周楊，秦嘉杭

（南京財經大學 信息學院，南京 210046）

引 言

現(xiàn)有互聯(lián)網系統(tǒng)地址缺乏，協(xié)議不完善，安全問題嚴重，已經成為人們的共識，但是僅僅改善這幾個方面，就可以稱為“下一代”互聯(lián)網嗎？很明顯，針對現(xiàn)有互聯(lián)網的修補與完善，無論是技術上還是結構上都不是革命性的，稱之為“下一代互聯(lián)網”有些牽強。而集計算、通信與控制功能于一體的信息物理系統(tǒng)，不僅使物與物緊密相連，也可以使人與物實現(xiàn)實時的互動，突破虛擬世界與現(xiàn)實世界的界限，同時也突破了現(xiàn)有互聯(lián)網的局限，使之更接近“下一代”互聯(lián)網的定義。本文介紹了CPS（Cyber Physical System，信息物理融合）的概念、研究熱點以及最新應用。

1 CPS簡介

CPS作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，實現(xiàn)多個系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。CPS的概念最早是由美國國家基金會在2006年提出，并在2007年由美國總統(tǒng)科學與技術顧問委員會（PCAST）將CPS作為網絡與信息技術領域的第一提案。2008年，美國CPS指導小組在《CPS執(zhí)行綱要》中，把CPS應用放在交通、國防、能源、醫(yī)療、農業(yè)和大型建筑設施等方面?？梢娒绹鴮PS作為基礎設施建設，投入大量資金扶持相關產業(yè)。

而在歐洲，為了在未來成為智能電子系統(tǒng)的世界領袖，歐盟計劃在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術（ARTMEIS）上投入54億歐元，可見其對CPS的重視程度。

在國內，CPS也受到了重視，國家自然科學基金、“973計劃”與“863計劃”都將其列為重點。西方發(fā)達國家對CPS的研究也剛剛起步，所以我國完全可以在此領域競爭關鍵技術的主導權。

2 研究熱點

CPS是圍繞現(xiàn)實世界中的人與物構建的一個龐大的、復雜的實時系統(tǒng)，人們可以通過這個系統(tǒng)感知世界，還可以對所有連接這個系統(tǒng)的物體發(fā)出指令?？梢?，擁有眾多復雜功能的CPS系統(tǒng)是多學科交叉的前沿研究領域，其中的研究熱點包括網絡融合、節(jié)點接入與管理、系統(tǒng)安全等。

2.1 網絡融合

CPS系統(tǒng)的一個主要功能是實現(xiàn)現(xiàn)實世界物與物之間的互聯(lián)，以及人與物的互動，這樣的功能其實就是一個復雜的網絡系統(tǒng)。CPS既要提供同一網絡的水平通信，也要提供不同網絡的垂直通信功能。

現(xiàn)有的網絡，如公共電話網、蜂窩移動通信網、Ad hoc網絡、Wi－Fi、WiMAX、無線傳感網等，因為每種網絡的規(guī)模都很大，且結構與通信方式皆不同，所以幾乎不存在使用一種網絡將其他網絡替代的可能，以達到互聯(lián)互通的目的。因此，如何使各種網絡通過一種統(tǒng)一的方式連接起來，實現(xiàn)互聯(lián)互通，是CPS系統(tǒng)的一個難點，也是當前的研究熱點。

目前網絡融合研究的重點只集中于少數(shù)幾種網絡，著重于網關選擇與網絡切換。但CPS網絡具有異構性、深度嵌入、業(yè)務種類多、數(shù)據(jù)量大等特點，且不同的網絡占用頻率不同，數(shù)據(jù)率有著巨大差異，現(xiàn)有的研究成果還不能解決上述問題。統(tǒng)一的物理層和MAC層協(xié)議，使底層對上層“透明”，是未來的研究重點和趨勢。

