[论文泛读]《计算机研究与发展》CPS相关论文1（3篇）
2010年的《计算机研究与发展》（增刊2）刊出了3篇关于CPS的论文，随着国家863项目的立项，这个领域的研究会成为一个比较热的方向。纵观这三篇论文，都是关注体系结构方面，基于原有的理论，在CPS背景下进行了微创新，尝试性的提出了适合CPS系统的体系结构或框架，新瓶旧酒。这种科研模式值得借鉴，也降低了论文写作的难度，毕竟中国计算机顶级期刊也认可了这类文章。
论文对于回答什么是CPS服务很有帮助，就像要说明什么是Web服务，先要讲清楚Web系统是什么，然后才能运用面向服务的理论给出Web Service的定义。
一. 王小乐，陈丽娜，黄宏斌，邓苏. 一种面向服务的CPS体系框架. 计算机研究与发展，2010，47（增刊2），299-303
Time: 2 hours
本论文对CPS的基本概念做了分析，对国际上CPS系统架构的研究进展做了列举和说明（302页第2部分），文中提到的英文论文要研读一下。
CPS的概念和定义：
CPS之所以能够提出，归因于嵌入式系统和传感器技术的发展，嵌入式系统使得物理设备具有智能性，传感器技术使得计算系统具有主动感知原始信息的能力，而不需要人将自己获得信息翻译成计算机能理解的数据输入到系统中，这就如人一样具有了神经系统和“眼睛”。
CPS的出现是传感器技术、嵌入式计算、普适计算、人机交互技术、下一代通信和网络技术发展的必然结果。嵌入式系统使得“物”具有了智能，传感器给人工系统装备了“眼睛”，计算机网络实现了信息共享，CPS的终极目标是赋予人工系统神经和智慧，从而形成一个为人服务的信息物理系统。
CPS实现信息物理一体化，首先就是要将计算深深的嵌入到物理中，通过传感器感知物的状态信息，通过执行器改变物的状态，采用嵌入式方法将计算嵌入到设备中，再将感知、执行等设备置人物理环境。其次，将设备网络化，实现物物相连，突破资源约束带来的能力受限问题，实现资源共享和分布式计算。
CPS的特性：
- 每个物理部件都具有计算和通信能力。
- 网络具有多样性，网络规模巨大。
- 动态重组和重配置。
- 在任意时空规模上控制循环是封闭的，人有可能也在该闭环中．
- 操作必须是可靠的，在某些情况下可验证。
- 分布式管理和控制。
- 时间特性。
- 容错性。
时空特性：计算与物理过程紧密结合体现在设备空间上的紧密结会，也体现在事务处理的实时性。在社会系统中有确定的时间可以正确的标记事件的顺序，CPS中也需要这样的全局时间和并发控制来确定事件顺序和处理随时随地出现的任务。
在计算机网络系统中，SOA的思想是将系统中各种资源都封装成服务，实现不同操作系统，开发平台，编程语言和中间件等异构系统之间重用和互操作。本论文提出CPS中可以将各种资源，硬件的，软件的，相互组合封装成服务，针对任务来分配不同的服务。
本文认为在整个CPS中最核心的实际上是信息处理：感知物理世界获取信息，然后对信息进行处理做出决策，给控制单元发送指令．
本文中提出的体系框架将CPS按照实体到抽象划分为4层分别为节点层、网络层、资源层和服务层．
- 节点层是CPS的主要实体层，是计算和物理过程结合和协作的集中体现，该层所涉及的技术包括传感器技术、嵌入式系统技术、无线连接技术、控制技术、规划技术等．
- 网络层将CPS中各节点和部件连接组成一个整体，是CPS实现分布式计算和资源共享的基础，该层包括的技术有异构数据的传输、节点定位、路由、数据传输等等．
- 资源层是CPS实体存在的抽象，包括数据资源、模型资源、存储资源、计算资源、控制执行资源、感知资源、交互资源等，该层实现对这些资源的有效管理．
