网络物理系统架构分析

# 网络物理系统架构分析 ## 1. 引言 网络物理系统（CPS）是网络世界与动态物理世界的融合。它感知物理世界，通过计算机处理数据，并影响和改变物理世界。网络和物理资源的紧密耦合以及它们之间的协调是 CPS 的主要区别，从而产生了新的能力。此外，CPS 在执行器和传感器方面具有更高的智能，同时性能约束也更为严格。 CPS 研究在总统科学技术顾问委员会的报告将其列为联邦研究投资的首要任务后迅速兴起。CPS 将计算和通信与物理世界中实体的监测和/或控制相结合。随着强大而可靠的计算设备以及更便宜、更快的网络，计算将嵌入到各种物理资源和应用中，这将在时间和空间上产生重大的社会影响并带来经济效益。CPS 的目标是实现计算（或网络）和物理资源的紧密结合以及它们之间的协调，以达成此类应用。通常，CPS 在其操作以及与部署环境的交互中，具有计算、通信和控制（3C）的紧密集成特征。 以“信息”为核心，融合计算、通信和控制，可实现大规模系统中的实时感知、动态控制和信息服务。CPS 与嵌入式系统、传感器和无线网络密切相关，但也有自身特点，例如环境的复杂性和动态性、大问题空间和解决方案空间与环境密切相关，以及对系统高可靠性的要求。早期，CPS 具有固有的两层结构，即物理部分和计算部分。物理部分感知物理环境、收集数据并执行计算部分做出的决策；计算部分分析和处理来自物理部分的数据，然后做出决策。这是两部分之间的一种反馈控制关系。最近，提出了一种 CPS 的三层架构： 1. **环境层**：由物理设备和目标环境组成，包括使用设备的最终用户及其相关的物理环境。 2. **服务层**：具有面向服务架构（SOA）和云计算（CC）服务的典型计算环境。 3. **控制层**：接收通过传感器收集的监测数据，做出控制决策，通过咨询服务框架找到合适的服务，并让服务在物理设备上被调用。 网络世界和物理世界本质上不同，但通过信息相互连接和影响。物理世界的主要特征之一是其动态性，同一实体在不同时间会表现出不同的属性。因此，在对物理世界实体进行建模时，应特别考虑动态特征。在网络世界中，变化通过状态转换表示，因此模拟物理世界可能导致状态爆炸。这是 CPS 建模和设计过程中需要考虑的重要特征。 ## 2. CPS 的特点与挑战 ### 2.1 CPS 的特点 与传统嵌入式系统不同，CPS 具有自身的特点和优势，使其成为物理和网络实体集成的高效且有前景的解决方案： 1. **网络集成**：CPS 中云计算和无线传感器网络（WSNs）的互操作性确保了符合网络标准，涉及多个通过通信网络交互的计算平台。 2. **人机交互**：在决策、建模和测量上下文感知方面，人类对系统及其环境参数变化的感知至关重要，这是动态和复杂系统的绝对要求。将人类作为系统的一部分，一些 CPS 使交互更加容易，因为使用独立系统对人类进行建模很困难。 3. **处理确定性**：确定性提供了确保设计有效和可靠的证据，包括模拟中的详尽测试或形式证明。CPS 被设计为在新的和不可靠的环境中运行和发展。 4. **更好的系统性能**：CPS 中的传感器和网络基础设施密切交互，在自动重新设计和反馈方面提供了高系统性能。多个传感器、多种数据传输机制、终端用户维护和高级编程语言确保了 CPS 更好的系统性能。 5. **可扩展性**：利用云计算的特性，CPS 可以根据需求扩展系统。终端用户无需额外投资即可获取必要的基础设施。 6. **自主性**：通过传感器 - 云集成，CPS 可以实现自主性。典型的 CPS 在闭环系统中工作，传感器收集物理动态数据，这些数据被传输到网络子系统进行进一步计算，然后驱动物理世界中的执行器。 7. **灵活性**：与单独的 WSN 和云计算系统相比，CPS 提供了更大的灵活性。 8. **优化**：云基础设施和其他传感器（如生物医学传感器）为各种应用提供了优化的可能性。物理设备的这种能力可以帮助 CPS 在很大程度上优化系统。 9. **更快的响应时间**：更快的响应时间有助于早期检测远程故障并合理利用共享资源，例如带宽。由于传感器和云基础设施的数据处理速度更快和通信能力更强，CPS 能够提供更快的响应时间。 10. **异构性**：对于各种类型的终端设备，处理能力、通信机制和安全要求差异很大。因此，这种异构性给系统组成带来了巨大挑战。 ### 2.2 CPS 面临的挑战 CPS 的设计、开发和部署面临许多障碍，以下是一些关键问题： 1. **缺乏 CPS 标准**：科学地准确识别安全、隐私等概念的基于知识的定义和测量具有挑战性。即使确定了这些概念的上下文定义，如何进行利用和推理仍然是一个难题。例如，医生有责任维护患者医疗数据的隐私，但什么程度的关注可被视为侵犯隐私仍是个问题。 2. **缺乏验证和验证工具**：CPS 应用中可以集成无线传感器网络（WSN）和云计算范式。虽然有用于 WSN 和云计算建模和仿真的工具，但需要新的工具来完全建模 CPS，因为它们收集、分析、处理和驱动异构传感器和其他类型的数据。 3. **架构设计中的时间管理**：时间的流逝是不可阻挡的，并发是物理世界的固有属性。现代计算和网络抽象中不存在这两个属性。在 CPS 设计中，时间将是一个语义属性，而不仅仅是一个质量因素。由于异构传感器的应用和云集成，医疗 CPS 中的时间同步是一个关键问题。