信息-物理融合系统若干关键问题综述

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)集成了计算系统与物理系统,并通过嵌入式计算机与网络实现了两者之间的协作和融合,将对人们的生产和生活方式产生重要影响.CPS是一个全新的研究领域,利用现有基础理论和技术设计CPS时面临着众多问题.介绍了CPS的概念、特点和体系结构,分析了与嵌入式系统、网络的关联,从计算系统、网络系统和控制系统3个方面概括了CPS设计面临的主要挑战,并着重探讨了当前一些可用于CPS设计的理论和技术以及CPS研究的最新进展,指出CPS当前的发展应以解决系统抽象层次设计、系统建模、体系结构设计、数据传输和管理、子系统集成方面的问题作为其下一步发展主要的研究方向,并提出了一些可行的解决办法,可为相关研究提供参考.     

一种信息-物理融合系统体系结构

信息-物理融合系统(cyber-physical system, CPS)是当今最前沿的交叉研究领域之一,它被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命,将会改变人与现实物理世界之间的交互方式,具有广泛的应用前景.CPS是一种分布式且深度嵌入式的实时系统,实时性是CPS的一个极重要特征和性能要求.研究了CPS体系结构,提出了一种CPS系统模型,并且从实时任务调度和实时网络两个方面,提出了解决系统实时性保证问题的初步方案,为进一步的研究工作奠定了基础.     

仓库管理信息物理融合系统

根据库房安全管理与事故预警的要求,提出将信息物理融合系统引入仓库管理。根据库房状态及其内部环境参量,结合库房仓储自身功能特点及运作规则,定制关于库房仓储管理的信息物理融合系统,构建具有感知环境、预警机制和自动监测等功能的仓库管理信息物理融合系统,通过分析,认为物料实体与环境信息的有机交互可以为管理者提供可靠监控方式,从而提高库房作业效率和监管水准,系统地初步应用验证该了模型的可行性。     

信息物理融合系统(CPS)研究综述

信息物理融合系统(Cyber-Physical Systcms, CPS)是将计算资源与物理资源紧密结合与协调的产物,它将改变人类与物理世界的交互方式。作为物联网的演进,CPS已经引起了国内外相关科研机构、政府部门和社会的广泛关注。介绍和阐述了CPS的定义、系统结构和特性,重点研究和讨论了CPS的理论技术体系、对计算机科学领域带来的重大挑战以及研究现状,最后展望了CPS的研究动向。     

仓库管理信息物理融合系统

根据库房安全管理与事故预警的要求,提出将信息物理融合系统引入仓库管理。根据库房状态及其内部环境参量,结合库房仓储自身功能特点及运作规则,定制关于库房仓储管理的信息物理融合系统,构建具有感知环境、预警机制和自动监测等功能的仓库管理信息物理融合系统,通过分析,认为物料实体与环境信息的有机交互可以为管理者提供可靠监控方式,从而提高库房作业效率和监管水准,系统地初步应用验证该了模型的可行性。     

信息物理融合系统网络安全综述

信息物理融合系统（cyber-physical systems， CPS）是集计算、通信和控制于一体的智能系统，实现网络和物理的深度协作和有机融合.目前CPS在关键的基础设施、政府机构等领域发挥着越来越重要的作用.由于物理限制，计算机和网络产生的安全漏洞会导致CPS遭受巨大的破坏，同时还会引起经济损失、社会动乱等连锁反应，所以研究CPS的安全问题对于确保系统安全运行具有重要意义.本文结合国内外的研究现状，概述了CPS安全控制和攻击检测的最新进展.首先本文总结了CPS典型的系统建模以满足对系统性能分析的需要.然后介绍了3种典型的网络攻击，即拒绝服务攻击、重放攻击和欺骗攻击.根据检测方法的类别，对CPS攻击检测的发展进行的概述.此外还讨论了系统的安全控制和状态估计.最后总结和展望了CPS网络安全面临的挑战和未来的研究方向.     

信息物理融合系统

信息物理融合系统 (Cyber-physical system, CPS)是计算、通信和物理过程高度集成的系统,通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力,实 现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理,并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制. 分析了CPS的基本概念和特征,对CPS的体系架构、中间件系统、实时性、安全和隐私等关键技术的现有研究 成果进行综述,并提出了相应的研究思路;然后介绍了一些现有的CPS原型系统和实例,体现出CPS的优越性; 最后对CPS和传感器网络(Wireless sensor network, WSN)、物联网(The internet of things, IOT)、网络控制系统(Networked control systems, NCSs)进行了对比分析,总结了CPS现有研究中存在的问题,并展望了CPS的发展方向.     

信息物理融合系统数据中心能量消耗模型研究

从信息物理融合系统的角度考察数据中心,对包含信息技术系统和冷却系统的数据中心的能量消耗进行建模。给出信息技术系统中的服务延时约束模型、工作负载约束模型、服务质量约束模型及最终的能量消耗约束模型和冷却系统中的能量消耗模型。模型的建立为研究如何在保证服务质量的同时最大程度地降低能量消耗提供了依据。     

信息物理融合系统体系结构研究

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)是近年来国内外科技界与学术界研究的新兴的重要领域。为了从整体上把握和研究CPS的体系结构,归纳列举包括原型的、基于事件驱动的、"发布-订阅"式的、面向服务的和基于云的几类主流的CPS体系结构。分析讨论CPS各类主流体系结构的层次划分及层级结构,归纳其共性,总结并提出典型CPS体系结构和典型CPS层级体系结构,为以后CPS体系结构的研究提供了参考。     

Review on Cyber-physical Systems

Cyber-physical systems (CPS) are complex systems with organic integration and in-depth collaboration of computation, communications and control (3C) technology. Subject to the theory and technology of existing network systems and physical systems, the development of CPS is facing enormous challenges. This paper first introduces the concept and characteristics of CPS and analyzes the present situation of CPS researches. Then the development of CPS is discussed from perspectives of system model, information processing technology and software design. At last it analyzes the main obstacles and key researches in developing CPS.      

