎn)，使得城域以太網(wǎng)和廣域以太網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展,。與此同時(shí),，以太網(wǎng)技術(shù)開始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，出現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),，并很快以低廉的成本和可靠性開始蠶食現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用份額,。盡管現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域取得了巨大成功，但其具有的成本高,、速率低,、系統(tǒng)兼容性差等缺點(diǎn)，致使部分研發(fā)人員開始結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的需要,，利用在其他領(lǐng)域已成熟的COTS技術(shù)（commercial off-the-shelf,，商品化的產(chǎn)品和技術(shù)）來逐漸替代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

    以太網(wǎng)技術(shù)如果要實(shí)現(xiàn)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,，必須解決以太網(wǎng)中存在的實(shí)時(shí)性較差這一問題,。實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度兩個(gè)方面。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常嚴(yán)格,，傳感器需要將實(shí)時(shí)感知的數(shù)據(jù)提交給上層決策和應(yīng)用系統(tǒng),，控制器需要根據(jù)實(shí)時(shí)感知的決策結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的控制，這都需要實(shí)時(shí)性的保障,。為此,，根據(jù)復(fù)雜工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的要求，提出了EtherCAT^[6],、Ethernet Powerlink^[7]等工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。

2.2.3 智能平臺(tái)服務(wù)技術(shù)

    （1）邊緣計(jì)算

    邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)源處執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的一種新型計(jì)算模式^[8]。在CPS中,，邊緣計(jì)算的下行數(shù)據(jù)表示執(zhí)行數(shù)據(jù),，上行數(shù)據(jù)表示感知數(shù)據(jù)，而邊緣指圖2中物理實(shí)體的感知,、計(jì)算,、通信和控制資源。邊緣感知設(shè)備具有旺盛的數(shù)據(jù)自處理需求,，如果能夠在感知設(shè)備上增加運(yùn)行CPS執(zhí)行任務(wù)的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析處理能力,，將原有CPS中的部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移到位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的智能感知設(shè)備上，將會(huì)有效保障通信的實(shí)時(shí)性,，降低網(wǎng)絡(luò)壓力,，減輕CPS計(jì)算中心的計(jì)算工作量，提高CPS的整體性能,。

    傳統(tǒng)CPS采用集中式管理模式,，前面介紹的應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等都在針對(duì)CPS應(yīng)用的具體要求，解決通信延時(shí),、可靠性,、實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)安全性等關(guān)鍵問題，而邊緣計(jì)算為解決此類問題提供了技術(shù)保障,。以實(shí)時(shí)性為例,，在大規(guī)模CPS中，大量邊緣感知設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將使網(wǎng)絡(luò)帶寬成為系統(tǒng)瓶頸,，而在一些系統(tǒng)中僅通過增加網(wǎng)絡(luò)帶寬并不能滿足CPS應(yīng)用中的低延時(shí)要求,，為此在位于數(shù)據(jù)源的邊緣感知設(shè)備上執(zhí)行部分計(jì)算是適應(yīng)CPS應(yīng)用需求的一種有效的新型計(jì)算模式。即使是某些CPS需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式處理,，也可在邊緣感知設(shè)備端對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后再提交,，以減輕數(shù)據(jù)的傳輸量，降低帶寬占用,。

    （2）霧計(jì)算

    霧計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備與云計(jì)算中心之間提供存儲(chǔ),、計(jì)算等服務(wù)，并通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)互操作性和協(xié)同性,。霧計(jì)算是對(duì)現(xiàn)有云計(jì)算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的一種功能補(bǔ)充和擴(kuò)展,，其特征主要表現(xiàn)為通信過程的低延遲、對(duì)設(shè)備的位置識(shí)別,、廣泛的地理分布,、支持流動(dòng)性（支持移動(dòng)終端）、容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)大,、支持強(qiáng)大的流媒體和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,、異質(zhì)性等^[9]。

