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云控制系統(tǒng)及其應(yīng)用前景探析之云控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

來源:北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院??作者:夏元清 ??2019-02-11 閱讀:821

盡管云控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì),但在當(dāng)前階段,云控制系統(tǒng)的發(fā)展還處在起始階段,面臨著許多挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

(一)云控制系統(tǒng)信息傳輸與處理的挑戰(zhàn)

云控制系統(tǒng)與一般信息物理系統(tǒng)的不同之處在于云控制系統(tǒng)將其控制部分有選擇地整合進(jìn)而采用云計(jì)算處理。系統(tǒng)中存在著海量數(shù)據(jù)匯聚而成的大數(shù)據(jù),如何有效地獲取、傳輸、存儲(chǔ)和處理這些數(shù)據(jù)?如何在大延遲(主要包括服務(wù)時(shí)間以及對(duì)象與云控制器之間的通信延遲)下保證控制質(zhì)量和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時(shí)如何保證控制性能,如實(shí)時(shí)性、魯棒性等?采用何種原則對(duì)本地控制部分進(jìn)行分拆?與云端進(jìn)行哪些信息的交流?采用何種云計(jì)算方式?云計(jì)算中如何合理利用分布式計(jì)算單元,合理地給計(jì)算單元分配適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)?這些都是不同于一般信息物理系統(tǒng)的問題,其中如何進(jìn)行控制部分整合和云端計(jì)算是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

(二)基于物理、通信和計(jì)算機(jī)理建立云控制系統(tǒng)模型的挑戰(zhàn)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問題是建立合理的模型,云控制系統(tǒng)是計(jì)算、通信與控制的融合,計(jì)算模式、通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,以及數(shù)據(jù)的混雜性等為云控制系統(tǒng)的建模工作帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。尤其是云計(jì)算作為控制系統(tǒng)的一部分,與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中控制器的形式有很大不同,如何構(gòu)建云計(jì)算、物理對(duì)象、(計(jì)算)軟件與(通信)網(wǎng)絡(luò)的綜合模型,以及如何應(yīng)用基于模型的現(xiàn)有控制理論是一大挑戰(zhàn)。在建模過程中,計(jì)算模型和通信模型需要包含物理概念,如時(shí)間;而建立物理對(duì)象的模型需要提取包含平臺(tái)的不確定性,如網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、有限字節(jié)長(zhǎng)度、舍入誤差等。同需要為描述物理過程、計(jì)算和通信邏輯的異質(zhì)模型及其模型語言的合成發(fā)展新的設(shè)計(jì)方法。

(三)基于數(shù)據(jù)或知識(shí)的云控制系統(tǒng)分析與綜合的挑戰(zhàn)

作為多學(xué)科交叉的領(lǐng)域,云控制系統(tǒng)必然存在一些新特性,除了包含云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化控制、信息物理系統(tǒng)和復(fù)雜大系統(tǒng)控制的一般通性,還有自身的特性。針對(duì)這些特性,需探究和創(chuàng)建合適的控制理論。云控制系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng),其模型建立困難,或者所建模型與實(shí)際相差過大,需要探究不依靠模型而基于數(shù)據(jù)或知識(shí)的控制方法。同時(shí),云控制系統(tǒng)必然存在一定的性能指標(biāo),合理提煉并進(jìn)行指標(biāo)分析和優(yōu)化,對(duì)于設(shè)計(jì)和理解云控制系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。

(四)優(yōu)化云控制系統(tǒng)成本的挑戰(zhàn)

將云服務(wù)運(yùn)用于控制系統(tǒng)減少了硬件和軟件的花費(fèi)。但是在運(yùn)用云計(jì)算過程中,需要進(jìn)行控制任務(wù)的分配與調(diào)度,本地部分功能向云端虛擬服務(wù)器的遷移,以及云控制系統(tǒng)的維護(hù)與維持等,如何優(yōu)化云控制系統(tǒng)的成本是一個(gè)更為復(fù)雜的問題。

(五)保證云控制系統(tǒng)安全性的挑戰(zhàn)

云控制系統(tǒng)的安全問題是最重要的問題。針對(duì)云控制系統(tǒng)的攻擊形式多種多樣,除了針對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的 DOS 攻擊,還有攻擊控制信號(hào)和傳感信號(hào)本身的欺騙式攻擊和重放攻擊等。對(duì)于云控制系統(tǒng)而言,設(shè)計(jì)的目標(biāo)不僅僅要抵御物理層的隨機(jī)干擾和不確定性,更要抵御網(wǎng)絡(luò)層有策略有目的的攻擊。因此,云控制系統(tǒng)的安全性對(duì)我們提出了更高的要求,研究者需要綜合控制、通信和云計(jì)算研究。目前的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)要求控制算法和硬件結(jié)構(gòu)具有更好的“自適應(yīng)性”和“彈性”,以便適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。云控制系統(tǒng)的架構(gòu)具有更好的分布性和冗余性,因此能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)安全性的需要。

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