技术摘要：
一种可多层次扩展的信息物理系统，其特征在于：所述可多层次扩展的信息物理系统，包括CPS主节点、CPS从节点、传感/执行器、网络协议转换器和UM‑BUS总线，可以通过以太网与UM‑BUS总线双向转换，通过以太网进行系统层次扩展，与其它信息物理系统组成更大系统，并能够相  全部
背景技术：
信息物理系统(Cyber-Physical  Systems，以下简称为CPS)是通过计算、通信与控 制技术的有机结合，将信息处理与物理感知执行深度融合，实现计算资源与物理资源协调 工作的新一代智能系统。CPS通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与 交互，来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自动协调等方面的能力， 是时空多维异构的混杂自治系统，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。CPS通过集成先进 的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中多种 要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、 快速迭代、动态优化。 CPS强调计算和物理的紧密结合，同时也强调网络化，核心仍然是信息处理。数据 感知则是CPS实现实时分析、科学决策的基础，是CPS数据闭环流动的起点。通过指令控制执 行单元作用于物理世界，使其按照期望状态进行演化，则是CPS的一个重要目的。为了适应 传感器泛在接入、多源感知融合的需求，CPS对于异构信息应当具有很好的适应能力，同时 允许系统中部分部件动态的退出和接入。与通常的嵌入式系统相比，CPS对系统的可扩展性 与开放性具有更高的要求。 CPS多采用工业现场网络为基础建立系统的网络连接，无线传感器网络也是CPS感 知数据的一个主要途径。然而，在大量的工业生产现场、嵌入式控制等领域，由于受到噪声、 信号衰减、报文冲突等因素的制约，无线传感器网络在实时性、精准性、可靠性等方面难以 满足应用要求。传统的面向嵌入式系统与信息系统远程连接的工业现场总线与网络，在传 输速率、容错能力、节点同步、异构扩展等方面缺乏足够的支持，也难以满足CPS在异构接 入、动态连接、可靠性、实时性、开放性、扩展性等方面发展的综合需求。同时，各种无线网络 及高速总线，大多缺乏设备间的中断支持，难以给CPS应用中设备间事件的快速实时响应提 供良好支持。 动态可重构高速串行总线(UM-BUS)是针对系统小型化与嵌入式一体化设计提出 的一种能够将冗余容错与高速通信有机统一，具备远程扩展能力的高速串行总线。如图1所 示，它采用基于M-LVDS(Multipoint  Low  Voltage  Differential  Signaling，多点低压差 分信号)技术的总线型拓扑结构，支持多节点直接互连，最多可使用32条通道并发传输，通 信速率可达6.4Gbps。在通信过程中，如果某些通道出现故障，总线控制器可实时地监测出 来，将数据动态分配到剩余有效通道上进行传输，实现动态重构，从而对通信故障进行动态 容错。 UM-BUS总线采用主从命令应答的通信模式，通过数据包的形式进行信息交互。连 接在总线上的通信节点按功能不同可分为主节点、从节点和监控节点，总线通信过程总是 4 CN 111585859 A 说　明　书 2/7 页 由主节点发起，从节点响应来完成的。UM-BUS总线具有时间同步功能，可保证总线各个节点 之间时间系统的精确同步。UM-BUS总线支持单主(Single  Master)通信与多主(Multi  Master)通信两种通信模式。在多主模式下，总线上可以存在多个主节点，多个主节点间需 要通过可变时隙轮转的仲裁方式来竞争总线使用权。 UM-BUS总线通信过程只能由主节点发起，主节点可以对其它节点内部功能单元按 地址读写访问，可支持IO空间、存储空间和属性空间三种地址空间，其中属性空间大小1KB， IO空间大小64KB，存储空间256TB。可为CPS中传感器与执行器的即插即用、数据方法属性封 装、高速可靠连接、异构实时接入等提供技术支撑。 UM-BUS总线支持中断处理，总线上的任何节点都可以通过公共中断信号线向任何 一个或多个总线节点进行中断请求。 同时，随着CPS应用的深入，信息物理系统接入的传感器与执行器数量也在迅速地 增长，传感器与执行器的异构接入需求也随之迅速增加。一方面，大量传感器与执行器的接 入会给CPS底层管理接口带来极大的操作复杂性，影响系统数据采集与驱动效率。