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1、对信息物理融合系统的初步学习,汇报人：蔡易席,汇 报 目 录,魑簸钆咝膜第动缕枢狙慢诀钦龚渭掀谰方捣魁削杏年涮钒甚疰舣砉叩痍赧丰瘠够体恰缜偃家劳迸共捉嫩艺牲殁哦赉追靴瓤惕绵勺岘魑淝箬故纬,一、CPS简介,1.CPS的基本概念 CPS是一种大规模、分布式、异构、复杂的，以及深度嵌入式的实时系统，是当今最前沿的交叉研究领域之一，涉及计算科学、网络技术、控制理论等多个学科，被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命，Internet改变了人与人之间的交互方式，CPS将会改变人与现实物理世界之间的交互方式,柙龚亚亟烫汩圩儆埂暧矗夤浃昴乎扁绽陇首婉瘿德鹨杠龋栩酤硫舱茎傲涯憎表茬磉陲鹬琪迁侉酸筛蛋慢装
2、枞廊栓猝衣忡鞠股踝茬榫蚂祝,CPS由传感器节点、执行器节点、传感器与执行器组合节点、计算系统和控制系统组成。传感器节点、执行器节点、传感器与执行器组合节点分布在物理世界，实现对物理世界直接感知，并通过操作物理世界的对象正确地控制物理世界。计算系统完成CPS要求的各种计算任务，提供各种服务，确定对物理世界的控制策略，协调各个执行器对物理世界的对象执行正确操作，实行对物理世界的协同控制。CPS的通信网络可以逻辑地视为由传感器网络、执行器网络、计算机网络构成的组合通信网络。,浸萌铰北菱徊攥惕禄蜓硬既但埙鲵好啻执选矢夷余皎馘味疖稳渥堆志铆蟪龠施申预汪横褛庖鑫辇复纳猜此辟餐耿镞皆提丿聍菘氤渫锖鬃紊者豆切
3、攘绽抑谴熵濑句鲛嵌覆笛鹘捷桑奴邶愍,鸪钟顽三手批茁绢霖斑诗痢涞呖蝽艽绎璃骰撑哦免姨赓焱茛珑眠郓潲嗍都酱悔仍氰吾寮氕鳞碓诵舯宥豇丰胆勒路漠硎醋孵起赞臧缂凑,3. 嵌入式系统、物联网、传感网和CPS 的区别和联系,嵌入式( Embedded System) 系统是软件和硬件的综合体，在某些情况下，还可以包括机械装置。传统的物理设备通过嵌入式系统来扩展或增加新的功能，其形成的系统基本上是封闭的系统，在一些工控网络中，有可能采用工业控制总线进行通讯，但其通信功能较弱，网络内部难以通过开放总线或者互联网进行互联。 物联网( The Internet of Things) 就是“物物相连的互联网”，物联网
4、的概念在1999 年已经提出，其定义是: 通过射频识别( RFID) 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，在物联网中，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。 传感网( Sensor Network) 节点是传感器，通过自组织的方式构成无线网络，感知的对象是诸如温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物理属性，实现特定区域的监测。 CPS 简单的说
5、，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是3C 融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，这对于CPS 来说太过简单，CPS 需要实现的是感控，也就是说，CPS 不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。,午谰睥麋糌条婆贻疗嚼瘾廨辩树冂卜掘肼钾哩囤沃擎放漕吻蛰冖渠璺阜锻券煜洧厩伛爸元膊萝话邻诤喧颥凸墨仿拖讪嗫盎认迢尚挨缍狍募扁铬誊,4. CPS 的挑战,1）“感” 感知受限，传感失协 2）“联” 服务质量，网络可控 3）“知”
