虞慧群 华东理工大学 yhq@ecust.edu.cn CPS系统研究展望 虞慧群 华东理工大学 yhq@ecust.edu.cn

提纲 CPS系统概况 (What) CPS系统应用及挑战 (Why) CPS系统研究 (hoW) 2010年4月 虞慧群

CPS系统背景 Internet改变了人类通信和管理信息的方式。 例如：Email、信息获取、电子商务、娱乐等。 IT技术使人类管理物理环境的方式也有望取得改变。 应用：交通、医疗、工业、能源、环境等。 特征：计算和网络技术融合信息处理和物理控制。 愿景：社会影响远甚于信息革命。 2010年4月 虞慧群

什么是CPS系统？ CPS系统是计算过程和物理过程的融合系统。 计算与物理成分融合。 Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation and physical processes. (Edward A. Lee, UC Berkeley) CPS系统是计算过程和物理过程的融合系统。 计算与物理成分融合。 连续过程与离散事件交织。 规模大小、时空跨度各异。 系统通信和交互方式多变。 2010年4月 虞慧群

CPS 系统v.s.软件系统 CPS 系统关注问题 软件系统关注问题 软件系统是一组状态转换的序列。 最终目标是变换数据。 功能性需求:信息处理和物理控制。 非功能性需求：实时性、可靠性、安全性、私密性、可适应性等。 最终目标是协调物理进程。 2010年4月 虞慧群

CPS系统 v.s. 嵌入式系统 在微处理器上运行 有限资源下的优化技术 CPS 系统关注问题 计算与物理成分的集成 嵌入式系统关注问题 在微处理器上运行 有限资源下的优化技术 CPS 系统关注问题 计算与物理成分的集成 网络计算环境中的实时、并发控制 CPS系统 = 嵌入式系统+网络+控制 2010年4月 虞慧群

CarTel系统 系统简介 汽车收集路况和传感器信息 汽车用手机或 WiFi 网络向CarTelHQ服务器传递信息。 用户登录服务器可浏览实时路况、个人驾驶习惯。 相关网站：http://cartel.csail.mit.edu/doku.php CarTel系统结构图 2010年4月 虞慧群

医疗设备网络 系统简介 目标：提供安全、可靠、便捷的医疗服务。 例如：未来外科手术室 病人的药物过敏信息自动发送到相关设备（例如输液泵）。 个性化和安全医疗管理。 病人的临床反应信息实时传送到医护人员。 医疗专家远程手术。 机器人微外科手术。 2010年4月 虞慧群

CPS 系统的价值 Applications of CPS arguably have the potential to dwarf the 20th century IT revolution. ( Edward A. Lee, UC Berkeley) 应用领域广阔 智能交通系统 医疗设备系统 能源保护 环境监控 航空航天软件 关键基础设施（电力、水） 普适自适应通信 节能建筑 生物系统 … 2010年4月 虞慧群

CPS系统的挑战 如何开发可靠的、可预测的信息物理融合系统？ CPS系统的开发需求 传统方法不能满足CPS系统开发需求！ 输入/输出的内在联系 从执行指令到实现意图 人与系统交互 信息系统的深度嵌入 传统方法不能满足CPS系统开发需求！ 2010年4月 虞慧群

传统系统预定 I/O 结构；CPS系统I/O取决于场景 输入 / 输出的内在联系 传统系统预定 I/O 结构；CPS系统I/O取决于场景 steer-by-wire Physical modeling “languages”: bond graphs Omola/Dymola SimMechanics Model context-dependence as hybrid systems w/ mode switching temperature door closer (J. C. Willems) 2010年4月 虞慧群

传统系统“执行指令”；CPS系统“实现意图” 从执行指令到实现意图 传统系统“执行指令”；CPS系统“实现意图” ABS Integration of logic/rules/events with continuous/timed feedback control (hybrid systems) Automate system operation under stressed conditions. Automated External Defibrillator power grid? 2010年4月 虞慧群

