華東師范大學(xué)國家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心主任王江濤：CPS信息物理系統(tǒng)詳解
圖為華東師范大學(xué)國家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心主任王江濤發(fā)表主題演講
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在中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2018）的“全球智能汽車峰會(huì)”主題論壇上，華東師范大學(xué)國家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心主任王江濤發(fā)表主題演講。
以下為演講實(shí)錄：
王江濤：尊敬的李駿院士、各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)，大家好！首先代表何先生向大家說一聲抱歉，他非常愿意參加本次精彩的峰會(huì)，臨時(shí)有事，委托我代表他做智慧交通和CPS的報(bào)告。
何院士在CPS領(lǐng)域是國內(nèi)第一位引入這個(gè)概念的學(xué)者，2006年開始，他的理論高度和水平，我是不及他萬分之一，爭取盡最大努力，把他的精髓講出來。
我本人來自華師大國家工程中心，主要研究方向是新能源汽車電控方面的技術(shù)應(yīng)用。
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)行業(yè)都是基于有限自動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，包括一小端程序，有一個(gè)單獨(dú)的計(jì)算機(jī)，大一點(diǎn)的系統(tǒng)，甚至是多節(jié)點(diǎn)計(jì)算中心，再大一些是云服務(wù)系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是在固定環(huán)境下處理一些計(jì)算功能。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動(dòng)，系統(tǒng)越來越大，不僅僅是一個(gè)簡單的片上系統(tǒng)，擴(kuò)展到了系統(tǒng)外的系統(tǒng)，甚至還有考慮到人的因素，大的系統(tǒng)到來時(shí)，學(xué)術(shù)界關(guān)注研究課題目標(biāo)發(fā)生很大變化，衍生出了CPS（Cyberp Pysical System）信息物理融合大的系統(tǒng)，既包括傳統(tǒng)的計(jì)算信息系統(tǒng)，也包括實(shí)體系統(tǒng)，是把計(jì)算、通訊、控制融合在一起的下一代的信息控制技術(shù)。
CPS面臨哪些需要關(guān)注的科學(xué)問題？
1.多尺度。原來關(guān)注只是一個(gè)程序、一個(gè)簡單的計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在變得非常復(fù)雜，小到一個(gè)片上MCU的系統(tǒng)，大到一個(gè)云的服務(wù)，甚至還有考慮人和環(huán)境的干擾與不確定性。
2.如何用統(tǒng)一語言進(jìn)行描述。計(jì)算的信息是相對離散的系統(tǒng)，實(shí)物運(yùn)行有連續(xù)的特性，如何用一個(gè)語言把連續(xù)的和離散的系統(tǒng)統(tǒng)一描述，也是比較關(guān)鍵問題。
3.開放環(huán)境下不確定性建模和控制。這是工業(yè)界非常關(guān)心的問題，原來模型是可控的，引入了外部環(huán)境，甚至考慮到人的因素之后，系統(tǒng)的環(huán)境變得非常復(fù)雜。如很容易描繪的一句話“遵守交通信號(hào)”，到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用數(shù)學(xué)語言表達(dá)、程序語言實(shí)現(xiàn)就非常復(fù)雜。
自動(dòng)駕駛，我們更關(guān)注自動(dòng)駕駛的技術(shù)和模型。
北美發(fā)生了一個(gè)特斯拉的事故，開到路口，一輛貨車突然出現(xiàn)，導(dǎo)致Model-S幾種情況，比如視覺出現(xiàn)誤判，沒有識(shí)別出目標(biāo)。另外車距和車高系統(tǒng)，原來系統(tǒng)沒有考慮到，只是看到車的空間，以為前面可以鉆過去，實(shí)際上貨車中間還有空間。車距系統(tǒng)沒有做好車高測算，導(dǎo)致視覺和車距兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)失靈，才導(dǎo)致這種交通事故出現(xiàn)。這種交通事故在數(shù)學(xué)模型上歸結(jié)為通過環(huán)境的變化，外部會(huì)產(chǎn)生新的模型，事先設(shè)計(jì)時(shí)就沒有考慮到。類似這樣的現(xiàn)象，以后還會(huì)不會(huì)出現(xiàn)？答案肯定是還會(huì)有意想不到的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)。我們希望在代價(jià)越來越小的情況下進(jìn)行摸索和探索得到這些數(shù)據(jù)。
4.協(xié)同感知和交互。因?yàn)槲覀冄芯康牟皇且粋€(gè)單獨(dú)的實(shí)體，既有小的片上系統(tǒng)，又有人和環(huán)境大的交互系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)給傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的性能、安全、測試提出了非常大的挑戰(zhàn)。信息安全是非常重要的研究內(nèi)容，原來一個(gè)小小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如單獨(dú)的航天軟件，想要達(dá)到百分之百安全，也費(fèi)很大勁，要通過黑盒子測試、白盒子測試，來驗(yàn)證其安全性。現(xiàn)在突然間系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，不僅僅是一個(gè)系統(tǒng)，要考慮到各種各樣的因素。有什么科學(xué)方法來設(shè)計(jì)，怎么通過仿真、驗(yàn)證、測試來保證大的系統(tǒng)的功能和性能的安全，現(xiàn)有的工具和測試仿真水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后。