对于许多 CPS 应用的实时要求，时间管理对于时间同步、参考时间定义和时间缩放至关重要，同时还需考虑不同传感器的定时特性和通信方式。 4. **CPS 架构**：计算和物理动态的复杂性对 CPS 构成了巨大挑战，例如过程集成、系统结构、时间管理和数据正确性。 5. **安全保障**：系统安全应考虑三个重要方面：保密性、可用性和完整性。基于此，CPS 分为两类，一类是安全关键系统，另一类是非安全关键系统。例如，军事设备的保密性很重要，但智能家居系统更强调实时要求。CPS 的安全可大致分为三个方面：感知安全，确保从物理环境收集的信息的准确性和安全性；传输安全，防止数据在传输过程中被破坏；处理中心安全，包括工作站和服务器中的物理安全和安全程序。 ### 2.3 建模、仿真和验证 CPS 的要求 对 CPS 进行建模、仿真和验证所需的关键特征如下： 1. **异构应用支持**：由于 CPS 由不同类型的物理设备组成，任何建模和设计方法都应能够处理异构逻辑。 2. **物理建模**：物理建模环境应包含规范逻辑，便于形式验证（例如模型检查），并支持数学表达式。 3. **可扩展性支持**：统一的建模方法必须为小规模和大规模 CPS 开发提供支持。 4. **移动性支持**：为了对移动设备的移动进行建模，必须考虑移动性，包括提供合适的抽象。 5. **与现有仿真和验证工具集成**：建模环境应通过易于使用的支持与现有仿真和验证工具连接。 ## 3. 背景 当前结合与物理世界交互和计算的技术通常源于实时和嵌入式系统领域。在传统嵌入式系统架构中，传感器和执行器单元与更高级别的控制单元紧密耦合。会仔细测量每个系统级别的定时属性，以确保控制回路在时间和功能上正确执行。 过去几十年中，嵌入式系统设计取得了巨大进展。然而，随着系统复杂性和需求的增加，这种集中式和紧密耦合的架构变得有问题。相比之下，人类社会成功地弥补了这种复杂性差距。除了与物理世界交互和操纵外，人类社会也能很好地与网络世界交互。实际上，人类社会具备许多 CPS 的特征。以下是一些基本观察： 1. **全局参考时间**：是所有系统组件正确协调、通信和运行的基础，使系统组件能够与物理域同时交互。 2. **事件/信息驱动**：人类社会由事件或信息驱动，这是系统组件对物理世界的抽象。这些抽象具有生命周期属性。实时事件/信息指定物理世界的当前状态，而过时的事件/信息指定物理世界的过去状态。事件/信息本质上具有置信度属性。 3. **不同的可靠性和可信度评估**：不同的系统组件（例如人类个体）可能根据个人喜好、过去的经验和知识，为不同的输入源分配不同的可靠性和可信度值。因此，即使对于相同的输入抽象，不同的系统组件也可能产生完全不同的结果/行为。 4. **发布 - 订阅通信方案**：人类社会使用的两种基本通信方案是“发布和订阅”。任何 Web 服务客户端都可以使用全局时间参考隐式或显式地发布其对物理实体的抽象，然后感兴趣的个体可以订阅和解释这些抽象。 然而，现有的嵌入式系统技术和实时概念不足以满足未来 CPS 的需求。目前的嵌入式系统仍然遵循孤立的系统级时间，构建复杂系统时需要重新测试所有系统组件的定时属性，这是一个昂贵且耗时的过程，并且容易出错。即使为所有系统组件提供全局参考时间，问题仍然存在，因为缺乏统一的机制来量化系统组件在任何时间点的输出置信度，以及缺乏所有系统组件发布事件/信息的公共和私有通信机制，限制了系统的可扩展性。因此，需要从根本上重新考虑系统设计，包括在所有系统级别上量化置信度和通信机制，以及统一的时间抽象。 ## 4. 网络物理系统的架构分析 ### 4.1 原型架构 该架构将当前仅机器的计算模型与仅人类的计算模型统一起来，捕捉了 CPS 的基本属性。其亮点包括： 1. **全局参考时间**：由下一代网络提供，所有系统组件（包括物理设备、人类和网络逻辑）都必须接受。 2. **事件或信息驱动**：与人类社会一样，未来的 CPS 也应使用类似的通信机制。事件和信息是有区别的。事件可以是传感器单元或人类报告的原始事实（称为传感器事件），也可以是执行器单元或人类执行的动作（称为执行器事件）。信息是 CPS 控制单元或人类通过事件处理对物理世界的抽象。 3. **量化置信度**：使用统一的事件/信息模型实现这一设计目标。在该架构中，任何事件/信息应包含以下属性： - **全局参考时间**：记录事件/信息的发生/检测时间。 - **生命周期**：指定事件/信息的置信度降至零所需的时间。 - **置信度及其衰减方程**：指定事件/信息的置信度水平以及它随时间的衰减方式。置信度水平及其方程由特定设备和控制逻辑确定，为订阅者提供一种标准方法，以便在任何时间点计算订阅事件或信息的置信度。 - **数字签名和认证码**：表示谁可以发布以及谁可以订阅/访问事件或信息。 - **可信度**：表示订阅者对特定发布者的信任程度。 - **可靠性**：表示订阅者对发布者提供的事件/信息的依赖程度，以产生特定的结果/信息。 - **关键性**：表示每个事件/信息在发布时被订阅的确定性和紧迫性。通过订阅，Web 服务客户端可以访问通过此类系统可用的一组资源。 4. **发布/订阅方案**：在该方案中，CPS 的每个控制单元就像人类一样，仅根据系统目标订阅感兴趣的事件或信息。