汽車(chē)CPS原理介紹

精品文檔 1歡迎下載 汽車(chē)汽車(chē) CPSCPS 原理介紹原理介紹 一 一 CPSCPS 介紹介紹 信息物理系統(tǒng) CPS Cyber Physical Systems 是一個(gè)綜合計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境 的多維復(fù)雜系統(tǒng) 通過(guò) 3C Computation Communication Control 技術(shù)的有機(jī)融合與 深度協(xié)作 實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知 動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù) CPS 實(shí)現(xiàn)計(jì)算 通信與 物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì) 可使系統(tǒng)更加可靠 高效 實(shí)時(shí)協(xié)同 具有重要而廣泛的應(yīng)用前 景 CPS 應(yīng)用于環(huán)境感知 嵌入式計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程 使物理系統(tǒng)具 有計(jì)算 通信 精確控制 遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能 它注重計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合 與協(xié)調(diào) CPS 是可能是一個(gè)分布式異構(gòu)系統(tǒng) 他不僅包含了許多功能不同的子系統(tǒng) 而且這些 子系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)和功能各異 而且分布在不同的地理范圍內(nèi) 各個(gè)子系統(tǒng)之間要通過(guò)有線 或無(wú)線的通信方式相互協(xié)調(diào)工作 CPS 具有自適應(yīng)性 自主性 高效性 功能性 可靠性 安全性等特點(diǎn)和要求 CPS 是 一個(gè)智能的有自主行為的系統(tǒng) CPS 能夠從環(huán)境中獲取數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)融合 提取有效信 息 并且根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則通過(guò)效應(yīng)器作用于環(huán)境 CPS 的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng) 特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上 使得物理設(shè)備具有計(jì)算 通信 精確控制 遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能 CPS 本質(zhì)上是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò) 但它又有別于現(xiàn)有的控制系統(tǒng) CPS 則把通信放在與計(jì)算和控制同等地位上 這是因?yàn)?CPS 強(qiáng)調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開(kāi)通信的 CPS 對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn) 程協(xié)調(diào)能力 自治能力 控制對(duì)象的種類(lèi)和數(shù)量 特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的工控 網(wǎng)絡(luò) 美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) NSF 認(rèn)為 CPS 將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái) 如同互聯(lián)網(wǎng)改變了 人與人的互動(dòng)一樣 CPS 將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng) 二 汽車(chē)二 汽車(chē) CPSCPS 原理介紹原理介紹 汽車(chē) CPS 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指把 CPS 技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)上 以使汽車(chē)更易于駕駛 更安全 汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展 隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)生的巨大變化 特別是由于油價(jià)高 漲與溫室氣體排放引發(fā)的建立低碳經(jīng)濟(jì)的討論 科技的發(fā)展使得 IT 技術(shù)在汽車(chē)上的大量使 用 全球城市化趨勢(shì)加快 使得各國(guó)政府積極發(fā)展城市交通 隨著用戶對(duì)汽車(chē)本身不斷提 出新功能的要求 使得汽車(chē)越來(lái)越多的采用電子控制單元 ECU 實(shí)現(xiàn)整車(chē)的高安全可靠性 環(huán)保節(jié)能性和駕駛舒適性 而隨著 ECU 功能的復(fù)雜化 ECU 軟件也越來(lái)越復(fù)雜 同時(shí)多個(gè) ECU 單元信息的處理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將達(dá)到海量 同時(shí)城市交通需要發(fā)展智能交通系統(tǒng) Intelligent Transport System ITS 這使得汽車(chē) CPS 有重大的發(fā)展前途 人類(lèi)對(duì)汽車(chē)性能要求的提高以及智能交通系統(tǒng)的建設(shè) 物理設(shè)備 比如 ECU 和信息系 統(tǒng) 比如 ITS 中的信息電子系統(tǒng) 的深度融合 海量數(shù)據(jù)的處理 多維度復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)的建 立等 使得汽車(chē) CPS 的研究與發(fā)展成為汽車(chē)電子中物理設(shè)備系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì) 汽車(chē)從 基于力學(xué) 化學(xué)的純物理系統(tǒng)變成了更復(fù)雜的嵌入電子元件和控制系統(tǒng) 以提高性能和安 全的 CPS Cyber Physical System 汽車(chē) CPS 是指用帶微處理器的實(shí)時(shí)輸入傳感器和分布在汽車(chē)的不同部件上的提供輸出 的制動(dòng)器等控制單元 收集本車(chē)的實(shí)時(shí)信息或其他車(chē)輛的信息 通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)如控 制局域網(wǎng) Controller Area Network CAN 來(lái)完成信息的交互 計(jì)算 并根據(jù)信息的反 饋來(lái)完成對(duì)汽車(chē)的控制 使得汽車(chē)更易于駕駛 響應(yīng)更快 更安全 更智能 汽車(chē) CPS 要用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 嵌入式的技術(shù) 混成系統(tǒng)等技術(shù) 汽車(chē) CPS 不僅要關(guān)注 本車(chē)的情況 如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度 排氣管狀態(tài)等情況 然后由本車(chē)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成信息的交流 然 精品文檔 2歡迎下載 后反饋給汽車(chē) 還要關(guān)注與其他汽車(chē)的距離 所在位置的路況信息等情況 甚至每個(gè)汽車(chē) 的 CPS 可以聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建一個(gè)更大的 CPS 網(wǎng)絡(luò) 不過(guò)這還要小心個(gè)人隱私和信息的泄露 對(duì)于輸入輸出 汽車(chē) CPS 的 I O 取決于場(chǎng)景 汽車(chē) CPS 的所獲得或反饋的信息取決于 具體場(chǎng)景 如汽車(chē)要想在節(jié)能或安全的前提下改變速度 需要獲取當(dāng)前的場(chǎng)景 汽車(chē)是上 坡 下坡還是在平地 汽車(chē)是在加速 減速還是恒速 然后根據(jù)場(chǎng)景信息改變反饋 人與系統(tǒng)交互 汽車(chē) CPS 實(shí)現(xiàn) 物理反饋 在人與系統(tǒng)交互方面 與傳統(tǒng)的系統(tǒng)反 饋信息不同的是 汽車(chē) CPS 直接實(shí)現(xiàn)物理反饋 如當(dāng)汽車(chē)要撞到其他東西的時(shí)候 汽車(chē) CPS 的防碰撞系統(tǒng)和速度操控器會(huì)直接起作用來(lái)減速或彈起安全氣囊來(lái)保護(hù)駕駛員 即汽 車(chē) CPS 直接以物理反饋來(lái)與人交互 信息系統(tǒng)的嵌入 汽車(chē) CPS 實(shí)現(xiàn)開(kāi)放控制 汽車(chē) CPS 需要與物理系統(tǒng)進(jìn)行多層次的交互 所以需要實(shí)現(xiàn)開(kāi)放控制 從對(duì)輪胎溫度 壓強(qiáng) 轉(zhuǎn)速 的監(jiān)控到汽車(chē)的自動(dòng)導(dǎo)航 