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2021年5月第2题
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某公司长期从事嵌入式系统研制任务。近期公司承担了一项面向交通领域的智能交通系统(ITS),为了将信息、通信、传感、控制及计算机等技术有效地集成运用于整个地面交通管理,达到智能交通管理的要求,经公司讨论决定,采用信息物理融合系统(Cyber Physical System, CPS)技术来保证ITS达到实时、准确、高效的智能交通管理的目的。公司领导层将此任务交给王工承担论证工作。王工在广泛调研的基础上提交了总体实施方案供讨论,大家在高度肯定总体实施方案的基础上,提出了一些问题,并就这些问题提出了补充意见。阅读以下关于嵌入式实时系统设计的相关技术的描述,回答问题1至问题3。

分值(9分

王工在总体实施方案中指出:CPS是在嵌入式系统、传感器技术和网络技术的基础上发展起来的,嵌入式系统使设备具有智能化能力,传感器网络使设备具有感知能力,这两者的结合就产生了"计算深度嵌入物理过程中"的效果,使得物理系统能力得到扩展,并且计算与物理过程相互影响作用,这正是CPS的系统目标,也是智能交通管理系统的最终目标。基于此需求,对比现有系统,报告分析出CPS系统应具有十项需求,其中:异质性(heterogeneity)、分布性(distribution)、动态重组(recomposition)和重配置(reconfiguration)是CPS的关键需求。请用300字以内的文字解释说明上述三个需求的具体含义。

参考答案

这三个需求是CPS设计中的核心特性,它们共同确保了CPS在复杂、动态的环境中能够灵活、高效地运行。异质性保证了不同设备和系统的互操作性,分布性确保了系统的灵活扩展性,而动态重组和重配置则提供了应对突发情况和环境变化的能力。

凯恩解析

异质性(Heterogeneity):CPS中通常包含大量不同类型的设备、传感器、控制器、网络和软件系统,它们在硬件平台、操作系统、通信协议、数据格式以及计算能力等方面可能完全不同。因此,CPS必须能够屏蔽这些差异,使各种异构设备和系统能够互联、通信和协同工作。例如智能交通系统中,摄像头、红绿灯、车辆、道路传感器和交通管理平台虽然采用不同设备和协议,但仍需要实现统一协同。

分布性(Distribution):CPS不是由一台计算机集中完成全部处理,而是由大量分布在不同地点的计算节点、感知设备和控制设备共同组成。各节点通过网络交换数据、协同决策并完成控制任务。例如道路摄像头负责采集交通流量,路口控制器负责调整信号灯,中心平台负责全局分析,形成典型的分布式协同系统。

动态重组和重配置(Recomposition & Reconfiguration):CPS运行环境会不断变化,因此系统需要根据设备状态、网络情况、任务需求或外部环境变化,动态调整系统结构和资源配置。重组强调改变系统中各组件之间的组合和协作关系,重配置强调修改设备参数、功能或运行策略。例如某一路口设备故障后,可以重新选择其他传感器提供数据,并重新调整周边信号灯控制策略,使系统仍能正常运行。

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