必要时也会发布事件/信息。 5. **语义控制定律**：构成 CPS 每个控制单元的核心，通常以事件 - 条件 - 动作的形式定义。通过对实时物理世界的抽象，可以根据用户定义的条件和场景非常精确地控制与环境上下文相关的系统行为。 6. **新的网络技术**：除了全局参考时间，下一代网络还应提供新的事件/信息路由和数据管理方案。每个网络节点应使用“类似发布”的方案，根据当前置信度将事件或信息传递给其相邻节点。即使此类事件或信息的置信度降至某个阈值或零，对该事件或信息的访问仍然“有效”。安全网络知识数据库服务器作为知识备份，仅在数据过期时接受数据。 ### 4.2 基于模块的架构 在 CPS 中，通信对于向控制器和执行器提供传感器观测至关重要，因此通信架构设计是系统功能的关键要求。Syed Hassan 等人提出了一种包含多个支持 CPS 的模块的架构，这些模块及其功能如下： 1. **传感模块**：主要功能是环境感知，通过传感器从物理世界收集数据并进行初步数据预处理来实现。收集的数据进一步传输到数据管理模块（DMM）。根据部署的网络性质，该传感模块支持多个网络。例如，在 WSN 中，每个传感器节点都配备有传感模块以进行实时传感。在其他场景中，其他网络节点也可以部分使用该模块。在车辆网络物理系统（VCPS）中，车载自组织网络（VANET）节点（即汽车）可以配备传感模块以从物理世界收集数据。在医疗 CPS 中，使用体域网（BAN，一种可穿戴计算设备的无线网络），附着在患者身体或衣服上的传感器配备有传感模块节点，以实现实时监测和控制。 2. **数据管理模块（DMM）**：由计算设备和存储介质组成。该模块提供异构数据处理，如归一化、数据存储、降噪等功能。数据管理模块作为动态环境和服务之间的桥梁，它从传感器收集感知数据，并使用下一代互联网将数据转发到服务感知模块。 3. **下一代互联网**：新兴的下一代互联网的一个共同特点是应用程序能够动态选择数据包在源和目的地之间的路径。设计 CPS 需要互联网服务的这种动态性质。在当前的互联网架构中，路由协议找到源和目的地之间的单一最佳路径，而未来的互联网路由协议需要为应用程序提供多种路径选择。服务质量路由无法扩展到当前互联网的规模，它只是为应用程序提供满足其需求的路径。下一代互联网服务试验预计将包括正在进行的项目，如 IPv6、利用 802.16n 和 802.16p。 4. **服务感知模块（SAM）**：提供整个系统的典型功能，包括任务分析、决策制定、任务调度等。接收到感知数据后，该模块识别并将数据发送到可用的服务。 5. **应用模块（AM）**：在该应用模块中部署了许多服务，并与下一代互联网进行交互。同时，为了支持服务质量（QoS），信息被保存在安全数据库中。同时使用本地存储和云平台来维护数据库，以确保数据安全。可以使用 NoSQL 概念来保存数据。尽管 NoSQL 系统有各种不同的功能，但有一些共同之处。首先是分布式数据存储，许多 NoSQL 系统管理分布在多个站点的数据。通过认证访问，可以从任何地方访问保存在云系统中的这些数据。 6. **传感器和执行器**：传感模块和执行器是与物理环境交互的两种不同电子设备。执行器可以是一些物理设备，如灯、水泵或汽车，它接收并执行来自应用模块的命令。安全保障部分在整个系统中至关重要，从访问安全到数据和设备安全。CPS 安全在不同场景中有不同的要求。例如，在车辆 CPS 或医疗 CPS 中，更强调实时要求，但在军事应用中，最重要的特征是数据的保密性。CPS 的安全可以分为以下三个阶段： - **感知安全**：确保从物理环境收集的信息的准确性和安全性。 - **传输安全**：防止数据在传输过程中被破坏。 - **物理安全**：确保服务器或工作站中的安全程序。 反馈感知是一种高级服务，可通过传感器和执行器之间的通信直接执行所需的操作，从而减少数据处理。 ### 4.3 通信拓扑和应用场景 #### 4.3.1 通信拓扑 传感模块向数据管理模块（DMM）发送关联请求，DMM 回复确认包。关联完成后，节点开始向 DMM 传输感知数据。然后进行降噪和数据归一化。通过服务质量（QoS）路由，使用下一代互联网的服务将数据传输到服务感知模块。在应用模块中，将可用服务分配给不同应用。在每个网络操作期间，数据存储在本地存储中，并发送到云平台以确保数据的安全性和完整性。 #### 4.3.2 应用场景 考虑该架构的部署场景，其中各种传感器用于收集数据，而各种执行器可以改变环境。假设传感模块将感知数据 S1 发送到 DMM，DMM 将数据转发到服务感知模块，并将其存储在本地存储中。服务感知模块识别并分配一个确切的应用 A1 以响应数据 S1。现在，应用模块中的 A1 与相关执行器进行通信。同时，应用模块将 S1 和 A1 之间的关联信息（S1A1）发送到服务感知模块，最重要的是发送到 DMM。DMM 在本地存储中管理和维护数据及其关联应用。未来，当 DMM 收到类似数据时，它将直接将数据发送到应用模块，而不是转发到服务感知模块。然后，应用模块向执行器发送所需的动作请求。以下是具体的应用场景： 1. **车辆场景**：在车辆 CPS 中，假设车辆连接到路边单元，路边单元可以访问提供不同服务的下一代互联网基础设施。