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
了解更多內容，請點(diǎn)擊直播專(zhuān)題：中國電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì )論壇（2018）
在中國電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì )論壇（2018）的“全球智能汽車(chē)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(zhuān)家、各位領(lǐng)導，大家好！首先代表何先生向大家說(shuō)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的報告。
何院士在CPS領(lǐng)域是國內第一位引入這個(gè)概念的學(xué)者，2006年開(kāi)始，他的理論高度和水平，我是不及他萬(wàn)分之一，爭取盡最大努力，把他的精髓講出來(lái)。
我本人來(lái)自華師大國家工程中心，主要研究方向是新能源汽車(chē)電控方面的技術(shù)應用。
傳統的計算機行業(yè)都是基于有限自動(dòng)機的系統，包括一小端程序，有一個(gè)單獨的計算機，大一點(diǎn)的系統，甚至是多節點(diǎn)計算中心，再大一些是云服務(wù)系統，主要特點(diǎn)是在固定環(huán)境下處理一些計算功能。
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數據技術(shù)的推動(dòng)，系統越來(lái)越大，不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的片上系統，擴展到了系統外的系統，甚至還有考慮到人的因素，大的系統到來(lái)時(shí)，學(xué)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，既包括傳統的計算信息系統，也包括實(shí)體系統，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(xué)問(wèn)題？
1.多尺度。原來(lái)關(guān)注只是一個(gè)程序、一個(gè)簡(jiǎn)單的計算機，現在變得非常復雜，小到一個(gè)片上MCU的系統，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.如何用統一語(yǔ)言進(jìn)行描述。計算的信息是相對離散的系統，實(shí)物運行有連續的特性，如何用一個(gè)語(yǔ)言把連續的和離散的系統統一描述，也是比較關(guān)鍵問(wèn)題。
3.開(kāi)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(wèn)題，原來(lái)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，系統的環(huán)境變得非常復雜。如很容易描繪的一句話(huà)“遵守交通信號”，到計算機系統用數學(xué)語(yǔ)言表達、程序語(yǔ)言實(shí)現就非常復雜。
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(kāi)到路口，一輛貨車(chē)突然出現，導致Model-S幾種情況，比如視覺(jué)出現誤判，沒(méi)有識別出目標。另外車(chē)距和車(chē)高系統，原來(lái)系統沒(méi)有考慮到，只是看到車(chē)的空間，以為前面可以鉆過(guò)去，實(shí)際上貨車(chē)中間還有空間。車(chē)距系統沒(méi)有做好車(chē)高測算，導致視覺(jué)和車(chē)距兩個(gè)系統同時(shí)失靈，才導致這種交通事故出現。這種交通事故在數學(xué)模型上歸結為通過(guò)環(huán)境的變化，外部會(huì )產(chǎn)生新的模型，事先設計時(shí)就沒(méi)有考慮到。類(lèi)似這樣的現象，以后還會(huì )不會(huì )出現？答案肯定是還會(huì )有意想不到的現象會(huì )出現。我們希望在代價(jià)越來(lái)越小的情況下進(jìn)行摸索和探索得到這些數據。
4.協(xié)同感知和交互。因為我們研究的不是一個(gè)單獨的實(shí)體，既有小的片上系統，又有人和環(huán)境大的交互系統，這樣的系統給傳統信息系統的性能、安全、測試提出了非常大的挑戰。信息安全是非常重要的研究?jì)热?，原?lái)一個(gè)小小的計算機系統，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(guò)黑盒子測試、白盒子測試，來(lái)驗證其安全性?，F在突然間系統變得非常復雜，不僅僅是一個(gè)系統，要考慮到各種各樣的因素。有什么科學(xué)方法來(lái)設計，怎么通過(guò)仿真、驗證、測試來(lái)保證大的系統的功能和性能的安全，現有的工具和測試仿真水平還遠遠滯后。
典型CPS應用場(chǎng)景。
包括大規模交通控制系統的優(yōu)化，城市交通協(xié)同的服務(wù)，大數據的分析平臺，還有無(wú)人機、無(wú)人車(chē)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(chǎng)景。
交通行業(yè)CPS，簡(jiǎn)稱(chēng)TCPS，將交通的物理對象和信息系統融合在一起，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(guò)信息系統和物理系統間相互作用和反饋，實(shí)現交通系統的感知、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的應用，在未來(lái)協(xié)同大系統深度應用方面，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(chē)、道物理域）、服務(wù)，把人、車(chē)、道采集融合感知的技術(shù)通過(guò)處理和計算，結合遠程服務(wù)，為人、車(chē)、路提供指導和規劃。
典型路況場(chǎng)景。主要通過(guò)車(chē)載感知系統、V2V、V2X等所有感知，通過(guò)信息的計算和處理，最后達到對人、車(chē)、路統一的規劃和控制。
基于TCPS交通運行的控制模型，和傳統簡(jiǎn)單的紅綠燈控制人和車(chē)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，關(guān)于交通需求的輸入，也包括交通系統本身信息的輸入，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，根據外部環(huán)境、根據整個(gè)大的交通控制模型，控制系統包括交通控制系統、交通信號控制系統，結合人車(chē)為主體、交通主管部門(mén)為主體的交通行為控制系統，最后輸出給對象，控制人、車(chē)運動(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)濟活力，有效促進(jìn)轉型以大數據為中心的新服務(wù)、新業(yè)態(tài)，甚至是新產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，最后可以使云計算、機器學(xué)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，有四類(lèi)：1.狀態(tài)的采集和感知。TCPS要有豐富的采集終端，才能夠把數據采集到。2.數據共享和管理，目前在信息共享上還存在著(zhù)信息孤島、數據脫密、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。4.深度融合和智能分析上，從模型、樣本、標志數據采集方面還有很多要做的基礎工作。
大數據在智慧交通中的重要作用，關(guān)心的問(wèn)題包括：交通運營(yíng)、數據安全、環(huán)境保護和民生經(jīng)濟。
智慧交通通過(guò)大數據可以為城市提供車(chē)輛軌跡的匹配，可以對車(chē)流進(jìn)行預測，可以對城市交通的擁堵進(jìn)行分析，可以為出行線(xiàn)路優(yōu)化，甚至共享的資源進(jìn)行選址和優(yōu)化。
我們現在正在做一項工作，配合汽車(chē)城（集團）有限公司下面上海市新能源汽車(chē)數據中心做上海市公共充電樁選址規劃，還有基于新能源汽車(chē)用戶(hù)的畫(huà)像，這些都是基于他們的大數據做的分析，這個(gè)工作不僅有社會(huì )效益，而且市場(chǎng)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(chē)，是市場(chǎng)共識的國家戰略。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、結算，通過(guò)能源的TCPS系統，達到各方的利益平衡。
通過(guò)對新能源汽車(chē)路徑、充電習慣、充電樁設施規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(jià)格降低三個(gè)目標，可以做強化的學(xué)習模型，對供電系統提供低成本、經(jīng)濟、高效的解決方案。
總之，TCPS系統在智慧交通、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(chē)行業(yè)專(zhuān)家參會(huì )，我們有一個(gè)團隊是專(zhuān)門(mén)做新能源汽車(chē)基于國產(chǎn)VCU和MCU的設計，在新能源汽車(chē)車(chē)型上已經(jīng)有實(shí)施案例，幫助他們取得工信部的認證。我們的特點(diǎn)是偏重于工程化，在新能源汽車(chē)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(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比、低成本的電控電驅方面的解決方案，歡迎在座各位主機廠(chǎng)和企業(yè)跟我們一起展開(kāi)合作。
謝謝！
?。ǜ鶕l(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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