華東師范大學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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在中國電動汽車百人會論壇（2018）的“全球智能汽車峰會”主題論壇上，華東師范大學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。
以下為演講實錄：
王江濤：尊敬的李駿院士、各位專家、各位領(lǐng)導，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，臨時有事，委托我代表他做智慧交通和CPS的報告。
何院士在CPS領(lǐng)域是國內(nèi)第一位引入這個概念的學者，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)應用。
傳統(tǒng)的計算機行業(yè)都是基于有限自動機的系統(tǒng)，包括一小端程序，有一個單獨的計算機，大一點的系統(tǒng)，甚至是多節(jié)點計算中心，再大一些是云服務系統(tǒng)，主要特點是在固定環(huán)境下處理一些計算功能。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動，系統(tǒng)越來越大，不僅僅是一個簡單的片上系統(tǒng)，擴展到了系統(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，學術(shù)界關(guān)注研究課題目標發(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)的計算信息系統(tǒng)，也包括實體系統(tǒng)，是把計算、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)注的科學問題？
1.多尺度。原來關(guān)注只是一個程序、一個簡單的計算機，現(xiàn)在變得非常復雜，小到一個片上MCU的系統(tǒng)，大到一個云的服務，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)一語言進行描述。計算的信息是相對離散的系統(tǒng)，實物運行有連續(xù)的特性，如何用一個語言把連續(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)境變得非常復雜。如很容易描繪的一句話“遵守交通信號”，到計算機系統(tǒng)用數(shù)學語言表達、程序語言實現(xiàn)就非常復雜。
自動駕駛，我們更關(guān)注自動駕駛的技術(shù)和模型。
北美發(fā)生了一個特斯拉的事故，開到路口，一輛貨車突然出現(xiàn)，導致Model-S幾種情況，比如視覺出現(xiàn)誤判，沒有識別出目標。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，實際上貨車中間還有空間。車距系統(tǒng)沒有做好車高測算，導致視覺和車距兩個系統(tǒng)同時失靈，才導致這種交通事故出現(xiàn)。這種交通事故在數(shù)學模型上歸結(jié)為通過環(huán)境的變化，外部會產(chǎn)生新的模型，事先設(shè)計時就沒有考慮到。類似這樣的現(xiàn)象，以后還會不會出現(xiàn)？答案肯定是還會有意想不到的現(xiàn)象會出現(xiàn)。我們希望在代價越來越小的情況下進行摸索和探索得到這些數(shù)據(jù)。
4.協(xié)同感知和交互。因為我們研究的不是一個單獨的實體，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，原來一個小小的計算機系統(tǒng)，如單獨的航天軟件，想要達到百分之百安全，也費很大勁，要通過黑盒子測試、白盒子測試，來驗證其安全性。現(xiàn)在突然間系統(tǒng)變得非常復雜，不僅僅是一個系統(tǒng)，要考慮到各種各樣的因素。有什么科學方法來設(shè)計，怎么通過仿真、驗證、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遠滯后。
典型CPS應用場景。
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，大數(shù)據(jù)的分析平臺，還有無人機、無人車的應用，甚至協(xié)同的應用，還有下一代分布式能源的管理，都屬于典型CPS應用場景。
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。
在智慧交通智能應用，包括智能導航，這些應用都是基于單體、相對獨立小的計算系統(tǒng)的應用，在未來協(xié)同大系統(tǒng)深度應用方面，還有很多要做的工作。
TCPS主要包括四個因素：人、信息、物理（人、車、道物理域）、服務，把人、車、道采集融合感知的技術(shù)通過處理和計算，結(jié)合遠程服務，為人、車、路提供指導和規(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，通過信息的計算和處理，最后達到對人、車、路統(tǒng)一的規(guī)劃和控制。
基于TCPS交通運行的控制模型，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)絡的均衡、降低交通的阻塞等因素，還包括信號協(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、車運動的需求。
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)濟活力，有效促進轉(zhuǎn)型以大數(shù)據(jù)為中心的新服務、新業(yè)態(tài)，甚至是新產(chǎn)業(yè)的推動，最后可以使云計算、機器學習、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：交通運營、數(shù)據(jù)安全、環(huán)境保護和民生經(jīng)濟。
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，可以對車流進行預測，可以對城市交通的擁堵進行分析，可以為出行線路優(yōu)化，甚至共享的資源進行選址和優(yōu)化。
我們現(xiàn)在正在做一項工作，配合汽車城（集團）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，這個工作不僅有社會效益，而且市場前景非常好。
CPS在能源領(lǐng)域也有比較重要的應用：1.新能源汽車，是市場共識的國家戰(zhàn)略。2.智能建筑。3.共享的可再生能源，都推動了從能源的供給、需求、生產(chǎn)、分配、結(jié)算，通過能源的TCPS系統(tǒng)，達到各方的利益平衡。
通過對新能源汽車路徑、充電習慣、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、費用的降低、能源平均價格降低三個目標，可以做強化的學習模型，對供電系統(tǒng)提供低成本、經(jīng)濟、高效的解決方案。
總之，TCPS系統(tǒng)在智慧交通、能源管理、自動駕駛幾個領(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，我們有一個團隊是專門做新能源汽車基于國產(chǎn)VCU和MCU的設(shè)計，在新能源汽車車型上已經(jīng)有實施案例，幫助他們?nèi)〉霉ば挪康恼J證。我們的特點是偏重于工程化，在新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域有兩個特點：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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