[论文解读] Edge computing for cyber-physical systems: A systematic mapping study emphasizing trustworthiness

José Manuel Gaspar Sánchez, Nils Jörgensen+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2021

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 50被引用 4

一句话总结

本系统映射研究探讨了边缘计算在信息物理系统（CPS）中的作用，重点强调了安全性、可靠性与可预测性等可信属性。通过对224篇论文的分析，研究发现尽管这些可信属性对现实世界CPS应用至关重要，但其研究仍显不足，凸显了关键的研究空白，并呼吁未来研究采用整合性、实验性与可持续性的方法。

ABSTRACT

Edge computing is projected to have profound implications in the coming decades, proposed to provide solutions for applications such as augmented reality, predictive functionalities, and collaborative Cyber-Physical Systems (CPS). For such applications, edge computing addresses the new computational needs, as well as privacy, availability, and real-time constraints, by providing local high-performance computing capabilities to deal with the limitations and constraints of cloud and embedded systems. Our interests lie in the applications of edge computing as part of CPS, where several properties (or attributes) of trustworthiness, including safety, security, and predictability/availability are of particular concern, each facing challenges for the introduction of edge-based CPS. We present the results of a systematic mapping study, a kind of systematic literature survey, investigating the use of edge computing for CPS with a special emphasis on trustworthiness. The main contributions of this study are a detailed description of the current research efforts in edge-based CPS and the identification and discussion of trends and research gaps. The results show that the main body of research in edge-based CPS only to a very limited extent consider key attributes of system trustworthiness, despite many efforts referring to critical CPS and applications like intelligent transportation. More research and industrial efforts will be needed on aspects of trustworthiness of future edge-based CPS including their experimental evaluation. Such research needs to consider the multiple interrelated attributes of trustworthiness including safety, security, and predictability, and new methodologies and architectures to address them. It is further important to provide bridges and collaboration between edge computing and CPS disciplines.

研究动机与目标

• 理解当前关于边缘计算在信息物理系统（CPS）中研究的现状，特别是其与可信性的关联。
• 识别在基于边缘的CPS中，对安全性、安全性、可预测性与可用性等关键可信属性的研究空白。
• 通过分析趋势、方法论缺陷以及CPS与边缘计算领域间跨学科合作的必要性，为未来研究提供指导。
• 倡导在边缘-CPS开发中加强实验验证、可持续性整合与架构框架建设。
• 建议在未来研究中拓展可信属性维度，纳入透明性、问责性与弹性。

提出的方法

• 通过预定义的搜索标准，在学术数据库中开展系统性文献综述，以识别与边缘计算和CPS相关的文献。
• 基于纳入与排除标准筛选并分析224篇论文，重点关注以可信性为核心主题的边缘计算在CPS中的应用。
• 按研究重点、可信属性、应用领域及方法论方法（如仿真、原型、实验评估）对论文进行分类。
• 映射研究主题趋势、所用技术（如MEC、雾计算、云盒）以及可信性被关注的程度。
• 识别出重复的方法论局限，如缺乏真实环境测试，以及对可持续性与跨领域整合关注不足。
• 通过主题综合提出未来研究方向，包括架构框架、测试平台开发以及可信属性维度的扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 边缘计算在信息物理系统中目前如何应用？其主要的应用领域是什么？
• RQ2 现有研究在多大程度上解决了基于边缘的CPS中安全性、安全性与可预测性等关键可信属性？
• RQ3 当前研究在方法论上存在哪些缺陷，特别是关于实验验证与实际部署方面？
• RQ4 如何更好地将可持续性与循环经济原则整合到基于边缘的CPS设计中？
• RQ5 在边缘计算与CPS集成过程中面临的主要挑战是什么？如何改善两个领域间的协作？

主要发现

• 尽管在现实应用中安全性、安全性与可预测性等核心可信属性至关重要，但仅有少数关于基于边缘的CPS的研究涉及这些属性。
• 实验评估与真实环境测试平台严重缺乏，大多数研究依赖于仿真或理论模型。
• 当前的边缘-CPS研究中，对能源效率与循环经济概念等可持续性原则的整合基本被忽视。
• 研究在不同领域间呈现碎片化，CPS与边缘计算社区之间缺乏足够协作，阻碍了统一架构框架的发展。
• 透明性、问责性与弹性等可信属性维度尚未得到充分探索，未来研究需深入探究。
• 本研究指出，亟需标准化参考架构，并加强工业合作，包括专利分析，以弥合研究与实践之间的鸿沟。