CPS体系结构按照功能及所属领域情况主要分为四层：物理层（PhysicalLayer）、网络层（NetworkLayer）、服务层（ServiceLayer）和应用层（ApplicationLayer）。物理层是指主要由与物理环境联系紧密的感知子系统以及执行子系统组成的，它的功能是采集系统环境中的信息元素，然后根据控制系统的命令对物理世界进行塑造，是整个系统中的直接执行者，比较常见的物理层设备有传感器、探测器等；网络层是指能够满足对CPS中各子系统实现交互操作的大型空间网络，该层的网络也被叫作下一代网络，它也是代表了未来国际互联网通信的演化方向，CPS中的节点设备之间通信组成强大功能的局域网，利用新一代网络通信系统，保证数据实时、准确的传送，是实现底层设备与上层控制之间的桥梁；服务层功能是响应应用层命令请求，基于事件驱动的控制单元处理传感单元事件，调整物理系统设备状态，该层有多个高性能处理器平台，根据需求差异将物理层感知数据分类处理，提取出有用的部分给应用系统，并负责智能调度、解析、调整各子系统的内部运行规则，保障系统的处理性能；应用层是CPS中用户层操作的接口，该层作用是根据应用环境需求供应各类CPS服务，方便用户不必对系统内部复杂结构了解而能够轻松享受系统提供的各类服务。CPS体系结构图如图8.2所示。

图8.2 CPS体系结构图

图中所述CPS的体系结构清晰、明确地表达出其性能特征。在该体系结构中，物理层与网络层任务侧重和物理世界交互，可以归为物理域，而服务层与应用层主要是完成信息处理，所以将它们归列为信息域。最底层的物理层中各节点布置在系统应用物理环境中，实时感知采集环境信息因素，从空间及时间层面上分别展现出计算和物理过程密切融合。系统中的安全机制从系统的可靠性、信息保密性等特征实现调控；利用系统整体时钟规范统一系统中各个子部件的时间标识，从而合理地描述系统事件执行顺序，规范任务的执行期限，真实地体现系统的适时性特性状况；通过感知、执行以及调控的过程突出了自治性特性；系统分布的各类型终端设备可以随着应用层的需求变化完成自动重配。接下来将对这四个层次功能特性进行介绍。

（1）物理层

CPS物理层是指在CPS中与应用环境交互的能够感知设备的节点的抽象，这些节点能够感知环境并具备执行能力作用于环境。该层全面地表现了CPS的理论基础，涵盖了很多应用技术，例如新型传感器技术、智能控制、数据挖掘等。CPS节点可以通过以下几个属性来描述：ID标识系统网络中的设备单一性编号；Func是抽象化节点实体功能的属性；Power是节点能源使用情况的属性；Position是描述节点地理位置；State则是对节点所处状态特性描述。因此一个CPS节点可以通过式（7-1）形式表达：

CPSN：=<ID，Func，Power，Position，State>（7-1）

（2）网络层

网络层的功能是把物理层分布的各类CPS节点实现相互连通，数据信息交换共享，且能相互操作通信。网络层是CPS完成资源共同分享的途径，它类似于互联网功能实现各地物理单元通过局域网相连。目前计算机网络中的很多成熟技术也都有被应用于系统中，例如节点入网、数据传输以及数据共享等，同时也有许多有别于传统的新型网络技术被运用，其中就有异构节点的数据描述以及语义的解析、感知能力作用范围的问题、海量数据传输导致的网络堵塞等。CPS网络将系统中CPS节点的异构性都以统一接口模式忽略了，为应用层提供便捷通用的网络服务。

由于CPS网络所连接的CPS节点是异质的缘故，要求屏蔽节点间数据格式差异和物理层无障碍的实时通信，并且许多数据采集与处理设备联系，整个CPS中的通信数据负载是一般的应用网络无法承载的，因此，对网络层性能的要求较高。它需要准确定位高度移动特性的节点，并快速接入CPS网络中，需要具备大面积覆盖的感知能力以及网络海量数据传输负荷承受能力。(www.daowen.com)

CPS网络层分布范围广阔，CPS节点也具有自组网及入网扩展能力，实现更多的数据交互与共享。它具有全面感知、安全传递、智能调度等特性，是CPS的中间交互接口，也是系统核心，未来扩展功能必须得解决资源调度、动态性、异构协同，保障数据实时传输效率。它将是未来社会信息基础设施所应用的网络核心，为新媒体、电子商务等应用提供基础平台。

（3）服务层

服务层是CPS中处理性能的体现，它将原始感知数据整理成用户需求的形式。服务层的资源反映在信息世界的表现为能力，与物理世界子系统间交互要求保证实时性及准确性。在物理层通过网络层传送信息请求时，服务层会将请求命令解析，然后调度对应的处理器平台去执行相关任务，并最后上报执行结果。该层中主要包括的执行功能有接收命令请求、信息解析、任务调度、进程处理、进程追踪、需求描述、应用查询和服务组合等。服务层是CPS系统的大脑，完成了很多重要执行任务，并控制处理随时发出的进程。

（4）应用层

应用层是直接与用户交互的接口，该层很精细地将网络层和物理层的内部信息包装起来，提取出其功能呈现给用户使用，使用户不必花费精力去熟悉底层细节就能享受到各类服务办理。应用层主要完成分析任务需求，合理分配任务，然后对各子任务进程进行解析，调度资源实现功能。

通过对CPS体系结构中各层次、功能分析，可归纳出CPS的工作流程如下：CPS的各个节点与物理环境实时交互感知环境信息，形成执行效果共享，根据感知需求规则采集相应的信息元素，且将感知结果传递至控制系统，通过网络层达到感知系统与控制系统之间通信，根据所传送的数据，参考系统规则，计算系统进行处理融合做出决策，应用层进行相应的进程处理提供服务，整个过程实时并发，结合反馈功能实现准确的执行操作。CPS详细工作流程体系如图8.3所示。

图8.3 CPS详细工作流程体系