CN105930642A - 信息物理融合系统层次结构模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算技术领域、通信技术领域、新型传感技术领域和自动控制技术领域的深度融合，设计了一种信息物理融合系统的层次结构模型，该系主要由物理层、网络层、协同处理层和应用层，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体，信息物理融合系统具有广泛的应用前景，可以应用于智慧城市、智慧电力系统、智慧交通系统、健康监护、国防军事、环境监控、工农业生产等领域。

Description

信息物理融合系统层次结构模型
技术领域
本发明涉及计算技术领域、通信技术领域、新型传感技术领域、和自动控制技术领域，特别是嵌入式计算技术、无线通信技术和无线传感网络技术。
背景技术
随着计算技术（特别是嵌入式计算技术）、通信技术（特别是无线通信技术）、新型传感技术（特别是无线传感网络技术）和自动控制技术的飞速发展和日益成熟，信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CSP）开始在世界范围内出现。美国国家基金委员会在2006年最早提出CPS的概念，CPS被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮，其核心是3C（Computation、Communication、Control）的融合。何积丰院士指出：CPS从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。在CPS中，物理世界被信息世界检测和控制，为人类提供智能化的高效、安全、优质的服务。
CPS是一个全球信息技术和信息产业发展的新趋势，对现有的传统工业格局产生深远影响，对现有工业进行重组，产生新的工业，改变整个工业体系的布局，培育出新的经济增长点，着力发展和普及CPS技术，推动工业产品和技术的升级换代，将有助于提高国家主要工业领域（比如汽车、电力、航空航天、国防、工业现代化、健康/医疗设备、重大基础设施等）的竞争力，这为我国实现经济结构调整，提高经济发展质量和效益，具有重要意义。CPS具有广泛的应用前景，可以应用于智慧城市、智慧电力系统、智慧交通系统、健康监护、国防军事、环境监控、工农业生产等领域。
发明内容
本发明设计了一种信息物理融合系统(CPS)层次结构模型，信息物理融合系统层次结构模型为4层结构，第一层物理层，第二层网络层，第三层协同处理层，第四层用户应用层，见图1信息物理融合系统层次模块图和图2信息物理融合系统层次结构图。
信息物理融合系统(CPS)层次结构
CPS是运行在不同的时间和空间范围的闭环（多闭环）系统，而且感知、决策和控制执行子系统大多不在同一位置。逻辑上紧密耦合的基本功能单元依托于拥有强大计算资源和数据库的网络基础设施（如Internet、数据库／知识库服务器和其他类型数据传输网络等），构成了CPS完整的体系结构，使我们能够实现本地或者远程监测和影响物理环境。通过对文献的深入研究，本设计给出了CPS体系结构的一般形式描述（见图2），它由用户层、协同处理层(决策层)、网络层和物理层组成。协同处理层通过语义逻辑计算实现用户、感知和控制系统之间的逻辑耦合；网络层通过网络传输计算连接了CPS在不同空间与时间的子系统；物理层是CPS与物理世界的接口，体现的是感知与控制计算。
在现实环境中，大量的传感器以无线通信方式自组织成网络，协同完成对物理环境或物理对象的监测感知。传感器网络对感知数据做进一步的数据融合处理，将得到的信息通过网络基础设施传递给决策控制单元；决策控制单元与执行器通过网络化分别实现协同决策和协同控制。
物理层由感知子系统传感器网络模块，控制子系统执行器网络模块构成，主要负责从物理世界采集原始信息，并根据系统指令改造物理世界，接收来自网络层的监测命令。物理层设备包括RFID装置、各类传感器、图像采集装置、执行器单元以及全球定位系统(GPS)等。
物理层也就是感知层，感知层是一个由无线传感器网络构成的封闭系统，该层与外部网络的所有通信都必须通过网关节点，因此感知层安全结构的设计只需考虑传感器网络本身的安全问题。感知层的节点硬件结构简单，计算、通信存储能力弱，无法满足传统保密技术的需求。降低密码协议的开销是感知层安全的重要问题。在CPS 环境下，感知层更容易受到外部网络的攻击，例如外部访问可能直接针对传感网内部节点展开DOS攻击，进而导致整个网络的瘫痪。建立入侵检测和入侵恢复机制，提高系统的鲁棒性，是感知安全的另一重要问题。入侵者可能通过控制网内节点、散布恶意信息扰乱网络正常运行。建立信誉模型，对可疑节点进行行为评估，降低恶意行为的影响是感知层安全的一项重要任务。此外，感知层安全设计还需要考虑建立感知节点与外部网络的互信机制，保障感知信息的安全传输。
