3)大规模实体控制和系统全局优化
未来CPS将会实现分散控制和集中控制的有机结合,CPS的大部分物理部件中都将植入嵌入式控制设备并通过通信网络与CPS控制中心互联。这样,这些设备既可以分散控制,在必要时也可以由控制中心集中控制。控制器的设计应尽量灵活,控制中心在必要时应该可以在线修改具体控制器的参数设置,甚至直接升级控制器软件。这样,控制中心可以根据传感器网络收集的系统信息不断调整整个控制系统以实现系统的全局优化。
2.2CPS的技术特征
与现有信息系统和物理系统相比,CPS具有下列几个重要的技术特征:
1)虚实共存同变
物理系统的状态通过传感器和通信网络反馈回CPS的控制中心,CPS根据来自物理系统的实时信息不断修正仿真模型参数以提高仿真精度;仿真结果又将通过CPS对物理系统的控制影响物理系统的行为。这样,在CPS中相当于构造了物理系统在计算机虚拟环境中的一个镜像,物理系统和其虚拟镜像将同步变化并相互影响。物理系统信息的高速反馈可以保证虚拟镜像的精度。
2)多对多动态链接
一般而言,组成CPS的各个部件之间的链接关系在很大比例上是动态的,这与现有物理系统的联网方式有很大区别。例如,电力CPS可以把电动汽车和各种智能家电也包括在内。这些设备可通过无线网络接入CPS的信息系统,其连接状态和接入网络的位置可以不断变化。因此,点对点网络(ad-hocnetwork)将成为CPS的重要技术基础。
3)实时并行计算和信息处理
CPS一般对分析和仿真的实时性要求很高。此外,CPS系统需要处理的信息量远远大于传统的信息系统。这些都对CPS的计算和信息处理能力提出了很高的要求。传统的集中式计算平台难以满足要求。
云计算的分布式架构与CPS要求实现集中控制和分散控制相结合的要求正相吻合,可以基于云计算技术实现CPS的分布式控制系统。
4)自组织和自适应
从规模上讲,CPS一般覆盖一个大的区域甚至整个国家。因此,接入CPS的设备数量可能非常庞大。对于数量庞大的物理设备实行人工管理显然是行不通的。因此,CPS应具有自组织功能。例如,电力CPS应能够自动识别和搜索接入系统的分布式电源;换言之,一个分布式电源一旦接入了系统,控制中心就应当能够立即获得该电源的各种信息,并能够随时控制该电源。此外,CPS还应具有自适应功能,也就是说,CPS应具有自动排除各种系统故障(包括物理系统故障和信息系统故障)、保证系统正常运行的能力。
除了上述几个重要特征外,CPS在性能方面还应具有灵活性(易于升级扩展,易于与CPS的其他子系统接口)、完备性(物理系统与其虚拟镜像同步且一致)、可靠性(能够在不确定环境下可靠工作)、安全性(能够抵御物理的和虚拟的攻击)等特征。