在不久的将来，几乎每辆车都将配备不同的执行器，如灯光、刹车、速度控制等。该架构适用于对这些执行器进行实时控制。服务感知模块提供不同服务中的最佳应用，使通信和控制更加高效。例如，在遇到行人时，灯光应自动打开；在前方道路损坏时，应自动刹车；在拥堵时，GPS 应自动更新最佳最短路径。 2. **农业场景**：以温室场景为例，在温室技术中，由于作物种类繁多，需要控制更多参数。随着农业技术的发展，这些参数不断增加。在这种情况下，带有额外硬件和软件的无线传感器网络是温室控制的有效解决方案。未来可以通过该架构实现实时控制。在消费者接收温室配置后，这种反馈感知使网络能够高效地控制不同服务，如浇水、湿度、植物健康监测等。 3. **医疗场景**：主要关注患者安全和医院责任。医疗 CPS 期望提供多种服务，例如患者护理管理、实验室标本的实时跟踪、防止患者处于危险中（例如防止患者走失）或在紧急情况下提醒工作人员患者的位置，以及监测可能使患者面临严重风险的设备暴露情况。可以通过在患者身上安装 BAN 传感器和执行器以及在医院建筑物内安装 WSN 来实现。数据管理模块和服务感知模块可以实现实时监测和控制。服务感知模块在提供服务质量监测方面也起着重要作用。在设计医院系统时，敏感应用应排在最高优先级。 ### 4.4 基于服务的架构 Chenguan Yu 等人提出了一种在 CPS 中引入应用重建框架和租赁协议的架构，以确保应用的适应性和可用性。租赁协议的原子性保证应用要么获得所有请求服务的租赁，要么得不到任何租赁。未获得所有请求服务租赁的应用将由应用重建框架重新构建，以确保应用能够及时启动。 面向服务的架构可用于描述、管理和组合 CPS 中的物理设备。物理设备可以抽象为服务，因此 SOA 技术（如服务发现、服务组合）可以应用于 CPS。与传统的互联网应用相比，CPS 的应用有一些新的特点和要求。服务提供者可能是计算能力较差的物理设备，具有一些状态和特征。这些物理设备可能一次只被一个服务消费者使用。CPS 的应用可能同时使用多个物理设备。一些应用是关键系统，应及时运行。如果其他应用正在使用该设备，则使用该设备的关键系统不能立即运行，这可能会很危险。例如，在儿童监测系统中，如果儿童处于危险中，该系统应呼叫他们的父母。如果儿童处于危险中，而他们的父母正在打电话，儿童监测系统就无法通知他们的父母，这将导致严重后果。 #### 4.4.1 重建应用 应用在运行前必须获取所有资源。如果应用使用的资源正在被其他应用使用，该应用应及时运行。如果应用是安全关键应用，这将很危险。例如，压力检测系统，如果压力高于正常值，应关闭进水阀直到压力恢复正常。如果压力高于正常值，而进水阀正在被其他应用控制，压力检测系统就无法通过关闭进水阀来减压。如果压力检测系统直到阀门释放才运行，管道可能会破裂。在这种情况下，需要重建压力检测系统，例如，压力检测系统可以通过打开出水阀来减压。 应用重建框架包括以下模块： - **重建检测模块**：用于找出应重建的应用，并通知重建管理模块。 - **服务故障检测模块**：用于找出正在使用的故障服务。 - **重建管理模块**：用于重建应用。 - **分析模块**：使用类型检查工具和语义分析工具检查重建后的应用是否与旧应用相同。 应用重建过程如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px A([初始]):::startend --> B(开始):::process B --> C(运行):::process C --> D{服务是否可用?}:::decision D -- 是 --> E{找到合适服务?}:::decision E -- 是 --> F{重建应用是否符合要求?}:::decision F -- 是 --> G([成功重建]):::startend F -- 否 --> C E -- 否 --> H{尝试次数是否超过最大次数?}:::decision H -- 是 --> I([重建失败]):::startend H -- 否 --> C D -- 否 --> C ``` 许多基于服务的系统的服务描述包含领域知识，并支持服务的自动选择。语义服务为发现合适的服务提供了有效的支持。Kalasapur 提出了一种动态服务组合框架，可根据语义信息自动构建满足客户需求的应用。引入的租赁协议保证应用要么获得所有请求服务的租赁，要么得不到任何租赁。 在应用运行过程中，如果正在使用的服务出现故障，应用将中断。在 CPS 中，有许多具有类似功能的资源。可以找到一个新的服务来替代故障服务，以确保应用成功运行。当服务 A 不可用时，代理将消息发送到服务故障检测模块，然后该模块将消息发送到重建管理模块以找到具有相同接口的新服务。代理将重定向到新服务并发送请求消息。如果没有具有相同接口的服务，将激活故障处理模块，并向用户发送警告。 租赁协议规定，如果服务消费者想要访问服务，首先发送租赁请求，服务提供者可以接受或拒绝。租赁到期后，如果服务消费者仍然想使用该服务，必须再次租赁。该架构使用租赁协议确保应用在运行前获取所有资源。如果某些服务拒绝应用，架构将重建应用以确保其及时运行。以水资源监测 CPS 为例，该系统可以通过全面、快速和精确地监测水质来避免灾难。