网络层主要由网络基础设施下一代Internet/下一代网络群智感知网络，网络节点，数据库/知识库服务系统,通信协议,通信协议间的协调机制构成，网络层保证感知数据在异构网络中可靠传输，提供各种监测事件和控制命令，其功能相当于TCP/IP结构中的网络层和传输层。
网络层安全结构的设计必须兼顾高效性、特异性和兼容性。在CPS中，感知数据和控制指令都具有时效性，在设计密码协议时可以考虑适当降低密码的安全等级以获得更高的处理效率。CPS由大量异构网络构成，这些网络性能各不相同，对网络攻击的防御能力也存在着巨大的差异。相对于通用安全结构，针对网络特异性设计专用安全协议更为合适。此外，安全结构的设计还必须考虑到安全协议的一致性与兼容性，实现异构网络的平滑过渡、无缝衔接。
网络层的安全结构可以分为两个子层：点对点安全子层和端到端安全子层。其中，点对点安全子层保证数据在逐跳传输过程中的安全性，对应的安全机制包括：节点间的相互认证、逐跳加密、跨网认证。端到端子层主要实现端到端的机密性并保护网络可用性。安全机制包括：端到端的认证和密钥协商、密钥管理和密码算法选取、拒绝服务和分布式拒绝服务攻击的检测与防御。另外，根据网络通信模式的不同，还应设计针对单播、广播、组播的专用安全机制。
协同处理层由多个具有不同功能的智能处理平台组成，构成决策控制单元模块,采用网格或云的方式组织这些平台的计算能力，协同处理层根据应用需求将原始感知数据处理成不同的格式，从而实现同一感知数据在多个应用系统间的共享，同时根据感知数据和来自应用层的用户命令智能决策、调整控制子系统内部的预设规则，改变控制子系统的运行状态。
协同处理层实现海量数据的高效处理以及网络行为的智能决策，其最大的特点是“智能”和“协同”。“智能”的核心是信息的自动处理，只有自动处理技术才能实现对海量数据的分类、过滤、识别和处理。然而智能处理技术对恶意信息的检测能力有限，提高恶意信息的识别能力是本层安全结构设计的一个重要挑战； “ 协同”的核心是异构平台的协作计算，在协作的过程中系统可能泄露数据所有者的隐私，实现信息内容与信息来源的分离，是本层安全结构设计的另一个重要挑战。此外，根据数据的时效性、来源的可靠程度建立数据的可信度量化机制，实现加密数据的高效挖掘等，也都是本层安全机制所必须解决的问题。
协同处理层的安全机制包括：恶意代码和垃圾信息的检测和过滤、安全多方计算和安全云计算、计算平台的访问授权和灾难备份、数据的可信度量化、隐私保护和安全数据挖掘。
应用层面向用户提供个性化业务、身份认证、隐私保护和人机交互接口，面向协同处理层提供用户操作指令，通过应用层提供的接口，用户可以使用电视、个人电脑、移动设备等多终端设备访问信息物理融合系统。
应用层安全结构的设计必须遵循差异化服务的原则。基于CPS的应用系统种类繁多，安全需求各不相同，同一安全服务对于不同用户涵义也可能完全不同。例如，用户隐私保护服务对于移动用户而言可能是用户位置信息的保密，对于医疗系统可能是病历信息与病人身份的分离，对于在线选举系统则可能是实现用户匿名。因此根据用户需求提供具有针对性的安全服务，是应用层安全结构设计的核心理念。
通过对信息物理融合系统层次模块的划分和定义，CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或控制一个物理实体，最终实现信息世界和物理世界的完全融合，从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。在CPS中通过对感知能力、通信能力和计算能力嵌入到物理设备中，对外部环境资源进行分布式感知、可靠数据传输、综合信息处理、并通过反馈循环实现对物理世界过程的实时控制，在环境变化时，系统可以动态地自我调整以满足用户需求，其系统模型如图3所示。
信息物理融合系统(CPS)各层次模块，在逻辑上紧密结合，基本组件结合反馈控制机制构成信息物理融合系统的基本功能逻辑单元，执行信息物理融合系统最基本的监测和控制功能。
信息物理融合系统(CPS)的基本功能逻辑单元
CPS的基本组件包括传感器(Sensor)、执行器(Actuator)和决策控制单元(Decision-making Control Unit)。传感器是一种嵌入式设备，能够监测、感知外界的信号、物理条件（如光、热）或化学组成（如烟雾）；执行器是一种嵌入式设备，能够接收控制指令并对受控对象施加控制作用；决策控制单元是一种逻辑控制设备，能够根据用户定义的语义规则生成控制逻辑。
基本组件结合反馈循环控制机制（见图4）构成了CPS的基本功能逻辑单元(如图5所示)，执行CPS最基本的监测与控制功能。传感器与执行器是物理和计算世界的接口，决策控制单元根据控制规则部署监测任务；传感器将感知信息反馈给决策控制单元，作为控制规则算法的输入经过计算得到控制指令；执行器根据控制指令操控物理对象。
信息物理融合(CPS)的基本特征
实时性。在CPS中，由于引入感知、传输、控制的反馈循环，信息的传输和处理带来时延、而精确控制需要根据当时的采样数据进行，这就对系统的实时性提出了较高的要求。
