探析云控制系統(tǒng)及其應(yīng)用前景

云控制系統(tǒng)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過各種傳感器感知匯聚海量數(shù)據(jù)，并將大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于云端，在云端利用深度學(xué)習(xí)等智能算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線辨識(shí)與建模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制等先進(jìn)控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主智能控制。本文介紹了云控制系統(tǒng)的初級(jí)形式與深度形式，給出了一種云控制系統(tǒng)雛形和一種簡單的協(xié)同云控制系統(tǒng)，分析了云控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而探析了云控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

在過去十年中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得顯著發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，形成了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，它是控制理論的一個(gè)新領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)、互通、互控，進(jìn)而建立了高度交互和實(shí)時(shí)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)化控制理論在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。我們可以通過傳感器技術(shù)，檢測對(duì)象物理狀態(tài)的變化，獲取各種測量值，最終產(chǎn)生需要儲(chǔ)存的海量數(shù)據(jù)。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能夠獲取到的數(shù)據(jù)將會(huì)越來越多，控制系統(tǒng)必須能夠處理這些海量數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)將會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)和系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。在這種情況下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)難以滿足高品質(zhì)和實(shí)時(shí)控制的要求。

為了解決這個(gè)問題，筆者提出一個(gè)新概念——云控制系統(tǒng) (Cloud Control Systems，CCSs)，它結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在這個(gè)新的控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，控制的實(shí)時(shí)性因?yàn)樵朴?jì)算的引入得到保證，通過各種傳感器感知匯聚而成的海量數(shù)據(jù)，也即大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在云端，在云端利用深度學(xué)習(xí)等智能算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線辨識(shí)與建模，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制等先進(jìn)控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主智能控制。

一、云控制系統(tǒng)的概念

云控制系統(tǒng)是云計(jì)算與信息物理系統(tǒng)的深度融合，但也非簡單的將云計(jì)算應(yīng)用到信息物理系統(tǒng)。

通過與人體控制系統(tǒng)的比較，可以形象地認(rèn)識(shí)云控制系統(tǒng)。云控制系統(tǒng)中各分立的小系統(tǒng)可以比作人體各個(gè)器官以及與之對(duì)應(yīng)的脊髓神經(jīng)，將系統(tǒng)中的傳感器比作人體的感覺器官，將互聯(lián)網(wǎng)比作信號(hào)傳輸經(jīng)過的神經(jīng)網(wǎng)。正如膝跳反射的中樞在腰部脊髓，分立的小系統(tǒng)有自己獨(dú)立的控制能力。將云端比作脊椎以上的大腦和小腦，提供大部分或者高級(jí)的控制能力。正如大腦和脊髓神經(jīng)的計(jì)算運(yùn)行方式不同，云計(jì)算的方式和分立小系統(tǒng)的計(jì)算方式也不同，特殊的設(shè)計(jì)和組成能夠提供更強(qiáng)大或更優(yōu)化的計(jì)算能力，使系統(tǒng)更加智能化，功能更強(qiáng)。

（一）云控制系統(tǒng)的一個(gè)雛形

在我們的云控制系統(tǒng)雛形定義中，云控制分為兩個(gè)階段：初始階段（也稱網(wǎng)絡(luò)化控制階段）和云控制階段。

控制器接收來自被控對(duì)象的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)基于模型的網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測控制算法，生成控制變量。在初始階段，云控制系統(tǒng)在預(yù)先定義的廣播域中僅僅包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；形式上實(shí)際上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

任何一個(gè)云控制任務(wù)都從初始階段開始；在初始階段，控制系統(tǒng)被初始化為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，包含控制器 CT 和被控對(duì)象 P 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（二）云控制的控制流程

(1) 初始，CT 利用預(yù)先設(shè)定的控制算法，生成操作變量，并將封裝好的預(yù)測控制信號(hào)發(fā)送給被控對(duì)象；在自身管理范圍內(nèi)，持續(xù)廣播控制需求，尋找可利用的節(jié)點(diǎn)，替代自己完成控制任務(wù)。

(2) 評(píng)價(jià)云節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí) ( 優(yōu)先級(jí)越大，越適合提供服務(wù) )。

(3) 建立完優(yōu)先級(jí)列表后，控制節(jié)點(diǎn) CT 將從中選擇一些優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送確認(rèn)信息。

(4) 當(dāng)某個(gè)或某些結(jié)點(diǎn)反饋確認(rèn)以后，控制節(jié)點(diǎn) CT 將向其發(fā)控制任務(wù)描述（控制算法等）。

(5) 同時(shí)，CT 也會(huì)將服務(wù)節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給被控對(duì)象 P；P 接收到后，將開始向服務(wù)云節(jié)點(diǎn)發(fā)送（歷史）測量數(shù)據(jù)。

(6) 為了保持云控制系統(tǒng)的良好運(yùn)行，在每個(gè)采樣時(shí)刻，所有活動(dòng)的云控制節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn) CT發(fā)送反饋，如果節(jié)點(diǎn) CT 在一個(gè)預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒有收到某個(gè)云控制節(jié)點(diǎn)的反饋，那么這個(gè)云控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)該從列表中移除，并且節(jié)點(diǎn) CT 將指示所有閑置意愿節(jié)點(diǎn)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)來代替移除節(jié)點(diǎn)。

