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《信息物理系统白皮书(2017)》核心内容总结

一、起源

    (1)随着计算技术、通信技术和智能控制技术的迅速发展,信息物理系统(Cyber-Physical SystemsCPS)一经提出便引起学术界及产业界的广 泛重视并保持快速发展。CPS 与人类社会生产生活息息相关,具有广泛的应用前景,各国政府及组织纷纷开展 CPS 相关领域探索。尤其在制造业领域,发展 CPS 已经成为美国、德国等发达国家实施“再工业化”战略、抢占制造业新一轮科技革命和产业变革制高点的重要举措。

    (2)目前 CPS 发展和应用仍然面临诸多挑战:
  • 一是认识不统一。现阶段不同国家或组织对 CPS 的理解各不相同,对 CPS 典型特征的认识还不一致。
  • 二是技术体系亟待完善和提升。CPS 发展的完备技术体系亟需梳理,发展 CPS 的部分核心关键技术亟待解决。
  • 三是典型应用亟需总结。目前 CPS 在航空航天、船舶、汽车、石化等部分典型制造行业已有一些探索应用,亟需归纳总结典型应用场景特征,建立能体现 CPS 典型特征的典型应用参考案例,可以为更深更广的应用推广提供参考依据。
(3)为进一步贯彻落实《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》的要求,推动我国 CPS 发展,支撑制造业与互联网融合,在工信部信息化和软件服务业司的指导下,信息物理系统发展论坛将近期关于 CPS 的主要研究成果进行整编归纳,同时汇集了学术界、产业界专家学者对 CPS 发展的真知灼见,编写了这本白皮书。

二、基本概念

1,什么是 CPS?

    信息物理系统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。

2,CPS 的本质

    信息物理系统本质就是构建一套赛博(Cyber)空间与物理(Physical)空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系,解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题,提高资源配置效率,实现资源优化。
  • 状态感知:通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态
  • 实时分析:通过工业软件实现数据、信息、知识的转化
  • 科学决策:通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享
  • 精准执行:通过控制器、执行 器等机械硬件实现对决策的反馈响应,这一切都依赖于一个实时、可靠、安全的网络。

三、CPS 的体系架构

CPS 划分为单元级、系统级、SoS 级(System of Systems,系统之系统级)三个层次。
  • 单元级 CPS 可以通 过组合与集成(如 CPS 总线)构成更高层次的 CPS,即系统级 CPS;
  • 系统级 CPS 可以通过工业云、工业大数据等平台构成 SoS 级的 CPS,实现企业级层面的数字化运营。

1,单元级

(1)单元级是具有不可分割性的信息物理系统最小单元。
(2)单元级可以是一个部件或一个产品,通过“一硬”(如具备传感、控制功能的机械臂和传动轴承等)和“一软”(如嵌入式软件)就可构成“感知-分析-决策-执行”的数 据闭环,具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能。
(3)单元级典型如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。

2,系统级

(1)系统级是“一硬一软一网”的有机组合。
(2)信息物理系统的多个最小单元(单元级)通过工业网络(如工业现场总线、工业以太网等,简称“一网”),实现更大范围、更宽领域的数据自动流动,就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂,实现了多个单元级 CPS 的互联、互通和互 操作,进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。

3,系统之系统级(即 SoS 级)

(1)SoS 级是多个系统级 CPS 的有机组合,涵盖了 “一硬一软一网一平台”四大要素。
(2)SoS CPS 通过大数据平台, 实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作,促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动,在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。基于大数据平台,通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资源、建设开发社区,加快各类工业 APP 和平台软件的快速发展,形成一个赢者通吃的多边市场,构建一个新的产业生态。
(3)CPS 智能服务平台能够将多个系统级 CPS 工作状态统一监测,实时分析,集中管控。利用数据融合、分布式计算、 大数据分析技术对多个系统级 CPS 的生产计划、运行状态、寿命估计统一监管,实现企业级远程监测诊、供应链协同、预防性维护。实现更大范围内的资源优化配置,避免资源浪费。

四、CPS 的功能需求

1,单元级

为了与外界进行交互,单元级 CPS 应具有通信功能。

2,系统级

    在单元级 CPS 功能的基础上,系统级 CPS 还主要包含:互联互通、即插即用、边缘网关、数据互操作、协同控制、监视与诊断等功能。
  • 互连互通、边缘网关和数据互操作:主要实现单元级 CPS 的异构集成
  • 即插即用:主要在系统级 CPS 实现组件管理,包括组件(单元级 CPS)的识别,配置,更新和删除等功能;
  • 协同控制:指对多个单元级 CPS 的联动和协同控制等;
  • 监视与诊断:主要是对单元级 CPS 的状态实时监控和诊断其是否具备应有的能力。

3,系统之系统级(即 SoS 级)

    SoS CPS 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了资产性能管理和运营优化服务。

五、CPS 的技术需求

1,单元级

单元级 CPS 技术需求主要包括:
  • 一是状态感知能力;
  • 二是对物理实体的控制执行能力;
  • 三是对数据的计算处理能力;
  • 四是对外交互和通信能力。

2,系统级

系统级 CPS 技术需求主要包括:
  • 一是 CPS之间 的互联互通能力;
  • 二是系统内各组成 CPS 的管理和检测能力;
  • 三是系统内各组成 CPS 的协同控制能力。

3,SoS 级

SoS CPS 技术需求主要包括:
  • 一是数据存储和分布式处理能力;
  • 二是对外可提供数据和智能服务能力。

六、CPS 的技术体系

CPS 技术体系主要分为 CPS 总体技术、CPS 支撑技术、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、试验验证技术等,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(软件定义网络)、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、 智能装备、MBD、数字孪生技术、现场总线、工业以太网、CAX\MES\ERP\PLM\CRM\SCM 等,是 CPS 的基础技术。

七、CPS 的核心技术要素

    对 CPS 技术体系中各种技术归纳总结,本白皮书认为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”(工业软件)、“一网”(工业网络)、“一平台”(工业云和智能服平台)
下面只是对相关技术的简单介绍,更加详细说明可以阅读我的另一篇文章:

1,感知和自动控制

(1)感知和自动控制是 CPS 实现的硬件支撑
(2)CPS 使用到的感知和自动控制技术主要包括:智能感知技术和虚实融合控制技术。

2,工业软件

(1)工业软件固化了 CPS 计算和数据流程的规则,是 CPS 的核心。
(2)CPS 应用的工业软件技术主要包括:嵌入式软件技术 、MBD 技术、CAX/MES/ERP 软件技术

3,工业网络

(1)工业网络是互联互通和数据传输的网络载体。
(2)CPS 网络的接入技术主要有:现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN

4,工业云和智能服平台

(1)工业云和智能服务平台是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。
(2)工业云和智能服务平台采用的主要技术有:边缘计算技术、雾计算技术、大数据分析技术
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