如果检测到水污染，系统将关闭进水阀，以防止污染的水被市民使用。如果进水阀出现故障，系统无法关闭进水阀，将导致严重后果。使用上述架构可以重建应用，通过关闭出水阀避免严重后果。 ### 4.5 面向服务的架构 Peng Wang 等人提出了一种 CPS 的面向服务架构（SOA），该架构将 CPS 分为四层： 1. **服务实现层**：作为该架构的基础块。服务实现的具体细节对服务用户隐藏，服务提供者可以使用各种技术来实现相同的服务接口。每个 CPS 服务实现包含传感 - 执行单元、通信单元和计算控制单元。传感单元监测物理世界，并通过通信单元将监测信息传输到计算单元。计算单元确定策略并将其发送到控制单元。控制单元通过通信单元向执行单元发出指令，以控制物理过程。 - **传感 - 执行单元**：包括执行器、传感器和终端计算模块。传感器监测物理实体和物理环境，执行器控制物理过程。终端计算模块包含执行器的基本执行规则，具有较小的实时数据存储容量。 - **通信单元**：通过融合 2G、3G 和 4G 提供无处不在的通信机制。它还涉及异构网络集成、通信安全、通信质量和实时交互。 - **计算控制单元**：包含计算单元和控制单元。计算单元将连续域和离散域合并为一体。控制单元实现严格的时空管理。云计算中心和知识库可以支持该单元确定的策略。 2. **服务抽象层**：定义了外部访问的服务功能以及如何访问这些功能。该层隐藏了服务功能的实现细节。还涉及服务描述、服务注册、服务发现和服务质量（QoS）。具体来说，它描述了接口的特征、操作的可用性、数据类型、参数和访问协议。通过该层，外部模块或服务了解 CPS 服务可以做什么、如何找到它、如何交换消息、如何调用它以及可以获得什么返回结果。特别是，CPS 服务描述中必须存在物理属性（例如物理实体的时间和空间属性），因为服务实现层包含物理单元（计算单元和控制单元），没有时间和空间信息的监测信息是没有意义的。该层存在两种类型的服务： - **业务服务**：是业务流程的一部分，是业务需求的细粒度子流程。它自动完成特定的业务任务，并在不同的业务流程中重用。包括两种类型：业务功能服务和通用服务。业务功能服务与某些业务领域相关，例如智能交通系统（ITS）中的实时定位、驾驶员监控和远程报警。通用服务可以在不同的业务领域中使用，例如通用算法、数据转换等。 - **基础设施服务**：是 CPS 服务标准化集成的基础。它涉及空间约束、时间同步、服务管理、通用技术、访问适配器和交互服务。时间同步和空间约束确保在多个尺度上混合物理单元和网络单元时满足时间和空间条件。通用技术为开发、交付和维护 CPS 服务提供技术基础设施，以及安全、性能、可用性等能力。访问适配器将遗留系统的可用资源转换为单个业务服务。服务管理用于监控 CPS 服务的状态，并为异常情况提供支持，例如服务级别协议（SLA）、容量规划、原因分析等。交互服务用于安排 CPS 服务的接口，不仅用于人机交互，还用于智能设备。 3. **业务流程层**：该层涉及多个业务流程，每个业务流程由遵循规则的 CPS 服务组成。由于大量细粒度的 CPS 服务会导致成本高昂且效率低下，因此需要建立这样一个适当复杂且可靠的层。该层还包括服务组合、服务协作、服务替代和时空约束。 4. **应用层**：包含许多行业应用，这些应用由业务流程组成，它们相互协作以实现更高级别的业务目标。与业务流程层相比，该层更注重通过结合不同行业的专业知识和业务模型来集成各种应用需求。 ### 4.6 以名称为中心的架构 面向服务的架构（SOA）的主要目标之一是实现通过网络连接的大量计算机和服务编排的轻松协调。然而，在无线传感器网络（WSN）和 CPS 中应用 SOA 仍然是一项具有挑战性的任务。因此，对于像连接到云的 WSN 这样的大型 CPS 的开发和设计，SOA 尚未成为一种不可或缺的技术。一个限制问题是服务的注册和发现。 在大型 CPS 中，服务发现很繁琐。这主要是因为服务通常在语义上与应用功能或区域相关联，而 SOA 使服务端点基于节点地址。此外，目前 SOA 技术未用于传感器节点内部和之间的服务组合。而且，WSN 和后端访问服务的方法不同，因此 WSN 和云的服务开发差异很大。为了克服这些限制，Hellbrueck 等人提出了一种以名称为中心的 CPS 服务架构，其基础如下： 1. **使用统一资源名称（URN）代替统一资源定位符（URL）**：以提供以服务为中心的架构，而不是以服务或位置为中心的网络。 2. **使用 CCNx 协议**：作为该架构的基础，它支持位置和访问透明性。 3. **采用 CCN - WSN**：作为 WSN 的资源高效轻量级实现，为 CPS 构建基于名称的服务总线。 虽然 SOA 是一种基于高级编程范式构建分布式应用的强大方法，但在无线传感器网络（WSN）或更广泛的 CPS 中实现它仍然很困难。SOA 的一般思想是系统中的任何节点提供的服务都可以通过服务抽象来实现。然而，SOA 解决方案通常对普通传感器和执行器来说资源消耗过大。除了整个 CPS 环境的复杂性（包括节点的移动性、网络的异构性或系统节点数量的规模）之外，使用 SOA 仍然非常困难。在 CPS 中引入 SOA 的一个主要问题是服务注册和发现。