另一方 面，在信息物理系统扩展与系统维护升级中，存在对异构传感器的兼容与共融问题，对系统 应用的兼容性与持续性有着不可忽视的影响。 针对CPS系统开放性与灵活扩展的应用需求，基于UM-BUS总线的特点，本发明提出 一种可多层次扩展的信息物理系统，用来满足CPS在异构接入、动态组织、规范化扩展、多层 次信息融合等方面的发展需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于设计一种可从多个层次进行系统扩展的信息物理系统及其扩 展方法，为信息物理系统的多源数据扩展、大量传感器动态接入、异构系统信息融合等应用 提供支持。 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为： 一种可多层次扩展的信息物理系统，其特征在于：所述可多层次扩展的信息物理 系统，包括CPS主节点、CPS从节点、传感/执行器、网络协议转换器和UM-BUS总线；所述UM- BUS总线作为内部通信总线，用于连接CPS主节点、CPS从节点和网络协议转换器，提供数据 访问通道；所述CPS主节点是信息物理系统中具有计算能力的节点，是UM-BUS总线上的主控 设备，能够主动发起对UM-BUS总线上其它节点设备的访问；所述网络协议转换器包括UM- BUS总线控制器和以太网控制器，实现以太网访问和UM-BUS总线访问的双向转换，信息物理 系统的CPS主节点通过UM-BUS总线访问网络协议转换器中的以太网控制器，与其它设备进 行以太网通信；同时，外部设备也可以通过所述网络协议转换器，使用以太网报文实现对 UM-BUS总线上连接的CPS主节点和CPS从节点的访问；所述CPS从节点可以作为UM-BUS总线 的从设备，具有0-4个功能分区，每个功能分区都可以存储与传感/执行器相关的功能方法 及属性信息，并实现对传感/执行器的连接与访问；所述传感/执行器泛指信息物理系统的 数据感知部件及驱动执行部件，通过CPS从节点连接到信息物理系统；所述信息物理系统采 用如下方法进行系统与部件的扩展： (1)所述信息物理系统通过其中的网络协议转换器连接到外部的以太网上，实现 系统级的扩展；所述信息物理系统可以通过以太网与其它信息物理系统进行信息交换；其 5 CN 111585859 A 说　明　书 3/7 页 它信息物理系统可以通过以太网，经网络协议转换器进行协议转换后，对所述信息物理系 统内部UM-BUS总线上连接的CPS主节点和CPS从节点进行访问； (2)所述信息物理系统通过在UM-BUS总线上连接更多的CPS主节点或CPS从节点， 实现系统内部的功能动态扩展；当一个CPS主节点或CPS从节点连接到UM-BUS总线上之后， 信息物理系统中已有的CPS主节点会通过UM-BUS总线对该新接入的节点的功能方法及属性 进行动态加载，之后使用加载的功能方法对该新接入节点及其所连接的传感/执行器进行 管理，并能够对该新接入节点及其所连接的传感/执行器的数据进行读写访问；当新接入的 节点为CPS主节点时，它也会通过UM-BUS总线对信息物理系统中已有的节点的功能方法及 属性进行动态加载，之后使用加载的功能方法对那些已有的节点进行管理，并能够对那些 已有节点及其所连接的传感/执行器的数据进行读写访问； (3)所述信息物理系统通过在CPS从节点上连接更多的传感/执行器，进行数据采 集与控制功能的扩展；一个CPS从节点中可以有0-4个功能分区，每个功能分区均可以接入 多种不同的传感/执行器，并为这些传感/执行器设置相应的功能与数据处理方法，可以对 要接入的传感/执行器进行分类分组，接入CPS从节点不同的功能分区，利用CPS从节点的功 能分区与动态加载特性，支持对大量异构传感/执行器的汇聚接入。 本发明实现的可多层次扩展的信息物理系统，基于UM-BUS总线的动态接入能力， 借助以太网与UM-BUS总线互操作转换，可以从三个不同层次上进行扩展：1)可以通过以太 网实现多个信息物理系统之间的高层次扩展；2)可以通过UM-BUS总线在信息物理系统内部 进行功能扩展；3)可以通过CPS节点功能分区进行多种异构传感/执行器的汇聚接入扩展。 这使得基于本发明的信息物理系统能够支持不同类型CPS节点的动态组织与融合，解决CPS 节点异构融合及动态接入问题，提高CPS的开放性与系统扩展能力，有利于CPS系统的标准 化升级维护。 附图说明 图1是UM-BUS总线的拓扑结构图； 图2是UM-BUS总线协议层次模型图； 图3是UM-BUS总线数据传输过程与数据通路示意图； 图4是UM-BUS总线中断信号线连接示意图； 图5是CPS节点方法区的整体布局与存储结构示意图； 图6是基于本发明的可多层次扩展的信息物理系统的结构图； 图7是基于CPS节点的传感器汇聚接入示意图。