基于事件驅動CPS體系架構的層級模型

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(空軍工程大學 理學院,西安 710051)

0 概述

在傳統的有關計算系統和物理系統的觀念中,信息世界與物理世界是分開的,因此,各領域中信息基礎設施建設與物理基礎設施建設是相互獨立的。隨著信息化和網絡化的飛速發展,現有的技術已不能滿足人們的需求,因而人們對技術提出了更高的要求。物理世界正朝著人們期望的物理世界與信息世界相互融合和統一的方向發展,在這樣的驅動下,信息物理融合系統(Cyber-Physical System,CPS)技術應運而生。CPS從廣義上理解,就是一個在環境感知的基礎上,深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統,它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能,以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體[1]。CPS的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合,構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡,并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式”[2-4]。CPS將改變人與物體、物體與物體的交互方式,其應用領域非常廣泛,包括智能電網系統、智能交通系統、航空航天電子系統、智能醫療系統、信息家電系統、環境監測、智能建筑、工業控制、國防系統、武器系統等[5]。如何將這個復雜系統搭建起來,引起越來越多的學者研究。

文獻[6]根據CPS的概念和特性,構建了CPS的三層體系架構,分別為包含實體的物理層、將資源互連互通的網絡層和為用戶服務的應用層。文獻[7]提出了CPS的典型邏輯的體系架構,其中包括感知執行層、數據傳輸層和應用控制層。文獻[8]中指出CPS體系架構主要由基于系統視圖的、基于功能視圖的和基于技術視圖的組成。

本文對CPS體系結構進行研究,針對CPS的本質和特性,提出基于事件驅動的CPS體系架構層級模型。

1 本質特性

CPS系統是將物理世界與信息世界高度融合的系統,是一個大規模、復雜的異構系統。不同于因特網和物聯網,存在著自己獨有的特征。下文從系統的本質和特征兩方面來描述CPS系統。

1.1 系統本質

根據CPS的定義,以及文獻[9]中的描述,將CPS系統的本質分為4個方面,即深度融合、智能感知、泛在互聯和交互協同。4個方面存在著相應的關系,智能感知是基礎,泛在互聯是特性,交互協同是方法,深度融合是目的。

1)深度融合。深度融合有兩方面的含義:一方面,CPS是信息世界和物理世界的深度融合,通過CPS實現人機之間的交互,從而改變人與物體、物體與物體交流的方式;另一方面,CPS是計算系統、通信系統、感知系統和控制系統的緊密融合,最終形成一種感知——控制系統,來實現與物理世界之間的互動。

2)智能感知。對于物理世界的感知是CPS系統實現的基礎,通過傳感器感知得到物理世界的變化信息,經過處理器生成控制指令來反作用于物理世界。而CPS系統的感知并不是對所有的物理世界的變化都要生成信息傳遞給系統,它只是根據系統現有的狀態感知相應需要的變化信息,再將信息傳遞相應的處理單元,達到智能感知的目的。

3)泛在互聯。CPS系統是大規模的、多子系統的、異構的系統,實現這些子系統之間的互聯互通,是實現CPS系統的基礎。利用有線、無線、4G等類型的通信網絡實現CPS的大規模的泛在互聯,只有系統之間互連互通,才可以實現CPS的另一個特性——交互協同。

4)交互協同。CPS系統不僅要實現人與物理世界的互動,還要實現個體之間的交互協同。泛在互聯實現的是互連互通,而交互協同實現的是個體之間的互操作,也就是某個個體可以控制另一個個體實現相應的指令,而不需要經過控制個體的處理器來做決策。個體之間的交互協同的實現,不需要每個個體都掌握全局的信息,從而節省大量的資源。

1.2 系統特性

系統的本質是區別于其他系統不一樣的方面,而系統的特征是該系統必須具備的。將系統的特性分為復雜性、異構性(多樣性)、混雜性、靈活性、時間關鍵性、自治性、海量性[10-11]。

1)復雜性。文獻[1]指出CPS是一個多維度的、動態的、大規模的非線性系統,具有高度的復雜性,通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環,實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能,具有復雜系統的“涌現”特質。CPS系統是將通信、計算和控制功能于一身的網絡化的智能系統,每個組件都具有通信、計算和控制的能力,而將所有組件統籌起來,就會存在許許多多的復雜問題,因此,復雜性就是系統的重要特性。

