信息物理融合系统及其对试验技术的影响

【试验工程师·公益学习营】第八期第5讲

【试验工程师·公益学习营】总第40讲，于2020年10月16日如期举行，本期讲师是西北工业大学计算机学院博士生导师杜承烈教授，主要学术兼职包括中国计算机自动测量与控制技术协会理事，中国计算机学会“软件工程”专委会委员、“系统软件”专委会委员，航天系统仿真科技重点实验室学术委员会委员，《系统仿真学报》编委、《航空电子技术》编委等，近年来先后主持国家重点研发计划项目等十余项国家级研究项目，获国家教学成果二等奖、国防科技进步二等奖。杜承烈教授主要研究方向包括信息物理融合系统、泛在系统软件、复杂装备领域软件工程等。

本期课程重点分为以下三个方面：信息-物理融合系统概述、人-机-物融合带来的新挑战和CPS对试验技术的影响径。

一、信息-物理融合系统概述

信息-物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）技术，是计算过程与物理过程融合的复杂系统，具有计算、通信和控制有机融合与深度协作的系统特征。这项技术是美国总统科技顾问委员会在2007年提出的，认为这项技术是确保美国在IT领域保持领先地位的核心技术，并且NSF开始部署研究计划。

CPS带来的技术优势是：“3C”融合有效增强复杂系统能力，提升系统综合品质；传感与通信融合→感知能力增强，集中控制演进到分布控制→控制能力增强，多实体实时交互与协同→系统综合能力增强。

CPS具有强烈的现时代重大应用背景：

基于经济与社会发展面临的交通拥挤、能源危机、气候变化和医疗成本等挑战，CPS实现计算/通信/控制技术与物理系统的一体化设计，可使新一代复杂工程系统更加可靠高效、智能协作，使系统具备更优的功能/性能品质。

城市交通系统、智能电网系统、航空航天系统、节能建筑系统、保健医疗系统和城市供水等重大基础设施系统都是典型的CPS应用系统。

德国在2013年发布《实施“工业4.0”战略计划》，认为“工业 4.0”是从嵌入式系统向CPS发展的技术进化，CPS是工业4.0的使能技术。CPS主要作用是实时感知、精确控制和远程操作。

CPS典型应用

CPS技术特征是：信息-物理多尺度融合、多实体协同感知与交互、强时空一致性约束、开放环境下非确定性控制和智能化实时开放服务。CPS架构具有：计算过程与物理过程的统一语义与无缝衔接描述能力和多时空尺度下物理过程网络化精确控制设计能力。CPS的运行平台可以支撑“3C”实时融合、实现在线状态监测与演化、保障时空事件及时处理。

二、人-机-物融合带来的新挑战

CPS在早期所取得的重要进展可以表达为CPS1.0，2.0在1.0的基础上，由于规模、环境、行为的变化较大，引发动态、时空、智能特性的质变，带来新的理论与技术挑战。学术界将CPS2.0命名为人-机-物融合系统（Human-Cyber-Physcial Systems，HCPS），另一种命名方式为CPSS（Cyber-Physcial-Social Systems）。

工业4.0智能工厂架构与流程

CPS的智能化：

1、CPS智能化才能适应智能制造、智能机器人发展需求

2、基本CPS向智能CPS的转变

一体化建模→适应性建模

可定制系统结构 →可重构系统结构

“3C”协同运行平台→“人机物”自适应协同运行平台

系统行为主动监测→系统行为自主演化

智能CPS的主要特征：

1、计算系统智能化：计算系统内部的结构与处理具有自组织性，并对外部环境的动态变化具有自感知能力和自适应性

2、CPS智能化：

应用任务的个性按需组织

模型构建的场景驱动生成

物理环境的协同自动适应

体系结构的动态自主重构

运行平台的随需自我优化系统行为的可控自治管理

HCPS重大应用需求共性特征为：规模化、融合化、协同化和智能化，重大应用共性能力需求为：基本能力和扩展能力。HCPS的五种系统属性为：系统构成的层次性、虚拟空间与物理空间的交互性、人类知识与CPS系统的协作性、计算、通信、控制的融合性和系统自适应感知与自主重构的动态性。HCPS的六大系统特征可以称为“6C”，即计算Computing、通信Communication、控制Control、认知Cognition、协同Coordination、重构Configuration。

三、CPS对试验技术的影响

从不同视角而言，试验系统的发展融合了新兴信息技术的发展理念。从基础设施视角：试验资源“物联”，从系统组织视角：CPS与试验云，从信息资源视角：试验“大数据”，从信息应用视角：试验“智能”，从使能技术视角：“软件定义”试验设施。

试验系统的CPS特征：

1、试验装置的计算、控制、通信3C融合

2、复杂战场环境条件下试验过程的非确定性动态控制

3、试验资源的时空一致性保障

4、作战体系试验、智能装备试验等所需之试验系统的认知、协同与构造（新3C）能力

在试验系统构建中，CPS技术发挥的优势为：试验系统设计——异构试验资源一体化建模，试验数据获取——多传感器实时协同感知，试验过程管理——强时空尺度下网络化精确控制，试验平台架构——“实时为基、交互为魂、虚实融合”。

试验系统运行支撑平台的新思考可以总结为：一个中心、两个功能、三个特征、四个转变。一个中心即为数字空间的试验对象与试验环境映像（数字孪生），两个功能即为试验场景控制和泛化资源管理，三个特征即为数据驱动、异构共融和云端共生，四个转变即为时间约束到时空约束、任务调度到实体协同、互操作到互理解和适应性重构到自主性演化。