典型CPS應(yīng)用場景。
包括大規(guī)模交通控制系統(tǒng)的優(yōu)化，城市交通協(xié)同的服務(wù)，大數(shù)據(jù)的分析平臺(tái)，還有無人機(jī)、無人車的應(yīng)用，甚至協(xié)同的應(yīng)用，還有下一代分布式能源的管理，都屬于典型CPS應(yīng)用場景。
交通行業(yè)CPS，簡稱TCPS，將交通的物理對象和信息系統(tǒng)融合在一起，基于計(jì)算、通訊、控制的3C技術(shù)，將交通信息源和交通物理深度融合，通過信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)間相互作用和反饋，實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的感知、溝通、協(xié)同和決策的優(yōu)化。
在智慧交通智能應(yīng)用，包括智能導(dǎo)航，這些應(yīng)用都是基于單體、相對獨(dú)立小的計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用，在未來協(xié)同大系統(tǒng)深度應(yīng)用方面，還有很多要做的工作。
TCPS主要包括四個(gè)因素：人、信息、物理（人、車、道物理域）、服務(wù)，把人、車、道采集融合感知的技術(shù)通過處理和計(jì)算，結(jié)合遠(yuǎn)程服務(wù)，為人、車、路提供指導(dǎo)和規(guī)劃。
典型路況場景。主要通過車載感知系統(tǒng)、V2V、V2X等所有感知，通過信息的計(jì)算和處理，最后達(dá)到對人、車、路統(tǒng)一的規(guī)劃和控制。
基于TCPS交通運(yùn)行的控制模型，和傳統(tǒng)簡單的紅綠燈控制人和車相比，它們僅僅是交通信號(hào)的控制，TCPS要考慮多種控制的輸入，既包括交通需求的輸入，如基于人和基于交通系統(tǒng)，關(guān)于交通需求的輸入，也包括交通系統(tǒng)本身信息的輸入，包括網(wǎng)絡(luò)的均衡、降低交通的阻塞等因素，還包括信號(hào)協(xié)同的控制、平均速度的控制。
交通路口、人行道、流量控制，這三種需求作為輸入，根據(jù)外部環(huán)境、根據(jù)整個(gè)大的交通控制模型，控制系統(tǒng)包括交通控制系統(tǒng)、交通信號(hào)控制系統(tǒng)，結(jié)合人車為主體、交通主管部門為主體的交通行為控制系統(tǒng)，最后輸出給對象，控制人、車運(yùn)動(dòng)的需求。
TCPS在智慧交通中的優(yōu)勢：能夠更加明智幫助決策層指揮交通，降低成本，增加經(jīng)濟(jì)活力，有效促進(jìn)轉(zhuǎn)型以大數(shù)據(jù)為中心的新服務(wù)、新業(yè)態(tài)，甚至是新產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，最后可以使云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能綜合的信息技術(shù)得到充分的利用。
TCPS在智慧交通中目前有比較大的挑戰(zhàn)，有四類：1.狀態(tài)的采集和感知。TCPS要有豐富的采集終端，才能夠把數(shù)據(jù)采集到。2.數(shù)據(jù)共享和管理，目前在信息共享上還存在著信息孤島、數(shù)據(jù)脫密、交換等瓶頸。3.協(xié)同、指揮、優(yōu)化和控制方面還有技術(shù)挑戰(zhàn)。4.深度融合和智能分析上，從模型、樣本、標(biāo)志數(shù)據(jù)采集方面還有很多要做的基礎(chǔ)工作。
大數(shù)據(jù)在智慧交通中的重要作用，關(guān)心的問題包括：交通運(yùn)營、數(shù)據(jù)安全、環(huán)境保護(hù)和民生經(jīng)濟(jì)。
智慧交通通過大數(shù)據(jù)可以為城市提供車輛軌跡的匹配，可以對車流進(jìn)行預(yù)測，可以對城市交通的擁堵進(jìn)行分析，可以為出行線路優(yōu)化，甚至共享的資源進(jìn)行選址和優(yōu)化。
我們現(xiàn)在正在做一項(xiàng)工作，配合汽車城（集團(tuán)）有限公司下面上海市新能源汽車數(shù)據(jù)中心做上海市公共充電樁選址規(guī)劃，還有基于新能源汽車用戶的畫像，這些都是基于他們的大數(shù)據(jù)做的分析，這個(gè)工作不僅有社會(huì)效益，而且市場前景非常好。
CPS在能源領(lǐng)域也有比較重要的應(yīng)用：1.新能源汽車，是市場共識(shí)的國家戰(zhàn)略。2.智能建筑。3.共享的可再生能源，都推動(dòng)了從能源的供給、需求、生產(chǎn)、分配、結(jié)算，通過能源的TCPS系統(tǒng)，達(dá)到各方的利益平衡。
通過對新能源汽車路徑、充電習(xí)慣、充電樁設(shè)施規(guī)劃和選址等情況的考慮，基于峰值的降低、費(fèi)用的降低、能源平均價(jià)格降低三個(gè)目標(biāo)，可以做強(qiáng)化的學(xué)習(xí)模型，對供電系統(tǒng)提供低成本、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。
總之，TCPS系統(tǒng)在智慧交通、能源管理、自動(dòng)駕駛幾個(gè)領(lǐng)域都有非常廣闊的需求。
今天有很多新能源汽車行業(yè)專家參會(huì)，我們有一個(gè)團(tuán)隊(duì)是專門做新能源汽車基于國產(chǎn)VCU和MCU的設(shè)計(jì)，在新能源汽車車型上已經(jīng)有實(shí)施案例，幫助他們?nèi)〉霉ば挪康恼J(rèn)證。我們的特點(diǎn)是偏重于工程化，在新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域有兩個(gè)特點(diǎn)：1.立足于國家工程中心自主可控的技術(shù)軟件，開發(fā)高性價(jià)比、低成本的電控電驅(qū)方面的解決方案，歡迎在座各位主機(jī)廠和企業(yè)跟我們一起展開合作。
謝謝！
（根據(jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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