制動(dòng) 汽車(chē) CPS 需要對(duì)汽車(chē)的物理系統(tǒng)進(jìn)行多方面的監(jiān)控和采 集信息并反饋 汽車(chē) CPS 收集的信息與物理系統(tǒng)息息相關(guān) 需要實(shí)現(xiàn)開(kāi)放控制 執(zhí)行方面 汽車(chē) CPS 直接 實(shí)現(xiàn)意圖 傳統(tǒng)的系統(tǒng)只能執(zhí)行指令 而汽車(chē) CPS 整合汽車(chē)上的系統(tǒng)并集 中加以控制 可以直接實(shí)現(xiàn)駕駛員想要實(shí)現(xiàn)的意圖 而不是一步步的執(zhí)行指令 三 汽車(chē)三 汽車(chē) CPSCPS 的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 要實(shí)現(xiàn)汽車(chē) CPS 需要從物理系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)系統(tǒng)集 成的 優(yōu)化的設(shè)計(jì) 從缺乏工程和物理定律的信息知識(shí)轉(zhuǎn)變對(duì) CPS 有認(rèn)知并諳熟 從循環(huán) 執(zhí)行和人機(jī)交互轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨茸詣?dòng) 自治 協(xié)調(diào)的規(guī)?？勺兛蚣?從時(shí)間與空間分離的集中 式處理信息裝備為聯(lián)邦式 分布式 開(kāi)放型 可重構(gòu)性的信息處理 同時(shí)滿足 實(shí)時(shí) 安 全 可靠 需要認(rèn)證等性能 汽車(chē) CPS 要用到 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 尤其是其中的無(wú)線傳感技術(shù)來(lái)監(jiān)控汽車(chē)各 個(gè)部件的狀況和實(shí)時(shí)收集信息 嵌入式技術(shù) 需要把各種傳感系統(tǒng)嵌入到汽車(chē)的物理系統(tǒng) 中 混成系統(tǒng)技術(shù) 混成系統(tǒng)中的許多模型和技術(shù)都可以作為 CPS 實(shí)現(xiàn)時(shí)的借鑒 比如離散 事件模型 計(jì)算智能模型 博弈法等技術(shù) 汽車(chē)上的 CPS 有很多 如汽車(chē)電子控制系統(tǒng) 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) Automotive Engine Management System EMS 還有汽車(chē) CPS 的改進(jìn) HM CPS 等 四 汽車(chē)四 汽車(chē) HM CPSHM CPS 在更大的人類(lèi)移動(dòng)的環(huán)境下 汽車(chē) CPS 必須具更開(kāi)放和更靈活 并且需要開(kāi)發(fā)新的人類(lèi)移 動(dòng)模式 關(guān)鍵隱私問(wèn)題需要加以解決 保護(hù)日益重要和普遍的基于位置的數(shù)據(jù) 在過(guò)去 汽車(chē)的主要功能就是使人們高效的移動(dòng) 而現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)是建立安全 可靠的車(chē)輛來(lái)滿足社會(huì)的流動(dòng)性的內(nèi)在需要 汽車(chē)從先前不可能把人們帶到目的地 變成 了把人們安全可靠的帶到目的地 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得汽車(chē)變得越來(lái)越復(fù)雜 汽車(chē)從基于 力學(xué) 化學(xué)的純物理系統(tǒng)變成了更復(fù)雜的嵌入電子元件和控制系統(tǒng) 以提高性能和安全的 CPS Cyber Physical System 而日益增長(zhǎng)的移動(dòng)性的需求而給出的挑戰(zhàn)不能簡(jiǎn)單的通過(guò)提高一個(gè)交通工具的技術(shù)來(lái) 解決 而 Human Mobility CPS HM CPS 可以用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 HM CPS 強(qiáng)調(diào)人的物理運(yùn) 動(dòng) 無(wú)論是在個(gè)人和總規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)通信 計(jì)算和傳感監(jiān)測(cè)和有效地確保周?chē)奈锢憝h(huán)境中 的流動(dòng)性的耦合 汽車(chē)系統(tǒng)能夠收集關(guān)于現(xiàn)實(shí)物理世界的信息 但是它們?nèi)狈κ占P(guān)于它們發(fā)展的全局 環(huán)境信息的能力 局部的傳感器可以用來(lái)監(jiān)控汽車(chē)的基礎(chǔ)部件 