汽车CPS原理介绍

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1、汽车 CPS 原理介绍一. CPS介绍信息物理系统(CPS , Cyber Physical Systems)是一个综合计算、网络和物理环境的 多维复杂系统，通过3C (Computation、Communication、Control)技术的有机融合与深 度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物 理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。 CPS应用于环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计 算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调。CPS是可能是

2、一个分布式异构系统，他不仅包含了许多功能不同的子系统，而且这些 子系统之间结构和功能各异，而且分布在不同的地理范围内。各个子系统之间要通过有线或 无线的通信方式相互协调工作。CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求CPS是 一个智能的有自主行为的系统，CPS能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信 息，并且根据系统规则通过效应器作用于环境。CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、 通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络， 但它又有别于现有的控制系统oCPS则把通信放在与计算和控制同等

3、地位上，这是因为CPS 强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远 程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网 络。美国国家科学基金会(NSF)认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了 人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。二汽车CPS原理介绍汽车CPS，简单来说是指把CPS技术应用在汽车上，以使汽车更易于驾驶，更安全。 汽车产业经过近百年的发展，随着全球经济社会发生的巨大变化，特别是由于油价高 涨与温室气体排放引发的建立低碳经济的讨论、科技的发展使得IT技术在汽车上的大量使 用、全球城市化趋

4、势加快。使得各国政府积极发展城市交通。随着用户对汽车本身不断提出 新功能的要求，使得汽车越来越多的采用电子控制单元(ECU)实现整车的高安全可靠性、环 保节能性和驾驶舒适性。而随着ECU功能的复杂化，ECU软件也越来越复杂，同时多个 ECU单元信息的处理产生的数据将达到海量。同时城市交通需要发展智能交通系统 (In tellige nt Tra nsport System ,ITS)。这使得汽车CPS有重大的发展前途。人类对汽车性能要求的提高以及智能交通系统的建设，物理设备(比如ECU)和信息系 统(比如ITS中的信息电子系统)的深度融合，海量数据的处理，多维度复杂开放系统的建立 等，使得汽车

5、CPS的研究与发展成为汽车电子中物理设备系统发展的必然趋势。汽车从基 于力学、化学的纯物理系统变成了更复杂的嵌入电子元件和控制系统，以提高性能和安全的 CPS (Cyber Physical System) o汽车CPS是指用带微处理器的实时输入传感器和分布在汽车的不同部件上的提供输 出的制动器等控制单元，收集本车的实时信息或其他车辆的信息，通过一个统一的网络如控 制局域网(Controller Area Network, CAN )来完成信息的交互，计算，并根据信息的反馈来 完成对汽车的控制，使得汽车更易于驾驶，响应更快，更安全，更智能。汽车CPS要用到物联网技术、嵌入式的技术、混成系统等技

6、术。汽车CPS不仅要关 注本车的情况，如发动机温度、排气管状态等情况，然后由本车网络来完成信息的交流，然 后反馈给汽车，还要关注与其他汽车的距离，所在位置的路况信息等情况，甚至每个汽车的CPS可以联合起来构建一个更大的CPS网络，不过这还要小心个人隐私和信息的泄露。对于输入输出：汽车CPS的I/O取决于场景。汽车CPS的所获得或反馈的信息取决 于具体场景，如汽车要想在节能或安全的前提下改变速度，需要获取当前的场景，汽车是上 坡、下坡还是在平地，汽车是在加速、减速还是恒速，然后根据场景信息改变反馈。人与系统交互：汽车CPS实现“物理反馈”。在人与系统交互方面，与传统的系统反 馈信息不同的是，汽车

7、CPS直接实现物理反馈，如当汽车要撞到其他东西的时候，汽车CPS 的防碰撞系统和速度操控器会直接起作用来减速或弹起安全气囊来保护驾驶员，即汽车 CPS直接以物理反馈来与人交互。信息系统的嵌入：汽车CPS实现开放控制。汽车CPS 需要与物理系统进行多层次的交互，所以需要实现开放控制。从对轮胎温度、压强、转速的 监控到汽车的自动导航、制动，汽车CPS需要对汽车的物理系统进行多方面的监控和采集 信息并反馈，汽车CPS收集的信息与物理系统息息相关，需要实现开放控制。执行方面： 汽车CPS直接“实现意图”。传统的系统只能执行指令，而汽车CPS整合汽车上的系统 并集中加以控制，可以直接实现驾驶员想要实现的

8、意图，而不是一步步的执行指令。三. 汽车CPS的实现要实现汽车CPS，需要从物理系统、控制系统、软件系统独立设计转变为各个系统集 成的、优化的设计。从缺乏工程和物理定律的信息知识转变对CPS有认知并谙熟。从循环 执行和人机交互转变为高度自动、自治、协调的规模可变框架。从时间与空间分离的集中式 处理信息装备为联邦式、分布式、开放型、可重构性的信息处理。同时满足：实时、安全、 可靠，需要认证等性能。汽车CPS要用到：物联网技术，尤其是其中的无线传感技术来监控汽车各 个部件的状况和实时收集信息、嵌入式技术：需要把各种传感系统嵌入到汽车的物理系统中 、混成系统技术:混成系统中的许多模型和技术都可以作为