传统系统进行信息反馈；CPS系统实现“物理反馈” 人与系统交互 传统系统进行信息反馈；CPS系统实现“物理反馈” Haptic systems design building control? aircraft ABS Integrate human behavior into the control loop (e.g., make it uncomfortable so they will open the windows) Boeing 777 Airbus 380 2010年4月 虞慧群

E.g., medical implants that work with the natural healing processes 信息系统的深度嵌入 传统系统实现闭环控制； CPS系统实现开放控制（与物理系统多层次交互） E.g., medical implants that work with the natural healing processes 2010年4月 虞慧群

CPS系统技术需求 需要技术创新 From: 物理系统、控制系统、软件系统独立设计 缺乏工程和物理定律的信息知识（反之亦然） 循环执行 + 人机交互 集中式处理，时间与空间分离 To： 集成的、优化的设计 CPS-认知和谙熟 高度自动、自治、协调的规模可变框架 联邦式、分布式、开放型、可重构性 Still：实时、安全、可靠，需要认证 2010年4月 虞慧群

CPS系统研究计划 美国 欧盟 日本、韩国 中国 2007年美国PCAST 报告强调CPS系统的重要性。 美国NSF从2009年设立CPS系统专项。主题： 基础：科学和工程原理 方法及工具：支持CPS系统设计 构件平台及系统：实现计算与物理过程的深度融合 欧盟 ARTEMIS计划：嵌入式智能系统研究，预计总投入70亿欧元 EPoSS 计划：智慧系统集成 日本、韩国 重视嵌入式系统方面的研究 中国 973计划：可信计算 CPS系统研究在积极酝酿中 2010年4月 虞慧群

CPS系统模型研究 CPS系统模型 模型设计 可靠性验证、算法和工具 CPS系统成分、接口、协作关系、模型的语义 离散计算与连续物理演变融合的需求规范 模型设计 系统成分与接口的建模 系统模型的分解与综合 系统模型的层次关系及规范之间的映射关系 可靠性验证、算法和工具 CPS系统基础元素验证 CPS系统模型的组合验证研究 验证技术的自动实现方法 2010年4月 虞慧群

研究思路 2010年4月 虞慧群

MATLAB, MatrixX, VisSim等 设计理论和工具 控制系统实现: 离散状态 Lyapunov 函数、特征空间分析等 分析理论 MATLAB, MatrixX, VisSim等 软件工具 控制系统设计: 连续状态 差分方程、传递函数等 模型 自动机, Petri 网, Statecharts等 布尔代数、形式逻辑、递归论等 SCADE, Statemate, SMV, SAT等 2010年4月 虞慧群

设计方法 Aspect-Oriented Design Components (UML/Petri Nets) Concerns C1 c4 Problem Domain Join Points Weaving C2 Application (UML/Petri Nets) C3 Mapping Aspects (UML/Petri Nets) 2010年4月 虞慧群

验证技术 测试(Testing)：无法证明系统不存在缺陷，也不能证明它符合一定的属性。 形式化验证(Verification)：可以证明一个系统不存在某个缺陷或符合某个或某些属性。 定理证明：逻辑推理方法证明定理。 模型检测(Model Checking) ：自动验证技术，通过显式状态搜索或隐式不动点计算来验证有穷状态并发系统的性质 。 （发明人E. Clarke、A. Emerson、J. Sifakis， 荣获2007年“图灵奖”） 2010年4月 虞慧群

实例之一：安全信号应急响应 系统模块 设计平台 通信接口 系统巡检 设备联动 2010年4月 虞慧群

实例之二：智能交通预测 高架路交通信息预报 数据采样 数据整理 预报模型 应用开发 2010年4月 虞慧群

结 论 CPS系统应用前景广阔。 CPS系统是挑战, 也是机遇。 创新不是为了“标新立异”。 应用需求是创新的原动力。 理论是应用的奠基石。 结 论 CPS系统应用前景广阔。 CPS系统是挑战, 也是机遇。 创新不是为了“标新立异”。 应用需求是创新的原动力。 理论是应用的奠基石。 技术是连接理论与应用的纽带。 科学研究方法 观察与思考结合 理论与实践结合 2010年4月 虞慧群

Thanks！ 2010年4月 虞慧群