2)異構性(多樣性)。CPS又是一個異構的分布式系統,分布異構性是CPS的一種組成特性。其異構性表現為以下3個方面:(1)傳感器、執行器及通信網絡部件的異構,系統由異質的物理設備構成;(2)內部信息的異構,系統涉及多樣的異構數據需要傳輸和處理,表現為數據的多模多態性;(3)系統內部處理進程的異構,同時包含計算進程、物理進程及其相互影響的反饋循環,同時包含時空兩方面的因素。CPS的異構性導致系統的混雜性,是系統構建與建模的最大挑戰。

3)混雜性?；祀s性是CPS的一種內在組織機制特性,CPS系統通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合,通過實時交互來擴展新的功能,這導致了系統的處理對象既有數字的變也有模擬的,既有離散的也有連續的,既有從靜態的也有動態的,是一個多模、多態計算對象并存的系統。在微觀方面,CPS系統在某個時間片內表現為連續性的演化,是一種基于因果模型的演變,在宏觀方面,在整個生存期內則又表現為離散狀態的遷移,而且兩者交替演進,形成復雜的動態過程并生成新的功能。這種計算進程和物理進程深度耦合所帶來的混雜性是CPS系統重要特征,混雜性也構成了CPS研究的關鍵挑戰,CPS的混雜系統建模是一個重要研究方向。

4)靈活性。CPS的目標是完成各種任務,那么各種資源要能夠根據任務的需要,動態的重組和重配置。系統中的組件應該具有根據具體需要,隨時隨地地加入或退出的能力。再加上系統中某部分組件的毀壞,系統要能夠自由的補充。如感知設備電池耗盡,要能夠自動組織其他的設備或資源來確保感知設備的正常運行。

5)時間關鍵性。時間關鍵性是CPS的一種內在本原特性,CPS系統必須對物理世界動態演變做出響應,時間敏感性取決于應用的實際要求,計算組建需要實時掌握物理設備的運行狀態參數,相關決策控制指令需通過網絡由物理設備執行,信息獲取和提交的實時性也會影響到感知精度和決策的準確性,這對計算進程的時間有效性要求很高,對網絡實時性要求也非常高,新一代網絡是建立高性能CPS的關鍵。因此,時間關鍵性是CPS的一種內在本原特征,不能保證時間關鍵性的系統從本質上不能稱為CPS系統。

6)自治性。由于CPS系統是網絡化的智能系統,因此自治性是必須滿足的。CPS系統是物理世界和信息世界的高度融合,物理世界產生的變化被智能感知,形成相應的指令傳遞給處理器,處理器進行處理,生成控制指令控制執行器反作用于物理世界,進而形成反饋的感-控系統。而整個過程中應該是系統的自我決策、自我控制,人在整個過程中的作用是相對較小的。

7)海量性。海量信息性來源于CPS的復雜性、分布異構性、時間關鍵性等,由于CPS可視為一系列物理設備組合而成的智能網絡,網絡中的智能設備需要進行實時數據采集和交互,CPS中有海量多源異構信息需要實時處理和傳輸,如何傳輸、處理、存儲系統中的海量信息是決定CPS性能的關鍵因素,信息融合是構建高效CPS關鍵技術。

2 事件驅動

如何實現物理世界與信息世界的完全融合成為實現CPS系統的重大挑戰[12]。文獻[13]提出事件可以很好地將物理世界與信息世界連接起來,用來實現CPS系統。事件是實現混雜的、大規模的、異構的、多維的非線性的CPS系統一種較好的模型,并且事件模型是表示物理世界變化的一種較為自然的模型。

2.1 事件

事件是動作發生的指示符,用來指示什么導致了模型中狀態的改變。事件可以包含一個或者多個參數,這些參數用來描述事件的屬性、屬性值、事件可信度和事件發生的組件標識[14-15]。

假設事件一般用四元組來表示事件:

Event={IdEvent,AttEvent,Att-valEvent,

TimeEvent,SpaceEvent,ConEvent}

其中,IdEvent表示事件Event發生在組件上,此組件的名字,用來標識,AttEvent表示事件Event的屬性集,Att-valEvent表示事件Event的屬性對應的屬性值集,TimeEvent表示與事件Event相關的時間信息,SpaceEvent表示與事件Event相關的空間信息,ConEvent表示事件Event的可信度。

