華東師范大學國家可信嵌入式軟件工程技術研究中心主任王江濤：CPS信息物理系統詳解
圖為華東師范大學國家可信嵌入式軟件工程技術研究中心主任王江濤發表主題演講
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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研究中心主任王江濤發表主題演講。
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領域是國內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應用。
傳統的計算機行業都是基于有限自動機的系統，包括一小端程序，有一個單獨的計算機，大一點的系統，甚至是多節點計算中心，再大一些是云服務系統，主要特點是在固定環境下處理一些計算功能。
隨著物聯網、云計算和大數據技術的推動，系統越來越大，不僅僅是一個簡單的片上系統，擴展到了系統外的系統，甚至還有考慮到人的因素，大的系統到來時，學術界關注研究課題目標發生很大變化，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。
CPS面臨哪些需要關注的科學問題？
1.多尺度。原來關注只是一個程序、一個簡單的計算機，現在變得非常復雜，小到一個片上MCU的系統，大到一個云的服務，甚至還有考慮人和環境的干擾與不確定性。
2.如何用統一語言進行描述。計算的信息是相對離散的系統，實物運行有連續的特性，如何用一個語言把連續的和離散的系統統一描述，也是比較關鍵問題。
3.開放環境下不確定性建模和控制。這是工業界非常關心的問題，原來模型是可控的，引入了外部環境，甚至考慮到人的因素之后，系統的環境變得非常復雜。如很容易描繪的一句話“遵守交通信號”，到計算機系統用數學語言表達、程序語言實現就非常復雜。
自動駕駛，我們更關注自動駕駛的技術和模型。
北美發生了一個特斯拉的事故，開到路口，一輛貨車突然出現，導致Model-S幾種情況，比如視覺出現誤判，沒有識別出目標。另外車距和車高系統，原來系統沒有考慮到，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。車距系統沒有做好車高測算，導致視覺和車距兩個系統同時失靈，才導致這種交通事故出現。這種交通事故在數學模型上歸結為通過環境的變化，外部會產生新的模型，事先設計時就沒有考慮到。類似這樣的現象，以后還會不會出現？答案肯定是還會有意想不到的現象會出現。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據。
4.協同感知和交互。因為我們研究的不是一個單獨的實體，既有小的片上系統，又有人和環境大的交互系統，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內容，原來一個小小的計算機系統，如單獨的航天軟件，想要達到百分之百安全，也費很大勁，要通過黑盒子測試、白盒子測試，來驗證其安全性。現在突然間系統變得非常復雜，不僅僅是一個系統，要考慮到各種各樣的因素。有什么科學方法來設計，怎么通過仿真、驗證、測試來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應用場景。
包括大規模交通控制系統的優化，城市交通協同的服務，大數據的分析平臺，還有無人機、無人車的應用，甚至協同的應用，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CPS，簡稱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，將交通信息源和交通物理深度融合，通過信息系統和物理系統間相互作用和反饋，實現交通系統的感知、溝通、協同和決策的優化。
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，在未來協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通過處理和計算，結合遠程服務，為人、車、路提供指導和規劃。
典型路況場景。主要通過車載感知系統、V2V、V2X等所有感知，通過信息的計算和處理，最后達到對人、車、路統一的規劃和控制。
基于TCPS交通運行的控制模型，和傳統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，關于交通需求的輸入，也包括交通系統本身信息的輸入，包括網絡的均衡、降低交通的阻塞等因素，還包括信號協同的控制、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，根據外部環境、根據整個大的交通控制模型，控制系統包括交通控制系統、交通信號控制系統，結合人車為主體、交通主管部門為主體的交通行為控制系統，最后輸出給對象，控制人、車運動的需求。
TCPS在智慧交通中的優勢：能夠更加明智幫助決策層指揮交通，降低成本，增加經濟活力，有效促進轉型以大數據為中心的新服務、新業態，甚至是新產業的推動，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：1.狀態的采集和感知。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信息孤島、數據脫密、交換等瓶頸。3.協同、指揮、優化和控制方面還有技術挑戰。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，關心的問題包括：交通運營、數據安全、環境保護和民生經濟。
智慧交通通過大數據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，可以為出行線路優化，甚至共享的資源進行選址和優化。
我們現在正在做一項工作，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用戶的畫像，這些都是基于他們的大數據做的分析，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、分配、結算，通過能源的TCPS系統，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、能源平均價格降低三個目標，可以做強化的學習模型，對供電系統提供低成本、經濟、高效的解決方案。
總之，TCPS系統在智慧交通、能源管理、自動駕駛幾個領域都有非常廣闊的需求。
今天有很多新能源汽車行業專家參會，我們有一個團隊是專門做新能源汽車基于國產VCU和MCU的設計，在新能源汽車車型上已經有實施案例，幫助他們取得工信部的認證。我們的特點是偏重于工程化，在新能源汽車技術領域有兩個特點：1.立足于國家工程中心自主可控的技術軟件，開發高性價比、低成本的電控電驅方面的解決方案，歡迎在座各位主機廠和企業跟我們一起展開合作。
謝謝！
（根據發言整理，未經本人審閱）
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