在传统的 SOA 方法中，服务端点与地址和/或位置绑定。虽然这在后端系统（例如基于云的系统）中很有用，但在现实世界部分，数据和通过服务对其的访问比节点本身及其地址重要得多。服务用户通常不关心哪个传感器节点提供特定的数据集，而是更喜欢提出高级问题，例如“给我区域 x 的平均温度”。这需要一种集成的方法来实现服务访问和现有服务组合成新的更强大的服务。目前，在 WSN 和后端系统（云）中还不存在透明的服务访问方法，并且怀疑这种方法是否应该基于传统的基于地址的 SOA 方法。因此，认为在 CPS 中采用以内容/数据为中心的服务注册和发现方法可以解决目前遇到的许多问题。该架构研究了如何使用以内容为中心的网络技术来实现易于使用和基于 SOA 的 CPS 编程范式的愿景。该架构基于服务总线，允许透明地访问 CPS 中的服务，而不管服务位于云还是 WSN 中。 ## 5. 从架构角度看 CPS 的应用 CPS 的优势，如效率和安全性，为其应用开辟了广阔的前景。CPS 允许各个系统协同工作，形成具有新能力的异构系统。CPS 可以应用的广泛领域包括下一代交通、医疗、农业、社交网络和游戏、制造业、替代能源、环境控制、关键基础设施控制、远程医疗、辅助生活、汽车、航空和国防等。关键基础设施包括供水（包括存储、处理、废水、运输和分配）、天然气生产（包括分配和运输）、石油产品（包括生产、分配和运输）、电力生产（传输和分配）和电信等设施，这些对于社会和经济的正常运行至关重要。以下是一些具体应用及其关键要求： ### 5.1 车辆 CPS 随着个人车辆数量的增加，空气污染、交通拥堵和安全问题等受到更多关注。下一代交通系统将广泛应用先进的传感和计算能力，如汽车控制、铁路和空中交通，以提高安全性和吞吐量。 车辆网络物理系统（VCPS）不是一个新概念。VCPS 有助于实现广泛的综合交通管理系统，这些系统应高效、准确且实时。基于计算机、传感器、网络和电子等现代技术，传统交通模式正朝着更加智能化的方向发展。国家自动公路系统联盟（NAHSC）致力于研究 VCPS 并开发独立的高速系统“自动公路系统（AHS）”，旨在实现更智能、更安全的交通。麻省理工学院的学生开发了 CarTel 项目，这是美国国家科学基金会（NSF）支持的项目之一。CarTel 项目结合了无线网络、移动传感和计算以及在云服务器上运行的数据密集型算法，以应对这些挑战。CarTel 帮助系统应用轻松收集、处理和交付结果，然后分析和可视化来自移动单元上传感器的数据。CarTel 项目在交通缓解、路面监测和危险检测、车辆网络等方面做出了贡献。 交通系统的主要特征包括感知、通信、计算、控制和服务。Yongfu 等人基于这些特性提出了一种用于交通 CPS 的 SOA。该架构强调交通物理系统和交通网络系统的紧密融合，为下一代智能交通系统（ITS）奠定了基础。传统交通系统是无处不在的时空、强耦合且大规模的非线性复杂系统，期望实现全面协调和优化，将人类与车辆、交通和道路条件集成。由于这些系统内部缺乏广泛的互连、互通和互操作性，这些期望尚未实现。 该架构遵循 3C 技术，即计算、通信和控制，以集成网络组件和物理组件，通过网络系统和物理系统之间的交互和反馈，充分体现了网络世界和物理世界的深度融合。其核心思想是将交通物理对象和系统状态的信息传输到网络系统，然后基于计算、通信和控制技术的融合集成网络组件和物理组件，通过物理系统和网络系统之间的交互和反馈，在对交通物理对象进行准确认知的基础上，实现交通系统的信息通信、系统协调和最优决策控制。 该架构分为五层，各层功能如下： 1. **感知层**：由一些传感器节点和收集节点组成。负责从物理世界感知一些物理属性，主要包括车辆和基础设施。感知是交通 CPS 的基础。 2. **通信层**：由一些通信站和网络节点组成。其职责是将感知到的原始数据传输到信息中心，同时确保车辆与车辆（V2V）、车辆与路侧单元（V2R）和路侧单元与服务器（R2S）之间的可靠通信。关键在于如何保证高度可靠和有效的传输。 3. **计算层**：由于交通 CPS 包含大量交通数据信息，并且物理系统和网络系统之间存在交互和反馈，因此对分析和仿真有实时性能要求。这对交通 CPS 计算层的计算能力和存储容量是一个挑战。 4. **控制层**：交通 CPS 的一个目标是增强交通物理系统的控制能力。基于大量有效的交通信息，交通 CPS 可以提供科学的控制算法，并通过执行器将指令传输到控制节点或在紧急情况下发送警告信号，以对交通物理系统进行精确控制。然而，如何确保交通 CPS 的鲁棒性和稳定性是实现满意控制性能的关键问题。 5. **服务层**：交通 CPS 可以获取关于对象、工具和基础设施的大量信息。因此，它将为用户终端提供实时交通信息服务。这项服务具有非常重要的实际意义。然而，主要挑战在于感知和传输过程。如何在提高交通信息发布的准确性和及时性的同时，有效处理信息的不完整性和不确定性。 ### 5.2 医疗 CPS 在 CPS 中，主动用户输入（如患者健康分析的数字记录、智能反馈系统）和被动用户输入（如生物传感器和其他智能设备）的集成可以支持在医疗环境中进行准确有效的决策的数据采集。然而，这种决策系统和数据采集的结合在医疗应用中仍有待深入研究和探索。