分布式。CPS中往往存在多个单元，并通过相互协作完成复杂任务，每个单元采集和处理的部分信息，并通过发布/订阅模式，将分布式的信息进行汇总分析，协调各个单元的任务分配，实现复杂的计算处理功能。
高可靠性。不同于传统的控制系统，由于CPS中引入了通信过程，会带来数据失真，并且物理过程的不确定性也会引入某些异常因素，而在CPS系统应用中，必须要具有一定的容错性，才能保证采集信息和反馈信息的真实可靠，实现系统的正常稳定工作。
强安全性。由于CPS系统的应用涉及多种重要场合，其控制过程将对物理环境产生直接作用，对CPS系统的破坏将产生不可估量的后果，故CPS系统的安全性必须得到保证。
多样性。CPS系统所连接的设备多种多样，规模可大可小，并可能使用不同的标准和协议，网络构成具有多样性，同时从宏观上，CPS可以是一个专有的系统，也可以是全球互联的庞大系统，具有多类型、多尺度的特点。
自治性。在CPS系统中，人处于辅助地位，整个系统可以自动进行对物理环境的感知、信息传递、计算处理和反馈控制过程，各种资源能够根据任务需求自动重组和重配置，自治性是CPS系统有别于其他系统的一大特点。
附图说明
图1信息物理融合系统层次结构模型层次模块图。
图2信息物理融合系统层次结构模型层次结构图。
图3信息物理融合系统模型图。
图4信息物理融合系统反馈循环图。
图5信息物理融合系统基本功能逻辑单元结构图。
其中：1、物理层，2、网络层，3、协同处理层，4、用户应用层，5、传感器网络模块，6、执行器网络模块，7、下一代Internet/下一代群智感知网络，8、网络节点，9、数据库/知识库服务器，10、决策控制单元模块。

Claims (8)

1.一种信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：所述信息物理融合系统层次结构模型划分为：物理层(1)，网络层(2)，协同处理层/决策层(3)和用户应用层(4)。
2.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：所述物理层由感知子系统传感器网络模块(5)，控制子系统执行器网络模块(6)构成，主要负责从物理世界采集原始信息，并根据系统指令改造物理世界，接收来自网络层的监测命令。
3.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：所述网络层(2)主要由网络基础设施下一代Internet/下一代群智感知网络(7)，网络节点(8)，数据库/知识库服务系统(9),通信协议,通信协议间的协调机制构成，网络层保证感知数据在异构网络中可靠传输，提供各种监测事件和控制命令，其功能相当于TCP/IP结构中的网络层和传输层。
4.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：所述协同处理层/决策层(3)由多个具有不同功能的智能处理平台组成，构成决策控制单元模块(10),采用网格或云的方式组织这些平台的计算能力，协同处理层根据应用需求将原始感知数据处理成不同的格式，从而实现同一感知数据在多个应用系统间的共享，同时根据感知数据和来自应用层的用户命令智能决策、调整控制子系统内部的预设规则，改变控制子系统的运行状态。
5.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：所述用户应用层(4)面向用户提供个性化业务，身份认证，隐私保护，人机交互接口，面向协同处理层提供用户操作指令，通过应用层提供的接口，用户可以使用电视、个人电脑、移动设备等多终端设备访问信息物理融合系统。
6.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：物理层(1),
网络层(2)，协同处理层(3)，逻辑上紧密结合，基本组件结合反馈控制机制(11)构成信息物理融合系统的基本功能逻辑单元(12)，执行信息物理融合系统最基本的监测和控制功能。
7.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：反馈控制机制(11)由决策控制单元模块(10),执行器网络模块(6),被控对象物理世界，传感器网络模块(5)构成，根据用户规则的输入，由决策控制单元模块(10)对执行器模块网络(6)发出控制指令，执行器网络模块(6)执行控制指令，输出控制量，传感器网络模块(5) 通过对被控对象的感知，向决策控制单元模块(10)提供感知信息，构成反馈环控制机制。
8.如权利要求1所述信息物理融合系统层次结构模型，其特征在于：信息物理融合系统的基本功能逻辑单元(12)的工作方式，传感器网络模块(5)与执行器网络模块(6)是物理和计算世界的接口，决策控制单元模块(10)根据控制规则部署监测任务，传感器网络模块(5)将感知信息反馈给决策控制单元模块(10)，作为控制规则的算法的输入经过计算得到控制指令，执行器网络模块(6)根据指令控制物理对象。
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