CPS中的数据管理关键技术讲课稿

信息物理融合系统（CPS）中的数据管理关键技术1 信息产业发展的新趋势－CPS

自二十世纪六十年代以来，电子技术，计算技术和网络技术等取得了飞速发展，特别是网络技术的革新成为了这场方兴未艾的伟大IT革命的重要动力源泉。网络的规模及其新应用领域正日益得到扩展，其最引人举目的是新网络技术和物理设备系统的结合。随着传感器、嵌入式计算设备或终端、高性能通信设备、各种消费类和工程类电子设备等物理设施的大量接入，新型计算机化和网络化的物理设备系统网络的规模得以急剧膨胀。同时，随着国家大型电力网络、航空航天交通控制网络、高速公路交通控制网络、卫生防疫应急响应网络、远程医疗与社区医保网络、海洋搜寻与救援网络等大型或者特大型网络物理设备系统的蓬勃发展，以及网络家电、汽车引擎智能网络控制系统、心房脉冲产生器、纳米级制造控制系统等小型或者微型网络物理设备系统的出现，突破了传统物理领域中的网络应用形式，使得用联网计算方式来整合物理系统和计算系统以实现物理设备的功能扩展成为物理系统发展的新趋势，并由此导致出现了新一代的并由此导致出现了新一代的工程系统：信息物理融合系统（Cyber—physical Systems，CPS）。CPS网络在工业生产与国民经济生活中的基础性、全局性作用正日益增强。

2 什么是CPS

CPS，从广义上来理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制物理实体。CPS的终极目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式[1]。

新的信息世界观认为现代世界是由物理世界、信息世界和人类社会所组成的三元世界。人－机－物三元世界[2]（如下图1所示）是一个多人、多机、多物组成的动态开发的网络世界。从交互的角度来看，融合了信息世界和物理世界的CPS改变了我们人和物理世界交互的方式，正如Internet改变了我们彼此之间的交互方式一样。CPS这种新方式所完成的是物理设备系统的“三化”：信息化、网络化和智能控制化。因此，从本质上来理解，CPS实际上是一个“3C”（Computation, Communication and Control）融合系统，体现了信息科学，物理科学，控制科学和系统科学的交叉与融合，它以信息处理任务为核心，计算部件完成计算功能，并通过高性能通信网络完成数据通信，通过开放的大规模循环控制实现对物理实体的监测与控制，其体现的“3C”概念模型如图2所示。从结构上来看，CPS系统需要包括这样几个部分：（1）传感器，用于感知物理世界的信息；（2）控制器/执行器，用于实施对物理实体的操作；（3）计算部件，可能是集中式的也可能式分布式的，能根据物理信息做出恰当的处理与分析，并做出控制/执行策略；（4）通信网络，用于连接以上各个单元以及相关的信息、对象、事件和人物，网络的规模式是大规模甚至于全球级的互联。从

功能上来看，CPS具备五大功能特性：（1）计算功能；（2）网络通信功能；（3）精确控制功能；（4）远程协作功能；（5）自治功能。

3 CPS中数据的新特征

如前所述，CPS的终极目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，并改变我们和物理世界的交互方式，其基本形式都是通过在物理系统的物理部件中引入计算部件和网络通信部件，并使得计算进程和物理进程进行实时交互来增强物理设备的功能或者增添物理设备新的功能[3—5]。由此，CPS系统中的数据应具有五个关键特征：

（1）异构性：CPS系统网络支持多种异构网络互联和支持多种复杂的异构应用系统集成，因而涉及到多种多样的异构数据。例如从数据本身的属性来看，有描述物理不同特征的数据；从数据的基本格式来看，有数据格式、科学文本格式以及XML格式等；从数据的结构来看，有结构化数据、半结构化数据和非结构化数据等；从数据语义来看，有采集的底层原始数据和数据聚合后的高层概括性数据等。

（2）动态性：描述CPS实体的数据具有显著的动态性。数据的动态性主要表现在三个方面：一是CPS系统网络中物理设备的加入、删除和移动等情况，导致数据处于不断动态变化中；二是CPS系统网络中的数据是上下文相关的，即具有情景相关性；三是CPS系统的功能和显著特点是通过物理实体和计算实体的交互表现出来的，因而CPS的物理设备之间以及物理进程与计算进程之间具有紧密交互的特征，这种紧密交互行为也导致数据处于不断动态变化中。而数据的动态性则会进一步导致部分数据存在不确定性。

（3）实时性：大多数CPS系统的建立为了支持实时应用，如实时观测、实时监控、实时控制和实时预测等，以便及时了解物理设备的现况，通过网络化控制手段对物理设备和环境进行必要的控制和干预。因此，CPS数据处理必须满足实时需求，保证在限定的时间内给出正确的处理结果。

（4）海量性：CPS系统网络有数亿或者数十亿个物理设备彼此连接和整合而成的动态网络，这些数量庞大的智能设备进行实时数据采集和彼此之间信息交互，产生巨大的数据量。例如用CPS技术实现的智能交通系统中，可能在一辆汽车中需要处理的由各个传感器节点所采集的实时数据就会达到海量的程度。因此，海量数据处理的需求会变得非常普遍。

（5）可信性：由于CPS系统网络的复杂性，系统中存在许多不可预知的因素，这些不可预知的因素所产生的数据不确定性将影响数据处理的各个阶段，包括数据采集、数据传输、数据加工和数据反馈等，尤其是在数据加工处理的聚集计算、查询处理、数据分析中更需要保证数据处理的可信性，对可能出现的错误或者系统故障，应具有容错能力，保证数据处理结