CPS 在医疗场景中的应用包括引入自适应和自主设备的互操作性、协调以及利用计算和控制管理医疗物理系统的新概念、可编程材料、小型化可植入智能设备、体域网（BAN）和新的制造方法。 医疗 CPS 面临的挑战如下： 1. **软件可靠性**：软件是医疗设备的重要组成部分，确保设备功能以及医疗设备与患者之间的正确协调。因此，医疗系统的安全性和效率完全依赖于开发良好、设计合理和管理得当的软件。 2. **医疗设备互操作性**：各种医疗设备可能具有不同的通信接口。因此，需要一个维护良好的管理系统，以安全和认证的方式集成异构医疗设备。 3. **数据提取**：医疗设备从患者收集多个生理参数。这些参数性质各异，除了患者的一般信息外，还可以提供对未来疾病的早期预测，并有助于避免紧急情况。然而，设计一个能够从患者提取复杂生理参数的系统是一项具有挑战性的任务。 4. **安全和隐私**：收集的患者数据需要高度的隐私保护，因为非法使用患者的私人数据可能会损害声誉，导致精神不安和滥用，进而引发进一步的身体疾病。因此，这是医疗 CPS 的首要要求。 5. **系统反馈**：开发反馈系统对于医疗 CPS 至关重要，因为设计稳定性需要一个适当的反馈系统。医疗 CPS 具有一个完美的反馈系统，智能报警系统可以在任何紧急情况或可能的疾病发生时通知护理人员。然而，下一代报警系统必须解决诸如生理参数类型、实现能力和系统复杂性等挑战。从广泛的可能疾病中选择正确的参数以识别特定疾病是一项具有挑战性的任务。任何复杂性都不应妨碍反馈系统的效率。 6. **复杂查询处理**：电池供电的无线传感器由于存在异构生物传感器，面临低能耗和处理能力有限的挑战，因此复杂查询处理变得困难。复杂查询处理可以减少传输数据量和上下文感知预测。访问多个生理参数可以使复杂查询预测患者可能的疾病。然而，这种方法需要复杂的计算技能和设计。 未来，医疗 CPS（HCPS）将取代传统的独立工作的医疗设备。通过使用传感器改进各种医疗设备并将它们联网协同工作，可以实时监测患者的身体状况，特别是对于处于危急状态且需要时刻监测的患者（如心脏病患者）。患者携带的便携式终端设备可以实时检测患者的状况，并提前发送及时的预测或警报。此外，医疗设备与实时数据传输的协作将为患者带来更多便利。 Insup Lee 和 Oleg Sokolsky 介绍了高度可信的医疗 CPS 系统的发展和问题，包括新功能开发对软件的依赖、对网络连接的需求以及对患者持续监测的要求，并分析了医疗 CPS 的未来发展。对于医疗设备互操作性问题，Cheolgi Kim 等人引入了一个通用框架：网络感知监督系统（NASS），该系统将医疗设备与使用真实网络的临床互操作性系统集成。该框架提供了一个开发环境，在该环境中可以基于强大和理想网络的假设开发医疗设备监督逻辑。考虑到医疗应用的特殊性，在设计医疗 CPS 时将考虑更多特性，如实时性、网络延迟和更高的安全要求。 ### 5.3 农业 CPS 20 世纪 80 年代初，人们期望从传统农业（由信息技术支持）向现代农业（实施全面的现代农业管理策略和技术）实现农业的精确化。精准农业的设计包括农田的基本地理信息、生产实验的数据管理、微气候信息等数据。 内布拉斯加大学林肯分校的网络物理网络实验室开发了“地下无线传感器网络”项目，Agnelo R. Silva 等人开发了一种新颖的 CPS，将中心枢轴系统与无线地下传感器网络集成，称为用于精准农业的 CPS²。无线地下传感器网络（WUSNs）由通过土壤无线通信的地下传感器节点组成。这些实验结果表明，CPS² 的概念是可行的。使用商用无线传感器节点可以进一步提高其可靠性。CPS 与精准农业的这种集成是 CPS 的典型应用之一。 ### 5.4 其他应用场景 - **汽车领域**：由于非常复杂的交通控制算法（例如根据交通情况计算最佳路线），汽车行业的 CPS 需要高计算能力。 - **环境领域**：在森林、河流和山脉等分布广泛且多样的地理区域中，CPS 必须在长时间内无需人工干预且以低能耗运行。在这样的环境中，真正的挑战是以低功耗实现准确和及时的数据收集。 - **航空国防领域**：航空和国防领域的 CPS 需要高安全性、精确控制和高计算能力。在这个领域，主要挑战将是开发安全协议。 - **关键基础设施领域**：用于水资源管理、能源控制等的 CPS 需要精确和可靠的控制，这导致了应用软件开发方法的发展，以确保软件的质量。 ## 6. 结论 目前提出的各种 CPS 架构能够满足不同领域中已确定的 CPS 需求和特点，同时统一了当前仅人类的计算模型和仅机器的计算模型。然而，CPS 仍面临许多开放的研究挑战。例如，如何制定发布/订阅方案？如何在大规模异构系统中提供全局参考时间？如何指定形式化的事件或信息模型？如何利用事件或信息的生命周期实现网络路由？知识数据管理和调度也是其他挑战，而安全保障对任何系统都是一个挑战。未来需要进一步研究和解决这些问题，以推动 CPS 的发展和应用。 ### 5. 