例如,事件A表示有關臥室的環境溫度,如A={sen,Tem,30 ℃,PM(3∶00),bedroom,0.9}表示,事件A發生在組件sen上,溫度為30 ℃,發生時間為下午3∶00,地點為臥室,該事件的可信度為90%。

2.2 事件驅動流程

物理環境和對象狀態的逐漸變化構成系統狀態的演變,這種狀態的漸變達到一定程度則觸發具體的CPS事件,控制命令的執行也會觸發事件,形成如下圖所示的計算進程與物理進程的交互過程。CPS的事件驅動性來自于系統的時間關鍵性、自主性及異構性等,事件驅動性也帶來了CPS系統網絡在傳輸機制上的變革,在CPS內部,信息的傳輸不再僅基于請求/應答或發布/訂閱機制,更主要的一種機制是主動推送,實現按任務、角色、權限、狀態的信息與事件直接即時單/組/廣播推送。

如圖1所示,傳感器智能感知物理世界的變化生成未經處理的CPS事件,然后經過事件處理得到處理后的事件交給計算單元,計算單元綜合處理生成決策事件,決策單元根據事件的優先級等,形成控制事件傳遞給執行器,執行器執行控制事件觸發的狀態轉移后反作用于物理世界,物理世界發生相應的變化。這樣,整個事件驅動的過程形成了CPS系統的反饋控制環。

圖1 CPS事件驅動流程

3 體系架構

CPS是高效能的網絡化的智能信息系統,通過一系列計算單元和物理對象在網絡環境下的高度集成與交互提高系統在信息處理、實時通信、遠程精準控制以及組建自主協調等方面的能力,是時空多維異構的混雜自治系統[16]。因此,CPS的體系架構是CPS系統的核心技術,是實現CPS系統的基礎。好的體系架構可以節省大量的資源,可以更加高效地達到系統實現的需要。

CPS系統既不是簡單的分布式系統,也不是簡單的集中式系統,CPS是多子系統異構下的混合系統。實現異構子系統之間的泛在互聯和交互協同是CPS系統實現的關鍵,基于此,提出CPS體系架構的金字塔模型。

3.1 個體

CPS中的個體是整個體系架構的基礎,建立好CPS中的個體,將決定整個系統的功能和靈活性。CPS系統是深度融合、智能感知、泛在互聯和交互協同的復雜系統,根據系統的特性,將CPS體系架構中的個體設計如圖2所示。

圖2 體系架構中個體示意圖

處理器的處理效率決定了CPS體系架構中個體的感知、執行和處理信息的效率,因此,將處理器分為感知處理器、中心處理器和執行處理器三部分。這樣既可以提高系統效率,也可以更好地實現CPS系統中個體之間交互。

定義1(感知處理器) 將所有被動采集和主動采集的信息進行處理,得到中心處理器需要的信息。信息的來源可以是傳感器,也可以是用戶,或者是其他處理器。

定義2(中心處理器) 處理由傳感器采集的信息,或者是由其他中心處理器傳遞過來的信息。經過中心處理器對信息的處理,可以得到要進行的執行的指令或者命令等。

定義3(執行處理器) 對由中心處理器或者其他中心處理器傳遞過來的指令或者命令等進行響應,實現對物理世界的控制作用,形成控制的閉環回路,更好地實現CPS系統。

如圖3所示,傳感器采集物理世界的數據或信息交給感知處理器進行處理后,得到系統所需要的感知事件,在經過中心處理器的處理器生成決策事件,傳遞給執行處理器,執行處理器對決策事件進行優先級等的判斷生成最后的控制事件,控制事件經過執行器的響應作用于物理世界,形成CPS系統的感控系統。與此同時,用戶可以向感知處理器發送數據或信息,來優化、豐富信息的內容,便于更好地實現對物理世界的感知,形成感知事件。此外,用戶也可以直接發送控制事件給執行處理器進行控制事件響應的先后順序的判斷,而不需要經過中心處理器的處理,來減少對中心處理器的占用,提高實時性。同樣,用戶也可以發送感知事件、決策事件和控制事件給中心處理器,用中心處理器來實現某些相關的功能等。