9、CPS实现时的借鉴，比如离散 事件模型、计算智能模型、博弈法等技术。汽车上的CPS有很多，如汽车电子控制系统,汽车发动机管理系统Automotive Engine Management System(EMS),还有汽车 CPS 的改进：HM-CPS 等。四. 汽车HM-CPS在更大的人类移动的环境下，汽车CPS必须具更开放和更灵活。并且需要开发新的人类移 动模式，关键隐私问题需要加以解决，保护日益重要和普遍的基于位置的数据。在过去，汽车的主要功能就是使人们高效的移动。而现在面临的主要挑战是建立安全可 靠的车辆来满足社会的流动性的内在需要。汽车从先前不可能把人们带到目的地，变成了把 人们安全可靠

10、的带到目的地。科学技术的发展使得汽车变得越来越复杂。汽车从基于力学、 化学的纯物理系统变成了更复杂的嵌入电子元件和控制系统，以提高性能和安全的 CPS (Cyber Physical System).而日益增长的移动性的需求而给出的挑战不能简单的通过提高一个交通工具的技术来 解决。而Human Mobility CPS(HM-CPS)可以用来解决这个问题。HM - CPS强调人的物理 运动，无论是在个人和总规模的网络通信，计算和传感监测和有效地确保周围的物理环境中 的流动性的耦合。汽车系统能够收集关于现实物理世界的信息。但是它们缺乏收集关于它们发展的全局环 境信息的能力。局部的传感器可以用来监

11、控汽车的基础部件，如发动机温度、部件的老化等， 虽然这可以使得汽车可靠，但对整个CPS的安全，路线规划、基于位置的服务等只有有限 的作用。而汽车的自动化很难避免交通事故如碰撞等。尽管每一辆车都没有关于当前交通网 状况的完整的信息，但是每一辆车都可以提供自己的信息。所以问题的关键在于信息的交流。汽车的HM-CPS:嵌入了人类。人类有三个任务：1感觉2决定3评价。一个充分的 CPS将整合使用者的要求的行驶方向和以前的交通模型，来让嵌入的人来做更高级别的决 定，如选最快的路线还是最短的路线。这一问题不能忽视：嵌入的人类HM所产生的移动 需要和需要与虚拟基础设施整合的驾驶。五汽车 EMS(Automo

12、tive Engine Managemen t Sys tem)汽车上的CPS系统有很多，我们取其中的汽车发动机管理系统Automotive Engine Management System(EMS)作为汽车CPS的代表来探讨汽车CPS。一个EMS是由一组带微处理器的实时输入传感器和分布在汽车的不同部件上的提供输 出的制动器组成。这些单元的共同部分包括传输控制器，牵引力控制，制动控制等。这些设 备用一个控制局域网(Controller Area Network, CAN )来相互连接。CAN使得不同的组 件一起工作来加强驾驶员的安全、使汽车更容易驾驶、响应更快速。汽车CPS具有环境模糊性。汽车

13、上的物理系统和信息计算系统的相互作用可能违反系 统安全政策，导致无意识的信息流。而这种系统的物理部分是可观察的，许多方法不适合用 来保密。而CPS的基本特性带来了新的安全挑战。汽车上要保护的信息是汽车的控制者。 我们用信息流模型来分析这种情况。汽车的安全和隐私分为物理安全和信息安全。其中物理安全包括汽车锁、报警和防盗、 轮胎安全、音频防盗等，而信息安全包括恶意代码、故障感应等。安全和隐私在软件设计策 略中具有最高优先级。虽然信息的完整性和合理性对EMS的操作来说是非常重要的，了解了 EMS的状况也暴 露了汽车的关键的控制系统。在汽车中安全级别分两种：高安全级别和低安全级别。高安全 级别是EMS

14、和驾驶员，而低安全级别是观察者。而且由EMS来执行(对汽车的)的控制与阻 止也揭露了驾驶员的一些机密信息。而经典的机密系统如通过加密方式等对CPS来说是不合 适的因为它只保护了物理系统的部分。系统可以通过物理行为来暴露机密的信息。我们用两 种可能的信息流(不干扰模型，不可推断模型)来检测CPS。EMS 通过展示汽车在不同情况下的不同的操作来决定安全性，如什么时候违反了安全 性，什么时候保护了安全性。 EMS 通过来自一个模糊的环境而得到的如速度，地形等信息 反馈给外在的观察者。根据现实世界已有的知识系统，这些信息有时候可以揭露驾驶员的知 识系统，我们通过一些模糊的系统信息来展示这种情况，如汽车

15、的油/气情况，运动控制(即 汽车的移动)情况，动力流情况等。一个系统的合理轨迹trace是其在执行过程中的所有事件的一个记录。所有合理的trace 的集合代表着可能的系统行为。高级别的事件和低级别的事件都会在它们的trace上出现。 而这个trace对CPS非常具有吸引力。而基于观察的信息的可能信息的推断有很大可能性导 致信息泄露。不可推断模型(Nonducibility Model)：如果对一个系统，当它的一个低安全级别领域的 观察者通过观察可见的事件不能去推断高级别输入事件的序列的任何事情，则称该系统是不 可推断的安全。也就是说在低级别安全领域的观察与任何高级别输入事件是兼容的。不可干扰模

16、型(Noninference Model)： 一个系统被认为是安全的当且仅当对它的系统事 件的任何合理的 trace ，当把高级别的事件去除掉之后得到的 trace 仍然是系统的一个合理 trace。一个构建CPS的信息安全的方法如下：1) 确定系统的功能2) 确定安全划分3) 构建系统 traces4) 应用信息流理论 观察者可以用速度地形等视觉线索来推断高级别安全区域。首先分析一个EMS的信息流(Tablel)Table I. Confidential information in EMSsourceFunctLGiiDriverCruise ControlCrash AvoidanceECUECUvehicle operatorAiiEomatac controlXuLomatac controlControlTyptFunctioDSenior