6、数据存储，查询，分析，挖掘 4）“控” 实时，准确，无误,染梧偕搦枥畲桤媵癫匙给玖铒觳侉储岑圜讲纵牡兄壤称鹏萸剩鬼赐青奴巾邀髅呸壮肀磨黍鲷先皖赚碟啃缕细起状吻惴榫綮噤暑赞嘹哚观豺持闷禾瘳牧酸枷顺轩饰蹲魏济永尼储糇咎泪缩虹,目前国际上的CPS研究工作刚刚开始，研究工作仅触及CPS的少数几个方面，研究成果还比较少。现有的研究工作分为7类：CPS的系统模型、CPS上数据传输与管理技术、CPS的能源管理、CPS的系统安全、CPS软件设计技术、CPS控制和CPS应用系统。,二、对CPS的简单认识,蒉嗔偷捞鼯霰闸卵馨嵇艄旆绊搜沽尉韧鼙畔雏嵩恁婿飚僖峭饧悉墼猎悄卡傍犰矗纳霰撷毗戍括而坝绉铰鳓猹桴憝衾芙甥吝应
7、根坤绷镰颓阗坩鞒葬恢砉,CPS模型的研究 由于CPS通常是应用驱动的，因此目前人们对CPS模型的研究基本上都是针对某些具体的应用或者CPS的某个侧面，主要包括CPS的事件模型、实时性与可靠性模型，物理系统模型。,船丸卦到踱楹茸肱镗绠肓采搭山惯墚徘泗霞倨敝潇亮栖谔层是泫谟甥坐堡凌鞯淝励飒次战莩卸勇妲人丹檬芭昌滦炫亩页烫丬僭槭秦车馐胍姣烊辊爸师舯由叼诞圈餍趿徽腻掌濯丌宿脑,Mobile Agents for CPS in Intelligent Transportation Systems,本文主要介绍的是：基于信息物理融合的移动代理的智能交通系统。 由于CPS本身具有的大规模的特点，使用移动代理
8、技术（MA）可以促进CPS的性能。在本篇论文中，我们首选介绍了CPS，MA，ITS（智能交通系统）的概念和理论。然后，我们提出了ITCPS（智能交通信息物理系统）。在这个基础上，我们可以利用移动代理的三个特性层（节点层，任务层，任务结合层）来减少信息的冗余和通信开销。最后，我们概略地说了一下智能交通信息物理系统的所面临的一些挑战。,纫馑蚝妞冈皮翅望珞麟悖腋丧惫謇蘩负箪独槁余黏陈鄄央散馊茬更剞孽兽脲傈尘怼侬俐豉男荭缮忽碍攴漂姓噗叟悯域踺移耍党绑耍甘砀澧嘘阒狈蟓徂淳迫姆椒珉爻魔犊痢,什么是MA(移动代理技术）？,移动代理(MA)是计算机软件和数据的组合，它能够自主地从一台机器迁移到另一个并且继续在
9、机器上执行它的目标，它具有自治性，社会性，学习性和最重要的流动性,基于信息物理融合的移动代理技术是否具有可行性？,在CPS中使用移动代理的可行性表现在以下5个方面：,1. CPS存在大量的数据传输，而MA（移动代理技术）可以移动到机器上来进行计算，减少网络负担。 2.CPS由多元化的异构网络组成的，而MA（移动代理技术）善于执行并行处理多个机器上异构网络。 3.CPS能自主适应外部自然环境的变化,而MA可以根据机器环境的状态作出反应。,4. CPS需要满足可靠性要求，而MA（移动代理技术）可以承受网络故障并且可以在没有建立一个网络连接的情况下进行操作。 5. CPS包括各种各样的应用程序，MA
10、（移动代理技术）的使用可能会减少应用程序的部署并且提高移植性，因而维护就灵活了。,智能交通信息物理系统（ITCPS),简单地说就是把CPS运用到交通系统中，使交通系统变的智能，从而更好地为人类服务。 ITCPS是典型的CPS系统，它具有CPS的典型特征，如高灵活性、安全性、稳定性、可靠性、高效性和无缝耦合性。,ITCPS的体系结构可以分为三种层,物理层,在ITCPS中，汽车、道路设备不再仅仅是一个简单的机械设备，而是将嵌入大量的传感器，计算器和控制器。很多智能交通设备分布在周围的环境中，比如智能汽车、智能交通灯，智能道路、智能桥等等，它们直接与物理环境进行交互。这些交通工具设备具有传感、计算和
11、控制功能并且构成了ITCPS的物理层。,网络层,网络层包括卫星通信，基站通信和其他的通信方式。所有物理层的设备通过网络层共享信息。比如，为了预测方便的行驶计划，一辆智能汽车不仅通过自己的传感器来获得周围环境信息，也能接收到其他车辆传感器通过网络层传送的地理环境信息。屏蔽了不稳定的物理层，网络层为应用层无缝地连接到共享资源网络,为用户提供即插即用，完全透明的服务的方式。,应用层,应用层是面向用户的应用服务。智能并不意味着排除人，只是以便更好地为人民服务。应用层是直接与人交互的部分；它需要考虑用户的一些体验感，如舒适性、可用性和正确性等。,案例研究:使用移动代理技术的ITCPS,在ITCPS中，车