从架构角度看 CPS 的应用（续） #### 5.1 车辆 CPS（续） 为了更清晰地展示交通 CPS 架构各层之间的关系和数据流向，我们可以用 mermaid 流程图表示： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(感知层):::process --> B(通信层):::process B --> C(计算层):::process C --> D(控制层):::process D --> E(服务层):::process E -->|反馈| A ``` 这个流程图展示了数据从感知层开始，依次经过通信层、计算层、控制层，最终到达服务层，并且服务层的反馈信息又回到感知层，形成一个闭环系统。 同时，我们可以用表格总结交通 CPS 各层的功能和挑战： | 层次 | 功能 | 挑战 | | --- | --- | --- | | 感知层 | 从物理世界感知车辆和基础设施的物理属性 | 确保传感器的准确性和可靠性 | | 通信层 | 将原始数据传输到信息中心，保证 V2V、V2R 和 R2S 通信可靠 | 保证高度可靠和有效的传输 | | 计算层 | 对大量交通数据进行实时分析和仿真 | 提高计算能力和存储容量 | | 控制层 | 提供控制算法，精确控制交通物理系统 | 确保系统的鲁棒性和稳定性 | | 服务层 | 为用户终端提供实时交通信息服务 | 处理信息的不完整性和不确定性 | #### 5.2 医疗 CPS（续） 医疗 CPS 面临的挑战可以用列表进一步细化操作步骤来应对： 1. **软件可靠性** - 采用严格的软件开发流程，包括需求分析、设计、编码、测试和维护。 - 进行代码审查和静态分析，及时发现和修复潜在的软件漏洞。 - 建立软件版本管理系统，确保软件的可追溯性和稳定性。 2. **医疗设备互操作性** - 制定统一的通信接口标准，确保不同医疗设备之间能够相互通信。 - 建立设备管理系统，对医疗设备进行注册、配置和监控。 - 进行设备兼容性测试，确保设备在集成环境中能够正常工作。 3. **数据提取** - 设计合理的数据采集方案，确保能够准确收集患者的生理参数。 - 开发数据预处理算法，对采集到的数据进行清洗和转换。 - 建立数据仓库，对患者数据进行存储和管理。 4. **安全和隐私** - 采用加密技术对患者数据进行加密处理，确保数据在传输和存储过程中的安全性。 - 建立访问控制机制，限制对患者数据的访问权限。 - 定期进行安全审计，及时发现和处理安全漏洞。 5. **系统反馈** - 设计合理的反馈机制，确保系统能够及时响应患者的生理变化。 - 开发智能报警算法，根据患者的生理参数自动发出警报。 - 进行用户培训，确保医护人员能够正确使用反馈系统。 6. **复杂查询处理** - 优化查询算法，提高查询处理效率。 - 采用分布式计算技术，提高系统的处理能力。 - 建立数据索引，加快数据检索速度。 #### 5.3 农业 CPS（续） 农业 CPS 中 CPS² 的应用可以用 mermaid 流程图展示其工作流程： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(地下传感器节点):::process --> B(无线通信):::process B --> C(中心枢轴系统):::process C --> D(数据分析与决策):::process D --> E(控制执行):::process E -->|反馈| A ``` 这个流程图展示了地下传感器节点收集数据，通过无线通信传输到中心枢轴系统，经过数据分析与决策后进行控制执行，并且控制执行的结果反馈到传感器节点，形成一个闭环的精准农业控制系统。 #### 5.4 其他应用场景（续） 我们可以用表格总结其他应用场景的特点和挑战： | 应用场景 | 特点 | 挑战 | | --- | --- | --- | | 汽车领域 | 复杂的交通控制算法，需要高计算能力 | 开发高效的算法和提高计算资源利用率 | | 环境领域 | 分布广泛且多样的地理区域，低能耗运行 | 低功耗下的数据准确收集和传输 | | 航空国防领域 | 高安全性、精确控制和高计算能力要求 | 开发安全可靠的控制和通信协议 | | 关键基础设施领域 | 需要精确和可靠的控制，确保软件质量 | 开发高质量的应用软件开发方法 | ## 6. 结论（续） CPS 作为网络世界与物理世界深度融合的系统，在多个领域展现出了巨大的应用潜力和价值。目前提出的各种架构为不同领域的 CPS 应用提供了有效的解决方案，满足了相应的需求和特点，并且统一了人类和机器的计算模型。 然而，CPS 的发展仍面临诸多挑战。在技术层面，发布/订阅方案的制定、全局参考时间的提供、形式化事件或信息模型的指定以及利用事件生命周期实现网络路由等问题，都需要进一步的研究和创新。在管理层面，知识数据的管理和调度需要更高效的方法和策略。而安全保障始终是 CPS 发展过程中不可忽视的重要方面，需要不断完善安全机制和协议。 为了推动 CPS 的进一步发展和广泛应用，未来需要跨学科的合作，整合计算机科学、控制工程、通信技术等多个领域的知识和技术。同时，加强产学研用的结合，促进科研成果的转化和应用。只有这样，才能克服 CPS 发展中的各种挑战，实现 CPS 在更多领域的成功应用，为社会和经济的发展带来更大的效益。 总之，CPS 是一个充满机遇和挑战的领域，值得我们持续关注和深入研究。通过不断的努力和创新，相信 CPS 将在未来的科技发展中发挥重要作用，改变我们的生活和工作方式。