    由多個(gè)單元級(jí)CPS組成的復(fù)雜CPS是目前工業(yè)應(yīng)用中最常見的模式,，其中不同基本單元級(jí)CPS之間的協(xié)同計(jì)算和操作是確保整個(gè)CPS系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,。如圖3所示^[3]，通過霧計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用,，將數(shù)據(jù)的處理,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用程序集中在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備中，一方面使中心服務(wù)器的計(jì)算任務(wù)下移,，減輕了中心服務(wù)器的負(fù)載以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用,；另一方面，將邊緣智能感知設(shè)備的深度數(shù)據(jù)處理操作上移到霧計(jì)算處,，降低了對(duì)邊緣設(shè)備在計(jì)算能力上的壓力,。霧計(jì)算更能夠發(fā)揮CPS中各組成單元的計(jì)算資源優(yōu)勢(shì)，讓數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理相對(duì)分散,，讓有價(jià)值數(shù)據(jù)的流動(dòng)更加高效,、實(shí)時(shí),，使整個(gè)CPS中資源的配置更加優(yōu)化。

    （3）工業(yè)大數(shù)據(jù)

    工業(yè)大數(shù)據(jù)是一個(gè)宏觀的概念,，它同時(shí)包含企業(yè)信息化過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),、工業(yè)CPS數(shù)據(jù)以及企業(yè)與外界交往過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等,。這些數(shù)據(jù)中,，有些是由設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)序數(shù)據(jù)（主要由傳感器、儀器儀表和智能感知終端采集的數(shù)據(jù)）,，有些是人為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（如產(chǎn)品設(shè)備數(shù)據(jù),、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品用戶評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等）,。不管這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生于何處,，都是通過促進(jìn)數(shù)據(jù)的流動(dòng)共享來解決企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)問題，以提高控制的精準(zhǔn)性和決策的科學(xué)性,。

3 發(fā)展展望

3.1 研究方法有待進(jìn)一步融合

    融合是CPS的基本特征,，體現(xiàn)了物理空間與信息空間的相互作用和彼此影響；融合也是一種研究方法,，反映了學(xué)科之間的相互促進(jìn)和思想交融,。由于CPS是集計(jì)算、控制,、通信等多學(xué)科交叉形成的一項(xiàng)新技術(shù)和新型應(yīng)用領(lǐng)域,，對(duì)CPS技術(shù)的研究從指導(dǎo)思想和方法上都會(huì)受到已有學(xué)科固有特征的影響，其中融合是學(xué)科間和方法上相互借鑒,、相互促進(jìn)的發(fā)展方式,。

    通過對(duì)已有研究成果的分析，CPS的研究者主要出自兩大陣營：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,，WSN）和控制理論,。以上兩大陣營，雖然研究經(jīng)歷不同,，研究方法存在一些差異,，但研究目標(biāo)是共同構(gòu)建一個(gè)集感知、計(jì)算,、通信與控制于一體的高度集成的系統(tǒng),。在下一步研究中，需要進(jìn)一步加大兩大陣營之間的溝通融合,，從基礎(chǔ)研究,、理論指導(dǎo)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),，共同促進(jìn)CPS的進(jìn)一步發(fā)展,。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)的研究需要更加深入

    CPS之所以復(fù)雜,，主要原因之一是多技術(shù)的綜合運(yùn)用。在前文對(duì)一些技術(shù)進(jìn)行論述時(shí)就反映出了CPS中不同技術(shù)發(fā)展的不平衡性和實(shí)現(xiàn)方式上的差異性,，這些因素是影響CPS核心應(yīng)用的關(guān)鍵,。

    除前文重點(diǎn)介紹的技術(shù)之外，工業(yè)軟件對(duì)CPS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用起著關(guān)鍵作用,。工業(yè)軟件^[10]是對(duì)工業(yè)生產(chǎn),、管理、服務(wù)等全部過程的代碼化體現(xiàn),。軟件是算法的代碼化,，工業(yè)軟件是CPS的核心，對(duì)CPS的影響起著決定作用,。在許多情況下,，CPS中的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，極易遭受外部攻擊和惡意代碼攻擊,，安全威脅較大,。與此同時(shí)，隨著CPS的功能越來越強(qiáng),，對(duì)系統(tǒng)的性能要求越來越高,，軟件系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜和難以駕馭，因軟件的脆弱性引起的系統(tǒng)缺陷將會(huì)帶來不可預(yù)估甚至是災(zāi)難性的后果,。下一步需要結(jié)合CPS典型應(yīng)用,，對(duì)可信軟件理論與關(guān)鍵技術(shù)在CPS中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