圖3 個體中事件驅動的示意圖

3.2 層級

CPS中的層級是整個體系架構的關鍵,層級關系是集中式優點的體現,因此,也應是混合式系統的優點。層級是構成龐大系統的基礎,不能將任何事情都讓最低層的處理器進行處理,這樣得到的決策考慮的不夠全面,會影響系統的穩定性和精準性;同時,也不能將所有的事情交給中央處理器進行處理,這樣不利于系統實時、高效的實現。

中心處理器和代表處理器之間的層級關系如圖4所示,代表處理器可以直接控制屬于該代表處理器下的所有中心處理器。中心處理器不能處理的信息或指令可以通過通信鏈路傳遞給代表處理器處理,得到結果后返回給中心處理器做響應。

圖4 最低層的層級結構示意圖

定義4(代表處理器) 中心處理器的代表,可以處理中心處理器不能進行處理的信息和控制,可以提供中心處理器不能獲得的數據或信息。

定義5(低級代表處理器) 構成金字塔模型中層級關系的基礎,低級代表處理器受到同級處理器和比其高級的代表處理器的控制,低級代表處理器可以控制比其低級的處理器。

定義6(高級代表處理器) 構成金字塔模型中層級關系的基礎,同理,高級代表處理器受到同級處理器和更高級代表處理器的控制,高級代表處理器可以控制低級代表處理器。

如圖5所示,低級代表處理器和高級代表處理器構成金字塔模型中最為重要的層級關系。層級關系是集中式的代表,但同級處理器之間的互連互通互操作又是分布式的典范。其中,低層代表處理器可能是比其更低級處理器的高級代表處理器,如中心處理器;而高級代表處理器會是更高級代表處理器的低級代表處理器,如中央處理器。最低層的事件驅動示意圖如圖6所示。

圖5 層級結構示意圖

圖6 最低層的事件驅動示意圖

如圖6、圖7所示,各級代表處理器傳遞感知、決策和控制事件給高級代表處理器處理,經過高級代表處理器的處理,將所得的控制事件和決策事件有返回到相應的較為低級的代表處理器處理響應。并不是將所有的事件都要傳遞給更高級的處理器來處理,而是將自己處理不了的事件或級別較高的事件交由更高級的處理器來處理。

圖7 層級中的事件驅動示意圖

3.3 總體

個體的設計體現系統中單獨組件功能,層級體現了個體與個體之間的關系,以及層級與層級之間的關系。而總體的設計是復雜系統設計的重點,關系著系統整體運行的穩定性和效率,也是CPS系統中總體特性的體現。

定義7(中央處理器) CPS系統中層級最高的處理器,可以處理系統中的所有信息和控制指令,并且不會成為其他代表處理器的低級代表處理器。中央處理器可以控制該系統中所有的層級和所有的個體。

層級模型如圖8所示,層級模型中的事件驅動示意圖如圖9所示,在CPS的體系架構中,高級的代表處理器可以直接傳遞決策事件和控制事件給較為低級的代表處理器,中心處理器是最低級的代表處理器,而中央處理器是最高級的代表處理器。與此同時,較為低級的代表處理器向比其高級的代表處理器的傳送感知事件和決策事件。比如,屬于同一個代表處理器下的個體,它們可以相互操作。而不屬于同一個代表處理器下的個體,如果要進行相互控制必須經過這些個體對應的代表處理器之間的聯系,從而實現互操作。此外,高級處理器可以控制所有下屬的個體或層級間的代表處理器,中央處理器可以控制所有的代表處理器。

圖8 層級模型

圖9 層級模型中的事件驅動示意圖

層級與層級之間是集中式處理,而層級內部是分布式處理,高級的代表處理器可以直接控制最底層的中心處理器,但是不能控制其感知處理器和執行處理器。這樣就形成了層級之間集中式、層級內部分布式的混合式的體系架構。

4 應用舉例

智能家居系統利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術,將與家居生活有關的子系統有機結合在一起,通過統籌管理,使家居生活更加舒適、安全、有效。智能家居系統是一種具體的CPS系統,本文以臥室、客廳中的照明系統、空調系統、遮陽通風系統為例,驗證CPS體系架構的層級結構模型[17-19]。