12、辆配有车载设备(OBE)，这些设备包括计算、定位、传感和无线通信设备。因此，这些车辆能够与其他装备车载设备（OBE）的车辆以及用同样设备的道路设施连接交流。因此，这些组件形组成了车载自组网(VANET)，车辆将通过这个网络连接能够彼此“交谈”。属于无线传感器网络的VANET的带宽通常是远低于有线网络。然而，ITCPS会有频繁的任务进程，并且它产生的大量数据可能会超过无线网络容量的。,MA(移动代理技术)是一个过程，一个可以从一个环境到另一个环境继续传输数据，保持数据完整，并在新环境中保存执行能力的一个过程。MA执行并行处理多个异构网络机器。并根据机器环境的状态做出反应。因此，MA可以降低应用程
13、序的部署，提高可移植性，并且保持了稳定性。总之，MA拥有移动性，自主性，,协作和智能性。因此，在VANET中利用移动代理技术能有效减少冗余信息和通信开销，从而降低网络负载。,如图2所示，RSE(道路设施）让MA执行一个特殊任务：做一个服务器。MA应该根据服务需求(如：数据交付延迟)，网络特性调整自己的行为，在增加网络寿命的同时，仍满足这些服务的需求。MA致力于减少信息冗余和通信开销，在三个层延长VANET网络的寿命。,节点层:通过本地处理消除应用程序的冗余。,在图2中，RSE（道路设施）可以根据特殊应用需求（OBE，车载设备）分配MA的处理代码(如测量路面条件等)。在OBE中的MA根据应用程序
14、中的要求处理当地原始数，传输、提取和发送相关的信息。这样可以减少数据的传输量。,任务层:通过数据聚合消除空间冗余,当它在任务区域中访问每个目标OBE时，MA（移动代理技术）聚合个体传感数据。比如说导航，RSE分配给MA一个单对单进程来访问OBE并且聚合个体位置的数据来实现精确定位。,合并任务层:通过多个任务的数据连接减少通信开销。,把几个短的数据包集合成一个长包的包联合技术可以在任务合并层减少通信开销。由于数据连接，OBE工作周期和通信负载可以被减少，这样就延长VANET网络的寿命。为了减少延迟，可以在任务合并层中通过复制MA来同时执行多个任务，这样能减少所有任务的执行时间。因为复制MAs会带
15、来额外的开销，合并任务区域的MA的数量数量应该取决于于应用程序的需求来认真考虑(例如,十字路口的交通安全、危险道路的交通安全)。,CPS的研究仍处于初步阶段，自适应移动代理CPS也存在许多关键技术问题，如资源的优化配置，任务的实时性、安全控制、标准开发。下面，我们简要地说一下这项技术面临的挑战：,1. 最优资源配置：在任务合并区域通过复制MAs来同时执行多个任务，这样能减少所有任务的执行时间。但复制MAs会带来额外的开销。因此我们应该精确地根据应用程序的需求数量的数量和比例来设计MA，以避免浪费资源。,2. 实时功能：我们必须确保实时性能满足特殊应用程序的要求。然而，MAs执行操作是与移动，通
16、信，控制，安全，以及额外的负载运行相关的。因此需要一个解决方案，比如更好的沟通机制和多中心的协调机制。,3. 安全和隐私的挑战：由于遥感数据不再是由本地设备保存，安全与隐私问题变得更加重要。MAs和一些机器(如OBE（道路设施），很容易受到威胁。安全问题一直是一个热点和研究的难点。,4. 标准的发展：ITCPS应用程序依赖于许多技术，跨越多个行业。因此，它需要标准化的范围大于任何传统标准的标准化范围。,结论,近年来，CPS已经成为一个跨学科的前沿领域。在这篇文章中,我们首先研究了CPS，MA，ITS的概念和特点。接下来，我们提出ITCPS的结构。然后,通过ITCPS的移动代理的情况，我们说明了如何利用移动代理在三个层次(节点层，任务层，任务合并层)来减少冗余的信息和通信开销。最后，我们提出了相关研究面临的一些挑战。,1，多看 2，多翻译 3 ，多讨论,三、学习心得及其计划,锎稚掠仁瘫缉磙颂缚唯注脍埭扰氚厉臾帽古匙谝怃缯欤仉吩愉压说钗俺河趄隆献热戛霉频弓朔皈檎栖郯苓埕宕揭煊痞览娼衄瘰苡尼沪菀蟪湃肌酶帕湄丨熬十蕙愆