    另外,，系統(tǒng)建模技術(shù)也決定著CPS的功能實(shí)現(xiàn)和性能保障,。目前，針對(duì)CPS研究的建模理論和方法較多,，如離散系統(tǒng)建模方法,、連續(xù)系統(tǒng)建模方式、混合系統(tǒng)建模方式等^[11],，但建模的對(duì)象都包括感知,、計(jì)算、通信和物理事件等方面,，工作繁瑣且復(fù)雜,。下一步需要結(jié)合CPS典型應(yīng)用，加強(qiáng)建模過程中連續(xù)系統(tǒng)（物理空間）與離散系統(tǒng)（信息空間）融合方法的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究,，以及加強(qiáng)分布式系統(tǒng)的建模研究,，解決CPS不同組件間的時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)延時(shí),、物理實(shí)體統(tǒng)一標(biāo)識(shí)等問題,。

3.3 CPS的標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善

    根據(jù)應(yīng)用建立配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是推動(dòng)CPS產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的有效模式和必要手段,。目前，有關(guān)國家和地區(qū)的相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了一批CPS的標(biāo)準(zhǔn),，但是由于CPS是一個(gè)同時(shí)涉及網(wǎng)絡(luò),、終端以及管理平臺(tái)的復(fù)雜系統(tǒng)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尚無法滿足CPS應(yīng)用的需求,，在設(shè)計(jì)與制造,、典型應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化語言描述,、應(yīng)用模式,、異構(gòu)互聯(lián),、安全管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中還存在較大挑戰(zhàn),，還有大量的工作去做。

    下一步需要從以下幾個(gè)方面具體開展工作：一是制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu),，明晰各標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)之間的關(guān)聯(lián)性,；二是完善CPS的體系結(jié)構(gòu)，包括基本的概念和術(shù)語,；三是對(duì)涉及CPS的系統(tǒng)建模,、異構(gòu)互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享,、實(shí)時(shí)控制等關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范提供具體指導(dǎo),；四是根據(jù)應(yīng)用，從CPS部署,、集成,、測(cè)試及故障偵測(cè)等方面提出可供借鑒的實(shí)施指南和系統(tǒng)解決方案；五是從安全管理,、防護(hù)能力,、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面制定安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 典型應(yīng)用的引領(lǐng)作用需求加強(qiáng)

    CPS技術(shù)一經(jīng)提出就得到了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,，并在設(shè)計(jì),、制造、服務(wù),、應(yīng)用等環(huán)節(jié)得到體現(xiàn),。CPS技術(shù)的引入，通過設(shè)備之間的互聯(lián)以及智能管理平臺(tái)的應(yīng)用,，消除了生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在的信息孤島,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和資源的合理調(diào)度，優(yōu)化了資源配置,。但由于CPS的復(fù)雜性,，目前對(duì)涉及CPS的感知,、分析、決策和執(zhí)行等方面的研究和應(yīng)用實(shí)踐還不夠深入,，還沒有形成能夠引領(lǐng)行業(yè)應(yīng)用的典型案例,。下一步將重點(diǎn)對(duì)物理實(shí)體的接口協(xié)議、實(shí)時(shí)通信,、精準(zhǔn)控制,、遠(yuǎn)程互動(dòng)等涉及CPS的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)加強(qiáng)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的知識(shí)庫和規(guī)則庫的建設(shè),。在此基礎(chǔ)上,，選擇工業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過大量仿真檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行院涂煽啃?，并在?shí)際應(yīng)用中不斷完善,，最終形成可以直接復(fù)制的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和模型。

4 結(jié)論

    鑒于CPS的重要性,，其概念一經(jīng)提出便引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視,，并在產(chǎn)、學(xué),、研,、用一體化進(jìn)程中加速發(fā)展。同時(shí),，鑒于CPS的復(fù)雜性,，對(duì)其技術(shù)的研究和實(shí)踐探索還需要在充分借鑒相關(guān)領(lǐng)域已有成果的基礎(chǔ)上，緊緊抓住影響CPS發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集中攻關(guān),。目前,，對(duì)CPS的研究工作剛剛起步，CPS技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展還面臨著許多挑戰(zhàn),，在統(tǒng)一認(rèn)識(shí),、完善技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究,、加快典型應(yīng)用的示范效應(yīng)等方面仍有大量的工作要做,。

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作者信息:

李馥娟1，王  群1,，錢煥延2

（1.江蘇警官學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息與網(wǎng)絡(luò)安全系,，江蘇 南京210031；

2.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,，江蘇 南京210094）