- 服务层是对资源的能力的抽象，通过对资源组合形成服务，就如同人类社会一样，将服务提供给别人，同时也可以享受别人的服务．
CPS工作流程：CPS的节点层与物理环境实时交互，通过传感器实时感知环境的变化，将感知的信息交给计算单元，计算单元调用通信单元与其他节点进行通信完成数据交换，然后将获取的信息进行融合，产生对环境的正确认知，根据认知和规则做出决策并将结果传递给控制单元，控制单元向执行单元发出指令，实现对物理过程的影响。
以上过程是实时并发的，并且感知、通信、计算、控制和执行是封闭的，整个过程充满反馈，通过反馈达到正确决策和执行．当遇到节点层不能独立完成的任务时，节点需要向高层请求资源进行服务，通过网络层将请求发出去，然后服务层进行相应的任务处理，产生处理任务的方案，查询能完成该任务的服务来，调用资源提供服务，执行任务并将结果通过网络反馈给节点。
论文中提出的观点，我认为：
- 节点层其实就是没有联网的传感器+嵌入式系统，单纯讲节点层的工作过程意义不大，原来的嵌入式系统就是这样运行的。
- 文中介绍工作流程，我对计算单元作用的理解不太认同，我认为计算单元应主要放在后台，不是在节点层完成的，否则就没有提出CPS的必要了。
- 文中提到的资源层和服务层是可以合并的。
- CPS的工作过程重点应该在节点层不能独立完成任务，该系统如何运转，文中未作详细说明。
二. 谭朋柳，舒坚，吴振华. 一种信息-物理融合系统体系结构. 计算机研究与发展，2010，47（增刊2），312-316.
Time：2 hours
本论文在文献综述和CPS研究现状方面做了比较详细的说明，提到了很多参考文献和论文，也做了部分总结，要在此基础上，研读一下现有成果。
Internet改变了人与人之间的交互方式，CPS将会改变人与现实物理世界之间的交互方式。
CPS需要研究解决的典型问题，以下两个比较重要：
- 当前“尽最大努力服务”的网络技术很难提供可预测的、可靠的实时性能，而CPS是一种分布式实时系统，应采用什么样网络技术保证系统网络数据传输的实时性?
- 由于CPS又具有复杂性、异构性等特点，为了使系统能实时有效地协同工作，又应采用什么样的资源分配策略?
CPS的概念目前主要有这样几种说法：
- Edward Lee认为CPS是一种集成计算能力和物理过程的系统。系统利用嵌入式计算机和网络对物理处理过程进行监控，并且带有反馈环，物理过程影响计算，计算影响物理过程；
- CPS是集成计算、通信及存储能力和监视和/或控制物理和工程系统能力的系统，这种系统以安全、可靠、有效、实时的方式进行操作；
- Insup Lee则认为CPS是一种计算、通信和物理过程集成系统，嵌入式计算机实时地监视和控制物理过程。
这几种说法有3个共同点：
1) 计算系统(也可以称为信息系统)与物理系统通过网络互联；
2) 具有监控能力；
3) 都具有实时性。
CPS是一种深度嵌入式实时系统，集传感、控制、计算及网络技术于一体，是通过网络将信息系统与物理系统连接在一起而构成的一种大型的、异构的、分布式实时系统。一个任务在传统系统中的执行时间容易被预测，而在CPS中，因为异构而变得不易被预测。另外因为系统复杂性的增加，任务模型也变得更复杂。
本论文的核心内容是实时任务调度模型和实施网络协议及算法，这部分偏重于计算机网络和通信，不是我的研究重点，了解一下即可。
三. 胡雅菲，李方敏，刘新华. CPS网络体系结构及关键技术. 计算机研究与发展，2010，47（增刊2），304-311.