走向社会信息物理生产系统

随着信息物理系统（Cyber-physical system,CPS）融合深度和融合广度的不断增加,信息物理生产系统（Cyber-physical production system,CPPS）呈现出显著的社会化趋势.通过对信息物理生产系统相关技术的研究,分析了信息物理生产系统的社会化演进历程,建立了社会信息物理生产系统（Social cyber-physical production system,SCPPS）模型;根据人与智能体的信息物理交互行为差异,基于对人类社会行为特点的分析,类比研究了智能体社会与人类社会融合的广义互联社会特点;归纳出信息物理系统的七种交互模式及其在社会信息物理生产系统中的应用;总结出社会信息物理生产系统面临标准化、人性化和安全化的挑战问题.     

A Priority-aware Frequency Domain Polling MAC Protocol for OFDMA-based Networks in Cyber-physical Systems

Wireless networking in cyber-physical systems (CPSs) is characteristically different from traditional wireless systems due to the harsh radio frequency environment and applications that impose high real-time and reliability constraints. One of the fundamental considerations for enabling CPS networks is the medium access control protocol. To this end, this paper proposes a novel priority-aware frequency domain polling medium access control (MAC) protocol, which takes advantage of an orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) physical layer to achieve instantaneous priority-aware polling. Based on the polling result, the proposed work then optimizes the resource allocation of the OFDMA network to further improve the data reliability. Due to the Non-polynomial-complete nature of the OFDMA resource allocation, we propose two heuristic rules, based on which an efficient solution algorithm to the OFDMA resource allocation problem is designed. Simulation results show that the reliability performance of CPS networks is significantly improved because of this work.      

Water Supply Networks as Cyber-physical Systems and Controllability Analysis

Cyber-physical systems (CPS) is a system of systems which consists of many subsystems that can stand alone in an individual manner and can be taken as a typical complex network. CPS can be applied in the critical infrastructures such as water supply networks, energy supply systems, and so on. In this paper, we analyze the structure of modern city water supply networks from the view of CPS theory. we use complex network theory to build an undirected and unweighted complex network model for the water supply networks to investigate the structural properties, and present the structure of the water supply networks and detect communities by a spectral analysis of the Laplacian matrix. Then, we analyze the structure and controllability of water supply networks by the structural controllability method. The results show the feasibility and effectiveness of the proposed complex network model.      

CPS拓扑结构节点重要性排序方法

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)拓扑结构中节点重要性排序是CPS拓扑分析的重要方面。针对CPS内在结构特征,构建一种CPS拓扑结构模型——交互网络模型。然后结合CPS信息交互特点定义节点交互介数作为衡量具体节点重要性度量,阐明该测度能够反映节点的相对重要度,并给出了时间复杂度为多项式阶的节点重要性排序有效算法。最后构建CPS拓扑实例进行分析,并与节点介数进行对比,说明节点重要性排序能够为CPS的运行和防护提供重要参考。     

假数据注入攻击下信息物理融合系统的稳定性研究

假数据注入（False data injection,FDI）攻击由于其隐蔽性特点,严重威胁着信息物理融合系统（Cyber-physical systems,CPS）的安全.从攻击者角度,本文主要研究了FDI攻击对CPS稳定性的影响.首先,给出了FDI攻击模型,从前向通道和反馈通道分别注入控制假数据和测量假数据.接着,提出了FDI攻击效力模型来量化FDI攻击对CPS状态估计值和测量残差的影响.在此基础上,设计了一个攻击向量协同策略,并从理论上分析出操纵CPS稳定性的攻击条件：攻击矩阵H和系统矩阵A的稳定性及时间参数ka的选取时机.数值仿真结果表明FDI攻击协同策略能够有效操纵两类（含有稳定和不稳定受控对象）系统的稳定性.该研究进一步揭示了FDI攻击的协同性,对保护CPS安全和防御网络攻击提供了重要参考.     

A Comprehensive Overview of Cyber-Physical Systems: From Perspective of Feedback System

Cyber-physical systems (CPS) are characterized by integrating cybernetic and physical processes. The theories and applications of CPS face the enormous challenges. The aim of this paper is to provide a latest understanding of this emerging multi-disciplinary methodology. First, the features of CPS are described, and the research progresses are summarized from different components in CPS, such as system modeling, information acquisition, communication, control and security. Each part is also followed by the future directions. Then some typical applications are given to show the prospects of CPS.      

基于数据特征融合的管网信息物理异常诊断方法

随着管网物理空间和信息网络的深度融合,系统面临着物理和信息空间异常带来的运行风险.本文根据管网系统数据量大、耦合性强的特点,提出一种基于数据特征融合的信息物理异常诊断方法.首先通过站场信息数据构建信息增维矩阵并且通过矩阵预分析实现信息传输中断异常的判断.然后基于不同站场信息构建的信息增维协方差矩阵,通过矩阵特征值分布的变化情况对物理异常以及信息传输错误异常进行区分.在此基础上,为了对管网物理异常分类实现系统运行状态的有效分析,将管网信息增维协方差矩阵最大特征向量映射的二维图像作为输入,采用卷积神经网络进行研究,进而实现对物理异常的准确判断.最后通过某实际管网数据进行仿真分析,验证所提方法的有效性.