技术前沿第一期美国21世纪CPS教

本期继续刊发言十对“美国21世纪CPS教育报告”的系列解读文章（美国21世纪CPS教育报告的课程结构设计及启示，美国21世纪CPS教育报告简介）。文章结合“新工科”建设的理念，对报告关于专业课程规划与课程分类进行解读，并提出借鉴和思考。

0引言

21世纪CPS教育报告[1-2]（以下简称“报告”），基本按照工程教育专业认证体系[3]，符合美国工程与技术认证委员会（ABET）的要求，给出了5个本科专业4年课程规划。此处“专业课程”是指按照课程分类表（见表1）中的“专业教育课程”，我们试图主要是从“办学者”和“教学者”的角度，结合“新工科”建设的理念，对报告关于专业课程规划与课程教学方面进行解读。

1课程分类指导意见

“报告”认为，CPS是新兴的具有重大经济和社会效益的工程领域。交通运输、医药、能源、国防和信息技术等主要工业部门，越来越需要一支能够设计并工程化CPS产品和服务的人才队伍。这些产品和服务将信息元素（计算硬件和软件）与物理组件紧密结合在一起，并对它们的交互及对物理环境产生的影响进行管理。美国科学院、工程院、医学院3家联合组成专门委员会，邀请来自多个工业领域的业界人士对CPS在工业界中日益增长的重要性和CPS技能需求进行研讨，提出了很多意见，CPS教育如何设置课程，委员会最终形成以下指导性意见：

（1）确定了CPS学科的6个基础：基本计算概念、实体世界的计算、离散和连续数学、交叉应用、CPS系统开发、建模。明确CPS教育超越了传统的动力系统模型（常微分或差分方程），不仅体现在实体层面的物理影响，而且体现在“信息（Cyber）”与“实体（Physical）”的交叉与交互上。

（2）强调传感器的特性和原理重要性。传感器是连接物理和信息世界之间的硬件桥梁，理解传感器及物理世界的约束，并以适当的方式使用传感器。程序员需要知道这些原理和通过信号处理技术进行处理，来确保它们开发的CPS正常工作。信号处理所需的原理包括线性信号和系统理论、模拟和数字滤波、时域和频域分析、卷积、线性变换（如离散傅立叶变换和快速傅里叶变换）、信号噪声和统计特征、机器学习、决策和传感器融合。在CPS中，与考虑传感器的可靠性一样，对于嵌入式CPU上的这些信号处理技术的实现，实时运行和安全关键特性是必须重视的，而经典信号处理课程一般不涉及这些问题。

（3）控制是CPS的主要内容之一。控制理论的相关要素包括网络、混合系统、随机系统和数字系统控制技术的稳定和优化。在信息域中特别重要的是对分布式系统的控制和固有延迟的影响。

（4）网络、无线、实时已深入到我们的经济和社会中，了解这些主题的基本原理对于CPS工程非常重要。学生需要知道的知识包括：

?通信和网络。需要理解CPS的物理层原理、协议、分层架构，了解无线通信的实际性能。

?实时。需要了解诸如实时调度理论、程序中的时间语义以及网络中的时钟同步等。

?分布式系统。CPS在许多应用中的分布式性质和网络化应纳入CPS教育。即使传统工程或计算机科学课程涵盖了分布式系统和网络化，但这些课程往往不涉及CPS问题。CPS将硬件实现与算法运行的软件相结合，全部在现实环境中运行。

?嵌入式系统。对嵌入式软件的原理、编程、算法、软件设计、方法和平台（架构和操作系统）进行有力的教学和培训工作，这些对于开发可靠和高质量CPS系统的信息组件是必需的。

?物理特性。了解并能够对环境的物理特性建模和硬件平台非常重要。软件设计原则应满足安全性、可靠性、实时性、风险管理、安全需求，这些解决物理世界实际问题的方法应该成为课程的一部分。

?人机交互。人机工程、人为环境控制以及对人类行为反应的理解和计算对于许多CPS来说非常重要。一个重要的设计原则是使CPS易操作、易控制和易维护。类似于其他工程学科，实践项目和跨学科的团队合作也是理解和应用核心原理的基础。

委员会也注意到了目前已运行的系统的差距，例如网络攻击的脆弱性以及互操作性差。建议在CPS早期课程中介绍以下特性及相关的设计方法，并引入贯穿到CPS课程和计划中。

?安全隐私。所有基于信息技术的系统都会受到网络攻击。许多CPS系统是非常脆弱的，因为它们处在开放环境中，或以无线通信方式交互。安全和隐私风险技术对CPS系统设计至关重要。

?互操作性。特别是在大规模CPS中，系统将由许多组件构成，这些组件来自于不同供应商，部分可能有不同的实体运行情况。实现CPS的全部目标将需要异构组件和系统之间具有互操作性。而实现互操作性则需要掌握如何定义和使用共同架构、标准化接口和数据标准等方面的知识。

?可靠性和可信性。许多CPS系统将成为我们日常生活的一部分，CPS的实用化要求很高的可靠性和可信性。由于许多CPS设备的计算能力、内存和资源有限，这会带来一些新问题出现。最好的系统是设计之初就考虑了可靠性（和安全性），而不是在测试期间不断地修复系统。CPS还需要具备鲁棒性，以应对设计之初可能难以量化的不确定性。为了确保这些不确定性能够得到解决，必须在实施阶段跟踪并处理这些不确定性。

?功耗和能耗管理。一些CPS组件紧凑的尺寸和自主操作，使能耗管理非常关键，应该优先设计考虑。

?安全。随着CPS在日常生活中的应用，确保CPS对人类和环境的操作是安全的非常重要。与这些行为相关的风险应该是可以被评估和管控的。

?稳定性和性能。由于CPS是动态的、随机的，它的稳定性包含系统的线性或非线性、带宽、采样率、系统的极点和零点、模型的噪声和不确定性，以及传感器和执行器的局限性（例如噪声或饱和）。

?人机工程和可用性。人机工程设计、人机环境友好以及对人类行为及反应的理解和计算，对于许多CPS应用来说都很重要。

2专业课程内容设计

2.1课程规划基本原则

报告给出了专业课程规划的重点，以报告中的CPS专业为例，对报告中关于专业教育课程规划的基本原则，总结归纳见表2。

2.2课程内容设置范例

报告同时还对具体课程内容的设置，给出了明确的要求和范例，以下是报告给出的课程内容的设置范例。

（1）课程内容设置范例一：

课程名称：生命攸关应用的嵌入式软件。

开课学校：宾夕法尼亚大学，InsupLee，SanjianChen。

课程代码：CIS/。

先修课程：C或Java编程，计算机体系结构或操作系统导论。

课程描述[5]：本课程侧重于CPS，重点







































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