Time: 2 hours
本论文为综述类文章，从网络角度对CPS系统做了研究和分析，部分基本概念很有帮助，研究热点中的几个问题要重点关注一下。本文部分内容偏重组网和网络协议方面，不是我的研究重点，了解即可。
CPS系统具有局部操控、全局控制的概念，高度的自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点。
CPS网络与传统的网络有着不同的设计目标，它不究全相同于现有的传感器网络、自组织网络等。CPS网络具有更广泛意义的标准与意义。CPS系统中每一个物理元件都具有联网能力，多层次多规模联网，能够动态重组与重识别。CPS更具有高自主性以及新颖的计算与物理底层。
CPS网络革新了数据处理与传输的方式。未来的CPS网络能够连接每一个具备网络模块的物理部件，实时处理，异步运行，将信息的延迟减少到最短的时间。
本文列举了很多CPS的应用实例：个人医疗救治、智能交通、航空导航、电力控制、环境监测。
目前，CPS网络体系结构研究的关键技术主要包括：网络融合、节点接入与管理、CPS网络安全等。
- CPS网络集成了过去成熟网络的研究与应用，如因特网，无线传感器网络，AdHOC网络，WLAN，Wi-Fi，WiMAX，蜂窝网等。但在混合网络模型的研究中，面临网络节点接人、信道切换、业务的无缝切换等难题。
- 目前对节点接人与管理的研究大部分集中于同构网络．CPS网络作为一种融合性网络，节点本身具有异构的特点，同时在异构的网络环境下进行切换是研究节点接人与管理的难点。目前还没有较好的解决方法．
- 常见的安全性问题来自2个方面：网络威胁与物理威胁．网络威胁是基于网络攻击与软件漏洞的安全性问题，利用统计学方法对网络攻击建模在解决这方面问题有一定效果，但是无法解决复杂及灵活的网络威胁．针对对通信链路的物理威胁，结合数学、统计学、概率论等理论将网络与物理威胁联合建模，建立统一、安全与可靠的通信与计算结构．
重点关注：
- 利用数学在“时间”等级上融合物理与网络，可以解决当物理组件连入网络带来的传输时延、拥塞以及丢包问题。一个名为“human transport vehicle”的车载项目通过仿真计算和真实环境实验，融合传感器技术、机械技术，并利用PDA设备建立无线连接用以监测和记录该运输工具使用中的各项关键参数．DIRC(dependability interdisciplinary researchcollaboration)的时间分级理论，把时间定量的定义为时间带，将物理组件的动态行为分为多个等级．CPS网络按时间带宽分成不同层次．系统根据不同层次提供不同的服务．
- 考虑目前CPS系统中物理组件、上层软件分离设计导致的松散结构，从语义学角度提出基于组件的CPS网络的设想，其中最重要的设计抽象包括了组件、性能与平台．生物学方法(system biology，SB)是CBSD的典型应用．
- 提出适合CPS网络的度量是研究CPS网络的支撑问题．传统的度量标准会给CPS网络带来限制并且减少了潜在的潜能，同时不利于交叉学科在CPS网络中的研究．建立能够表现系统整体性能的度量是解决方法之一．例如：ITU标准为VoIP提供了包括时延、拥塞、失真率以及带宽权重的MOS(mean-opinion score)，旨在将网络度量翻译为用户对某一级别声音质量的满意程度。
* 参考知识
1. Edward A. Lee：Robert S. Pepper Distinguished Professor. University of California at Berkeley, EECS Department.
个人主页：http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/~eal/index.html
2. 大连理工大学成立了首个CPS研究小组，软件学院的夏锋博士于2009年初创立了CPS研究组，从事CPS网络协议、计算算法、软件平台等方面研究。
3. 西北工业大学计算机学院的周兴社和董云卫等提出了一种CPS时间行为建模方法。
4. Ad hoc网络是一种不依赖基础设施能够快速和灵活配置的移动通信网络技术。
Ad Hoc的意思是“for this”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，即Ad hoc网络是一种有特殊用途的网络。Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。
Ad hoc网络又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。Ad hoc网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。