2.2 節(jié)點接入與管理

在無線通信中，節(jié)點的移動是不可避免的。如移動蜂窩通信網中，用戶從一個小區(qū)到另一個小區(qū)，需要經過切換、注冊、更新等一系列動作，才能重新獲得服務。WiMAX中的跨區(qū)切換與蜂窩移動通信類似，不過更加復雜一些，因為WiMAX網絡中使用的是IP地址，跨區(qū)切換時需要保證地址的唯一性，而蜂窩移動通信中用戶的設備ID是唯一的。WLAN雖然不支持高速移動節(jié)點，但是也允許節(jié)點的自由移動，且與WiMAX和蜂窩移動通信使用的頻率需要政府發(fā)放牌照不同，WLAN使用的是免許可頻率。

現(xiàn)有的解決節(jié)點移動的方法一般使用網絡層漫游技術，即改變移動節(jié)點的IP地址，如移動IP（MIP）、蜂窩IP（CIP）等，但移動IP與蜂窩IP都不適用于大型網絡。

節(jié)點的拓撲控制也是CPS網絡待解決的難點之一。在Ad hoc網絡中，大量節(jié)點的頻繁進出會導致鏈路斷裂、路由失效，影響節(jié)點之間的通信。如前所述，CPS網絡本身就是一個開放式的網絡，允許各種網絡、各種節(jié)點自由接入、退出網絡，且相對于Ad hoc網絡，CPS網絡的規(guī)模更大，所以如何定位節(jié)點、如何快速得到節(jié)點的拓撲、如何快速路由是CPS網絡通信的難題。

同網絡融合一樣，當前對節(jié)點的接入與管理也只是局限于同構網絡中，對于異構網絡的節(jié)點管理的研究還很少。筆者認為，解決節(jié)點的接入與管理問題可以在網絡融合的基礎上進行，若網絡融合技術使用統(tǒng)一的底層協(xié)議，則整個CPS網絡則也可以像一個同構網絡一樣運行，CPS網絡中節(jié)點接入與控制的復雜性則相應得到大大簡化。

2.3 安全性問題

與互聯(lián)網類似，CPS網絡也面臨傳統(tǒng)的網絡威脅，因此安全與隱私問題也是目前的研究熱點。像現(xiàn)有的拒絕服務攻擊、僵尸網絡、身份欺騙、信息竊取等網絡攻擊手段，都是CPS可能遇到的問題，現(xiàn)有的解決方法也可以引入到CPS網絡中。且由于CPS網絡涉及各種物理節(jié)點（如傳感器等），攻擊者也可以針對物理節(jié)點進行攻擊，使系統(tǒng)接收到虛假信息，這是傳統(tǒng)互聯(lián)網沒有涉及的問題。筆者建議在設計CPS網絡的體系結構時，應盡可能多地考慮當前互聯(lián)網所遇到的問題，使攻擊者無法或者難以入侵CPS網絡，這一切都應該建立在網絡融合的協(xié)議基礎上。

3 CPS應用

一種新技術的誕生可以對現(xiàn)有的行業(yè)產生沖擊，并催生出新的行業(yè)。如果它是革命性的，則將極大地影響人們的生活。就像互聯(lián)改變了人類的生活方式，并產生了互聯(lián)網這一新生事物一樣，CPS網絡的誕生也將改變人類世界，其應用包括智能電網系統(tǒng)、智能交通、智能醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等。下面將介紹一些CPS的最新應用。

3.1 物聯(lián)網

現(xiàn)在國內談論最多的是物聯(lián)網，但實質上它只是CPS的一個簡約應用。物聯(lián)網的概念最早在1999年被提出，指的是物與物相連的網絡系統(tǒng)。其實質是利用射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS等感應與定位設備，按照預先設定的協(xié)議，將任何物品接入網絡，以實現(xiàn)物品識別、定位、監(jiān)控等功能。物聯(lián)網的核心仍然是互聯(lián)網，在現(xiàn)有的網絡協(xié)議與體系結構上進行有限的擴展，使物品可以方便地接入網絡，便于使用者使用網絡進行實時監(jiān)控與管理。與前述CPS網絡對比，可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網只是CPS網絡的一個簡化版，因為功能較少且技術復雜度相對較低，物聯(lián)網可以看做是CPS大規(guī)模應用的一個鋪墊。