4.1 個體應用舉例

本文以臥室的照明系統、空調系統、遮陽系統和客廳的照明系統、空調系統、遮陽系統作為CPS體系架構中的個體。這些個體的結構類似,如圖2所示,只是每個個體的感知的變化和控制指令不盡相同。比如,臥室的照明系統,如果人們進入了睡眠狀態,其應該調整其靈敏度,不會因為各種小聲音使燈打開,影響人的休息。而在書房中的照明系統與臥室的照明系統是不一樣的,客廳中的照明系統會根據人看書的時間以及外部環境的亮度,調節燈的明亮程度,使人們進行舒適的閱讀。其他幾個個體之間也存在類似的不同,而不同性能的個體之間的不同是比較大的。

4.2 層級應用舉例

將臥室的照明系統、空調系統和遮陽通風系統作為一個代表處理器下的3個個體,同樣,客廳的3個子系統形成各自的代表處理器下的單獨個體,如圖10所示。照明系統可以直接控制空調系統和遮陽通風系統,同樣,其他2個系統也可以控制照明系統,都不用經過代表處理器的處理,可以直接傳遞控制指令給相應的響應部件。比如,空調要進行升溫操作,可以直接控制遮陽通風系統關上窗戶,這時不用將信息傳遞給遮陽通風系統的處理器,直接傳遞給執行處理器即可。實現物體和物體直接的互操作,節省大量的資源。

圖10 智能家居中臥室層級結構示意圖

4.3 總體應用舉例

針對臥室和客廳中的照明系統、空調系統和遮陽通風系統會形成如圖11所示的體系架構的層級結構。

圖11 智能家居系統總體的層級模型

如果臥室里的照明系統要控制客廳里的照明系統,要經過其相應的代表處理器之間的交互來實現。比如,人從臥室到客廳,臥室照明系統發送指令給自己的代表處理器,然后在傳遞給客廳的代表處理器控制客廳的燈亮。此外,個體要控制另一個代表處理器下的所有個體,也是要通過同樣的過程進行控制。

經過對智能家居系統的體系架構的設計,可以驗證CPS體系架構的層級結構模型的有效性,并繼承了集中式和分布式相對應的優點,得到的效果也表明了該體系架構既優于集中式的系統架構,又優于分布式的系統架構。

智能家居體系架構的語義,如圖12所示,處理器之間相互傳遞相關的事件,這里將事件分為3類:A類事件為感知或決策事件,B類事件為決策或控制事件和C類事件為感知、決策或控制事件。同層級之間相互傳遞的事件為C類事件,因為同層級之間可以不經過上一層級的允許實現互操作,而不同層級之間是不可以傳遞C類事件。較高層級可以傳遞B類事件給較低層級,這說明較高層級的代表處理器可以實現對較低層級的控制,而較低層級只能傳遞A類事件給較高層級,因為較低層級只能為較高層級的決策和控制提供相應的事件,而不能實現較低層級對較高層級的控制。

圖12 智能家居中事件驅動示意圖

文獻[6-7]中所提出的CPS體系架構的模型從整體方面將CPS系統分為3層,即物理層、網絡層和應用層,并沒有詳細說明用什么驅動該系統的運行。文獻[20]提出的基于數據驅動的事件模型,將離散系統和連續系統聯系起來。通過文獻中提出的體系架構模型,不能方便地構建具體的CPS系統。

本文提出的基于事件驅動的CPS的體系架構模型,既可以很好地繼承數據驅動所帶來的優勢,也可以在實現上減少系統的負擔,因為事件是系統感興趣的數據,所以對數據進行了進一步篩選?？梢栽谕ㄐ?、計算和存儲以及理解上帶來很大的便利,符合人類的思考習慣。此外,本文提出的層級模型可以很好地構造CPS系統,比如智能家居、智能交通以及智慧城市等。并且,通過系統中語義在層級模型中的語義,可以很好地為計算機提供清晰的流程和思路。

5 結束語

CPS是物理世界和信息世界深度融合的大規模、異構的系統,設計好的體系架構,有利于系統的實現。本文提出基于事件驅動的CPS體系架構的層級模型。對系統的本質和特性進行分析,給出事件驅動下CPS系統的事件語義模型,并以智能家居系統為例驗證了該系統的有效性。下一步將在此體系構架下,分析整個事件的驅動過程,具體細化事件驅動的各個步驟,從而實現CPS系統。

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