(7) 與此同時(shí)，將這種替換告知節(jié)點(diǎn) P。云控制系統(tǒng)的管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，節(jié)點(diǎn) CT 不斷尋找意愿節(jié)點(diǎn)，刪除并替換失效節(jié)點(diǎn)和發(fā)送當(dāng)前云控制節(jié)點(diǎn)的信息到節(jié)點(diǎn) P。節(jié)點(diǎn) P 可以接收來自不同云控制節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)數(shù)據(jù)包，補(bǔ)償器選擇最新的控制輸入作為被控對(duì)象的實(shí)際輸入。

（三）協(xié)同云控制系統(tǒng)

考慮到單個(gè)意愿節(jié)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)算能力是有限的，同時(shí)為了縮短云端服務(wù)時(shí)間，在實(shí)際的控制實(shí)踐中，協(xié)同云控制系統(tǒng)將會(huì)變得非常有意義。在協(xié)同云控制系統(tǒng)中，控制任務(wù)將由多個(gè)意愿節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成。下圖給出了協(xié)同云控制系統(tǒng)的一個(gè)簡單示意圖。

二、云控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

從上述云控制系統(tǒng)的雛形的定義可以看到，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)相比，云控制系統(tǒng)除上文中所述的優(yōu)點(diǎn)外，在應(yīng)用上還有以下六點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（一）系統(tǒng)硬件可靠性高，硬件冗余，自動(dòng)故障切換意外的硬件損壞——很多種原因的硬件損壞會(huì)導(dǎo)致服務(wù)的停止，例如硬盤、主板、電源、網(wǎng)卡等等，針對(duì)這些弱點(diǎn)，管理人員雖然可以找到替代方案，例如建立一個(gè)全冗余的環(huán)境（電源、網(wǎng)絡(luò)、盤陣等等），但是這樣的成本太高而且工作非常繁復(fù)。云存儲(chǔ)透過將系統(tǒng)映射到不同的服務(wù)器，解決了這個(gè)潛在的硬件損壞的難題。在硬件發(fā)生損壞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將服務(wù)運(yùn)行在另一臺(tái)服務(wù)器上，保持服務(wù)的繼續(xù)。

（二）系統(tǒng)設(shè)備升級(jí)不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷

系統(tǒng)升級(jí)導(dǎo)致的停機(jī)——傳統(tǒng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，需要把舊系統(tǒng)停機(jī)，換上新的設(shè)備，這會(huì)導(dǎo)致服務(wù)的停止。云控制并不單獨(dú)依賴一臺(tái)服務(wù)器，因此，服務(wù)器硬件的更新、升級(jí)并不會(huì)影響服務(wù)的提供。

（三）不受物理硬件的限制，及時(shí)提供性能的擴(kuò)展

考慮到功能和算法復(fù)雜度的增長，可能導(dǎo)致提前采購的浪費(fèi)。當(dāng)采用云控制時(shí)，可以根據(jù)具體需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，硬件和運(yùn)行環(huán)境配置，避免不必要的浪費(fèi)，節(jié)約用戶資本。

（四）發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能

實(shí)際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)工作量過度集中，而用戶沒有能力或者比較困難進(jìn)行工作量分配，造成系統(tǒng)整體負(fù)載不均的現(xiàn)象，有些系統(tǒng)沒有在使用，有些則負(fù)載過量，這會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)效能受限，云控制系統(tǒng)充分利用云計(jì)算按需分配的能力，突破這一難題。

（五）減少 IT 支持

對(duì)于控制工程師，更多關(guān)注于整個(gè)系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)，而對(duì)系統(tǒng)的安全防護(hù)和 IT 管理規(guī)則較為陌生，而這些卻是保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。云控制系統(tǒng)的引入可以較好地調(diào)配人力資源，最大程度上提升控制工程師的效率。

（六）有利于共享與協(xié)作

由于控制系統(tǒng)對(duì)于相同的控制對(duì)象具有較大的相似度，云控制系統(tǒng)的引入為控制工程師提供了一個(gè)交換控制算法與經(jīng)驗(yàn)的平臺(tái)。當(dāng)遇到較為復(fù)雜的控制任務(wù)時(shí)，云控制平臺(tái)也可以完成使用者之間的協(xié)作。

三、云控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

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。

四、云控制系統(tǒng)廣闊的應(yīng)用前景

（一）智能交通系統(tǒng)

云控制框架的引入，可以更有效的處理智能交通系統(tǒng)中存在的海量數(shù)據(jù)，提升效率和安全性。

（二）智能家居

云控制技術(shù)的引入將有助于智能家居的穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)也將對(duì)智能家居的整體推廣有重要的促進(jìn)作用。

（三）云機(jī)器人

云控制框架可以幫助機(jī)器人相互學(xué)習(xí)和知識(shí)共享，解決單個(gè)機(jī)器自我學(xué)習(xí)的局限性。