3.2 智能電網

智能電網一般是指將測量技術、通信技術、自動化與智能控制技術運用到現(xiàn)有的物理電網中而形成的新型電網。當前，我國的風力、太陽能發(fā)電發(fā)展迅速，不僅環(huán)保，而且資源利用率高。但是因為這些分布式電源的發(fā)電能力不穩(wěn)定，會隨著外部環(huán)境發(fā)生極大的波動，而電網必須平穩(wěn)，且需要匹配當?shù)仉娏π枨螅坏┌l(fā)生波動，容易產生電網中斷或負荷過載等問題。如何使用CPS系統(tǒng)實時監(jiān)測、遠程控制等功能，使各種分布式電源精確、安全地接入電網，是典型的CPS應用。由于涉及物理設備眾多，且安全性要求很高，智能電網的應用是一個極大的挑戰(zhàn)。

3.3 智能交通

在國內，隨著城市化進程的加快、人們生活水平的不斷提高，城市日益擁堵，各種事故的發(fā)生也日漸頻繁。依靠擴修道路、建設高架、鼓勵公共交通等傳統(tǒng)手段，已無法有效解決上述問題。發(fā)展智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）已成為不二選擇。在智能交通系統(tǒng)中，道路、橋梁、路口、交通信號等信息都會被實時監(jiān)控，這些海量信息都通過系統(tǒng)進行分析、發(fā)布、計算，使道路上的車輛能夠實時共享道路信息，而道路管理人員也可以通過該系統(tǒng)實時監(jiān)控各重點路段的情況，必要時甚至可以發(fā)布消息引導車輛行駛，從而改善現(xiàn)有的城市交通狀況。當然，智能交通系統(tǒng)只是CPS應用的一部分，在研究人員的設想中，其目標是零交通事故，不僅使車輛駕駛人員受益，也使步行的人能夠借助該系統(tǒng)避免交通事故，真正做到人與物的融合。

3.4 醫(yī)療系統(tǒng)

下一代的醫(yī)療系統(tǒng)是使用有線或者無線連接方式將各種醫(yī)療設備連接在一起的安全的、可靠的網絡，可以為人們提供高質量的服務。例如：當進行一個手術時，病人的完整病歷信息就會被所有的醫(yī)療設備讀取，需要注射某種藥物時，注射設備會自動檢測該病人是否會對該藥物過敏。諸如此類的自動檢測會大大提高治療的安全性，提供更好的個人護理方案。在進行治療時，治療方式和病人的所有反應都會以某種方式傳送給醫(yī)生或其他相關人員，以便診斷。當出現(xiàn)特殊病例時，醫(yī)療專家會使用遠程系統(tǒng)查看相關信息，并使用遠程醫(yī)療設備進行遠程手術操作等。從以上描述可見，下一代醫(yī)療系統(tǒng)是以網絡融合為基礎，以各種醫(yī)療設備為節(jié)點的CPS網絡，還涉及各種信息的融合與分派，且對網絡的服務質量要求很高，不僅傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，而且要求實時性，這是由醫(yī)療系統(tǒng)的特殊性決定的，也是當前互聯(lián)網的瓶頸，如何解決這一問題是醫(yī)療系統(tǒng)與CPS網絡的共同難題。

結 語

物聯(lián)網的研究與運用已經有些成果，而CPS的研究卻剛剛開始。作為CPS網絡的簡化版，物聯(lián)網的現(xiàn)有成果都可以為CPS借鑒；而作為CPS網絡的模型，物聯(lián)網則可以盡可能地擴展，做盡可能多的嘗試，使其接近CPS網絡的定義，為CPS網絡的發(fā)展提供經驗。我國的物聯(lián)網發(fā)展有一些成果，這是我國在研究CPS系統(tǒng)方面的優(yōu)勢，如何利用現(xiàn)有成果搶占未來的技術制高點，筆者認為這是一個需要關注的領域。

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