如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度 部件的老 化等 雖然這可以使得汽車(chē)可靠 但對(duì)整個(gè) CPS 的安全 路線規(guī)劃 基于位置的服務(wù)等只 有有限的作用 而汽車(chē)的自動(dòng)化很難避免交通事故如碰撞等 盡管每一輛車(chē)都沒(méi)有關(guān)于當(dāng) 前交通網(wǎng)狀況的完整的信息 但是每一輛車(chē)都可以提供自己的信息 所以問(wèn)題的關(guān)鍵在于 精品文檔 3歡迎下載 信息的交流 汽車(chē)的 HM CPS 嵌入了人類(lèi) 人類(lèi)有三個(gè)任務(wù) 1 感覺(jué) 2 決定 3 評(píng)價(jià) 一個(gè)充分的 CPS 將整合使用者的要求的行駛方向和以前的交通模型 來(lái)讓嵌入的人來(lái)做更高級(jí)別的決 定 如選最快的路線還是最短的路線 這一問(wèn)題不能忽視 嵌入的人類(lèi) HM 所產(chǎn)生的移動(dòng)需 要和需要與虛擬基礎(chǔ)設(shè)施整合的駕駛 五 汽車(chē)五 汽車(chē) EMS AutomotiveEMS Automotive EngineEngine ManagementManagement System System 汽車(chē)上的 CPS 系統(tǒng)有很多 我們?nèi)∑渲械钠?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) Automotive Engine Management System EMS 作為汽車(chē) CPS 的代表來(lái)探討汽車(chē) CPS 一個(gè) EMS 是由一組帶微處理器的實(shí)時(shí)輸入傳感器和分布在汽車(chē)的不同部件上的提供輸 出的制動(dòng)器組成 這些單元的共同部分包括傳輸控制器 牽引力控制 制動(dòng)控制等 這些 設(shè)備用一個(gè)控制局域網(wǎng) Controller Area Network CAN 來(lái)相互連接 CAN 使得不同 的組件一起工作來(lái)加強(qiáng)駕駛員的安全 使汽車(chē)更容易駕駛 響應(yīng)更快速 汽車(chē) CPS 具有環(huán)境模糊性 汽車(chē)上的物理系統(tǒng)和信息計(jì)算系統(tǒng)的相互作用可能違反系 統(tǒng)安全政策 導(dǎo)致無(wú)意識(shí)的信息流 而這種系統(tǒng)的物理部分是可觀察的 許多方法不適合 用來(lái)保密 而 CPS 的基本特性帶來(lái)了新的安全挑戰(zhàn) 汽車(chē)上要保護(hù)的信息是汽車(chē)的控制者 我們用信息流模型來(lái)分析這種情況 汽車(chē)的安全和隱私分為物理安全和信息安全 其中物理安全包括汽車(chē)鎖 報(bào)警和防盜 輪胎安全 音頻防盜等 而信息安全包括惡意代碼 故障感應(yīng)等 安全和隱私在軟件設(shè)計(jì) 策略中具有最高優(yōu)先級(jí) 雖然信息的完整性和合理性對(duì) EMS 的操作來(lái)說(shuō)是非常重要的 了解了 EMS 的狀況也暴 露了汽車(chē)的關(guān)鍵的控制系統(tǒng) 在汽車(chē)中安全級(jí)別分兩種 高安全級(jí)別和低安全級(jí)別 高安 全級(jí)別是 EMS 和駕駛員 而低安全級(jí)別是觀察者 而且由 EMS 來(lái)執(zhí)行 對(duì)汽車(chē)的 的控制與 阻止也揭露了駕駛員的一些機(jī)密信息 而經(jīng)典的機(jī)密系統(tǒng)如通過(guò)加密方式等對(duì) CPS 來(lái)說(shuō)是 不合適的因?yàn)樗槐Ｗo(hù)了物理系統(tǒng)的部分 系統(tǒng)可以通過(guò)物理行為來(lái)暴露機(jī)密的信息 我 們用兩種可能的信息流 不干擾模型 不可推斷模型 來(lái)檢測(cè) CPS EMS 通過(guò)展示汽車(chē)在不同情況下的不同的操作來(lái)決定安全性 如什么時(shí)候違反了安全 性 什么時(shí)候保護(hù)了安全性 EMS 通過(guò)來(lái)自一個(gè)模糊的環(huán)境而得到的如速度 地形等信息 反饋給外在的觀察者 根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界已有的知識(shí)系統(tǒng) 這些信息有時(shí)候可以揭露駕駛員的 知識(shí)系統(tǒng) 我們通過(guò)一些模糊的系統(tǒng)信息來(lái)展示這種情況 如汽車(chē)的油 氣情況 運(yùn)動(dòng)控制 即汽車(chē)的移動(dòng) 情況 動(dòng)力流情況等 一個(gè)系統(tǒng)的合理軌跡 trace 是其在執(zhí)行過(guò)程中的所有事件的一個(gè)記錄 所有合理的 trace 的集合代表著可能的系統(tǒng)行為 高級(jí)別的事件和低級(jí)別的事件都會(huì)在它們的 trace 上出現(xiàn) 而這個(gè) trace 