信息物理系统技术-学习笔记

一.信息物理系统的概念

信息物理系统（cyber-physical system，CPS）这一术语，最早由美国国家航空航天局于1992年提出。信息物理系统是控制系统，嵌入式系统的扩展与延伸，其涉及的相关底层理论技术源于对嵌入式技术的应用与提升。然而，随着信息化和工业化的 深度融合发展，传统嵌入式系统中解决物理系统相关问题所采用的单点解决方案已不适应新一代生产装备信息化和网络化的需求，急需对计算，通信，感知，控制等技术进行更为深度的融合，因此，在云计算，新型传感，通信，智能控制等 新一代信息技术的迅速发展与推动下，信息物理系统顺势出现。

二.CPS的 本质和定义

cps是多领域，跨科学不同技术 融合发展的结果。cps已经引起国内外的广泛关注。通过对现有各国科研机构及学者的观点进行系统全面研究综合得出cps的定义：即：CPS通过集成先进的感知，计算，通信，控制等信息技术和 自动控制技术，构建了物理空间与 信息空间中人，机，物，环境，信息等要素相互映射，适时交互 ，高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应，快速迭代，动态优化。

三.CPS的实现

3.1CPS的体系架构

单元级

单元级CPS是具有不可分割的CPS最小单元，其本质是通过软件对物理 是他及环境进行状态和感知，计算分析，并最终控制到物理实体，构建最基本的数据 自动流动的闭环，形成物理世界和信息世界的融合交互。同时，为了与外界进行交互，单元级CPS应具有通信功能，单元级CPS是具备可感知，可计算，可交互，可延展，可交互，自决策功能的CPS最小单元，一个智能部件，一个工业机器人或一个智能机床都可能是一个cps最小单元。

系统级 

在实际运行中，任何活动 都是多个人，机，物共同参与完成的。如在工业制造中，实际生成过程中的冲压可能是有传送带进行传送，工业机器人进行调整，然后由冲压机床进行冲压 ，这是多个智能产品共同活动的结果，这些智能产品组合在一起就形成了一个系统。

SOS级 

多个系统级CPS的有机组合构成sos级CPS。如多个工序 形成一个车间级的CPS或者形成整个工厂的CPS。SoS级主要实现数据的汇聚，从而对内进行资产的优化和 对外形成运营优化服务。其主要 功能包括数据 存储，数据融合，分布式计算，大数据分析，数据服务，并在数据服务的 基础上形成资产性能管理和运营优化服务。

3.2 CPS的技术体系

CPS技术体系主要分为CPS总体技术。CPS支持技术，CPS核心技术。CPS总体技术主要包括系统架构，异构系统集成，安全技术，实验验证技术等 ，是CPS的顶层设计技术。CPS支撑技术主要包括智能感知，嵌入式软件，数据库，人机交互，中间件，SDN，物联网，大数据等，是基于CPS应用的支撑；CPS核心技术主要包括虚实融合控制，智能设备。MBD，数字孪生技术，现场总线，工业以太网等，是CPS的基础技术。

上述技术体系可以分为四大核心技术要素即一硬（感知和自动控制），一软（工业云和智能服务平台）。一网（工业网络），一平台（工业云和智能服务平台）。其中感知和自动控制是CPS实现的硬件支撑；工业软件固化了CPS计算和数据流程的规则，是CPS的核心；工业网络是互联互通和数据传输的网络载体；工业云和智能服务CPS数据汇聚和支撑上层解决方案的基础，对外提供资源管控和能力服务。
1 感知和自动控制

智能感知技术 虚实融合控制技术

2工业软件

工业软件是指专用于工业领域，为提高企业研发，制造，生产，服务与管理水平及工业产品使用价值的软件。工业软件通过应用集成能够使机械化电气化自动化的生产系统具备数字化，网络化，智能化等特征，从而为工业领域提供一个面向产品生命周期的网格化，协同化，开放式的产品设计制造和服务环境。
3 工业网络

CPS中的工业网络技术是基于分布式的全新范式，由于各种智能设备的引入，设备可以相互连接从而形成一个网络服务。每一个层面，都拥有更多的嵌入式智能和响应控制的预测分析；每一个层
面，都可以使用虚拟化控制和工程功能的云计算技术。与传统工业控制系统严格的基于分层的结构不同，高层次的CPS是由低层次CPS互联集成，灵活组合而成。
4 工业云和智能服务平台

工业云和智能服务平台通过边缘计算，雾计算，大数据分析等技术进行数据的加工处理，形成对外提供数据服务的能力，并在数据服务基础上提供个性化智能服务。

信息物理系统的建设和应用
1 CPS应用场景概览 本文选择从智能设计，智能生产，智能服务，智能应用，这四个方面，结合CPS的关键特征和关键技术实现对CPS的禁用场景进行阐述和说明。
四. CPS典型应用场景
1智能设计 产品及工艺设计 生产线、工厂设计
2 智能生产 生产制造是制造企业运营过程中非常重要的活动，CPS可以打破生产过程的信息孤岛现象，实现设备的互联互通，实现生产过程监控，合理管理和调度各种生产资源，优化生产计划，
制造协同，实现制造到智造的升级 1 管理应用场景

2 生产管理应用场景

3 柔性制造应用场景
3 智能服务 通过CPS按照需要形成本地与远程云服务相互协作，个体与群体，群体与系统的相互协同一体化工业云服务体系，能够更好地服务于生产，解决装备运行日益复杂的困扰，实现智能 装备的协同优化，支持企业用户经济性，安全性和高效性目标落地。

(1)健康管理;(2)智能维护 ;(3) 远程征兆性诊断; (4) 协同优化; (5)共享服务
4 智能应用

工业产品不同于大众消费品，可以将企业用户作为生产工具纳入再生产体系当中，创造服务，获取利润。它将设计者，生产者和使用者的单调角色转变为新价值的参与者，并通过新型价值链的创建反馈到产业链的转型，从根本上调动各个参与者的积极性，实现制造业转型。

(1)无人装备 (2) 产业链互动 (3) 价值链共赢