對(duì) CPS 非常具有吸引力 而基于觀察的信息的可能信息的推斷有很 大可能性導(dǎo)致信息泄露 不可推斷模型 Nonducibility Model 如果對(duì)一個(gè)系統(tǒng) 當(dāng)它的一個(gè)低安全級(jí)別領(lǐng) 域的觀察者通過(guò)觀察可見(jiàn)的事件不能去推斷高級(jí)別輸入事件的序列的任何事情 則稱(chēng)該系 統(tǒng)是不可推斷的安全 也就是說(shuō)在低級(jí)別安全領(lǐng)域的觀察與任何高級(jí)別輸入事件是兼容的 不可干擾模型 Noninference Model 一個(gè)系統(tǒng)被認(rèn)為是安全的當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)它的系 統(tǒng)事件的任何合理的 trace 當(dāng)把高級(jí)別的事件去除掉之后得到的 trace 仍然是系統(tǒng)的一 個(gè)合理 trace 一個(gè)構(gòu)建 CPS 的信息安全的方法如下 1 確定系統(tǒng)的功能 精品文檔 4歡迎下載 2 確定安全劃分 3 構(gòu)建系統(tǒng) traces 4 應(yīng)用信息流理論 觀察者可以用速度地形等視覺(jué)線索來(lái)推斷高級(jí)別安全區(qū)域 首先分析一個(gè) EMS 的信息流 Table1 由表格可得知 數(shù)據(jù)分為駕駛員數(shù)據(jù) 恒速操控器數(shù)據(jù) 防碰撞系統(tǒng) 傳感信息等 上面的 ECU Electronic Control Unit 是電子控制單元 是汽車(chē)專(zhuān)用微機(jī)控制器 而下 面的數(shù)據(jù)主要來(lái)自 CAN 是由傳感器得到輸入 EMS 的 EMS 由兩個(gè)安全級(jí)別構(gòu)成 Table2 在高級(jí)別的安全領(lǐng)域中 通過(guò) CAN 總線交流來(lái)響應(yīng)汽車(chē)的控制 在級(jí)別的安全領(lǐng)域中 速度信息通過(guò)可視隊(duì)列進(jìn)行隱式的交流 而當(dāng)來(lái)自低級(jí)別的安全領(lǐng)域的觀察者觀察或推斷來(lái)自高級(jí)別安全領(lǐng)域的信息的時(shí)候會(huì) 導(dǎo)致機(jī)密信息的泄露 下面我們用安全模型來(lái)分析 EMS 用安全模型可以展示 EMS 怎么向低級(jí)別安全領(lǐng)域泄露信息的 我們把 EMS 恒速操縱器分割成 3 個(gè)變體 1 標(biāo)準(zhǔn)操縱器 是汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)操縱器 在不同場(chǎng)景中會(huì)改變 隨時(shí)可能會(huì)加速或減 速 2 完美操縱器 這個(gè)操縱器在任何場(chǎng)景下可以保持恒速 不是現(xiàn)實(shí)的設(shè)備 我們可 精品文檔 5歡迎下載 以用它來(lái)證明一些例子 3 隨機(jī)操縱器 是標(biāo)準(zhǔn)操縱器的變體 有隨機(jī)的變化 Table3 列舉了在兩種場(chǎng)景的不同的事件 其中 l1 l2 l3 是在平地的事件 而事件 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 則是在 Figure2 中的點(diǎn)上的事件 事件有上坡與下坡 有加速有減速 下面的兩個(gè)表格展示了每個(gè)操縱器的在不同場(chǎng)景下使用不同速度時(shí)候 不同的 trace 列表 精品文檔 6歡迎下載 定理 1 汽車(chē)操縱在使用標(biāo)準(zhǔn)和隨機(jī)操控器朝山上行駛的時(shí)候是不可推斷的安全 定理 2 汽車(chē)操縱在使用標(biāo)準(zhǔn)和隨機(jī)操控器朝山下行駛的時(shí)候是不可推斷的安全 定理 3 汽車(chē)操縱在平坦的場(chǎng)景下是不可推斷的安全 定理 4 汽車(chē)操縱在朝山上或山下行駛的時(shí)候是可干擾的安全 定理 5 汽車(chē)操控加速或減速在平地行駛的時(shí)候是可干擾的安全 汽車(chē)的可觀察性包括高級(jí)別的事件的信息流模糊性使得 CPS 有固有的信息流泄露 EMS 在它的環(huán)境中滿足不可推斷和不可干擾的特性 因?yàn)槲锢硎澜绲沫h(huán)境 高級(jí)別事件有自然 地混亂性 在 CPS 領(lǐng)域中該特性是非常重要的因?yàn)樗峁┝艘环N手段用固有的觀察系統(tǒng)去 隱藏信息 五 總結(jié)五 總結(jié) 人類(lèi)對(duì)汽車(chē)性能要求的提高以及智能交通系統(tǒng)的建設(shè) 物理設(shè)備 比如 ECU 和信息系 統(tǒng) 比如 ITS 中的信息電子系統(tǒng) 的深度融合 海量數(shù)據(jù)的處理 多維度復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)的建 立等 使得 CPS 的研究與發(fā)展成為汽車(chē)電