CPS相关技术总结（智能感知技术、SDN、边缘计算、大数据分析....）
《信息物理系统白皮书（2017）》认为 CPS 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”(工业云和智能服务平台)”。下面对它们各自包含的关键技术进行汇总论述。
一、感知和自动控制
感知和自动控制是 CPS 实现的硬件支撑。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。
1，智能感知技术
（1）CPS 系统主要使用的智能感知技术是传感器技术。
（2）传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
（3）RFID 是最常用的一种传感器，即射频识别传感器。主要包括感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。
2，虚实融合控制技术
（1）CPS 虚实融合控制是多层“感知-分析-决策-执行”循环，建立在状态感知的基础上，感知往往是实时进行的，向更高层次同步或即时反馈。如下图所示，包括嵌入控制、虚体控制、集控控制和目标控制四个层次。
（2）首先通过嵌入式软件，从传感器、仪器、仪表或在线测量设备采集被控对象和环境的参数信息而实现“感知”，通过数据处理而“分析”被控对象和环境的状况， 通过控制目标、控制规则或模型计算而“决策”，向执行器发出控制指令而“执行”。不停地进行“感知-分析-决策-执行”的循环，直至达成控制目标。
二、工业软件
工业软件固化了 CPS 计算和数据流程的规则，是 CPS 的核心。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
1，嵌入式软件技术
（1）嵌入式软件技术主要通过把软件嵌入在工业装备或工业产品之中，这些软件可细分为操作系统、嵌入式数据库和开发工具、应用软件等。
（2）他们被植入硬件产品或生产设备的嵌入式系统之中，达到自动化、智能化的控制、监测、管理各种设备和系统运行的目的，应用于生产设备，体现采集、控制、通信、显示等功能。
（3）嵌入式软件技术是实现 CPS 功能的载体，其紧密结合在 CPS 的控制、通 信、计算、感知等各个环节
2，MBD 技术
（1）MBD（Model Based Definition）技术采用一个集成的全三维数字化产 品描述方法来完整地表达产品的结构信息、几何形状信息、三维尺寸标注和制造工艺信息等，将三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据， 改变了传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。
（2）通过 MBD 技术，支撑了 CPS 系统的产品数据在制造各环节的流动。
3，CAX/MES/ERP 软件技术
（1）CAX 是 CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI 等各项技术之综合叫法。 CAX 实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来复合和协调地进行工作，从产品研发、产品设计、产品生产、流通等各个环节对产品全生命周期进行管理，实现生产和管理过程的智能化、网络化管理和控制。
（2）ERP 是以市场和客户需求为导向，以实行企业内外资源优化配置，消除生产经营过程中一切无效的劳动和资源，实现信息流、物流、资金流、 价值流和业务流的有机集成和提高客户满意度为目标，以计划与控制为主线，以网络和信息技术为平台，集客户、市场、销售、采购、计划、生产、财务、质量、服务、信息集成和业务流程重组等功能为一体，面向供应链管理的现代企业管理思想和方法。
三、工业网络
工业网络是互联互通和数据传输的网络载体。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。
1，现场总线技术
（1）现场总线技术是计算机，网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
（2）现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。总线在运动控制中的应用使得工业自动化控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展，为自控设备与系统开拓了更为广阔的领域。
（3）现场总线的控制系统主要有如下特点，全数字化通信、 开放型的互联网络、互可操作性与互用性、现场设备的智能化、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。
2，工业以太网技术
（1）当前广泛使用的工业以太网技术有十余种，如 EtherCAT、Ethernet Powerlink 等。
（2）这些工业以太网技术，基本上都是各家厂商基于 IEEE 802.3（Ethernet）百兆网的基础上，增加实时特性获得的。工业以太网，提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
（3）当前 IEEE 802 正在对实 时以太网 TSN 进行标准化，以满足工业环境中时间敏感的需求。
3，无线技术
（1）无线技术，由于其节省线路布放与维护成本，组网简单（常支持自组织组网，而且不需要考虑线长、节点数等制约），已应用于工业生产的一些场景，如基于 IEEE 802.15.4 的 WirelessHART 与 ISA100.11a 技术，当前已 有一些在资产管理、过程测量与控制、HMI 等方面的应用，尤其是在某些环境不适宜有线布放，如高温、腐蚀环境下，无线几乎是唯一选择。
（2）WiFi 和 Zigbee 也是工厂内非生产环境中会使用的无线局域网技术，前者侧重于高速率、后者侧重于低功耗。
（3）移动宽带技术 LTE、eLTE，低功率广域无线技术 NB-IoT、LTE-M、LoRa 等也在工业企业中有相应的应用。
4，SDN
（1）软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术 OpenFlow 通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
（2）基于软件定义网络（SDN）的敏捷网络，实现了管理平面与业务平面的分离，可以实现网络资源可编排能力。
（3）基于业务系统（如制造执行系统 MES）的需求，在 SDN 控制器的配置下，各网络设备进行网络资源调度和业务分发，实现快速的网络重组，支撑柔性制造和生产自组织。
四、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技术、雾计算技术、大数据分析技术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和专业化智能服务
1. 边缘计算
（1）边缘计算指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化 在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。
（2）对于 SoS 级 CPS，其每一个 CPS 组成均具有计算和通信功能，通过每一个 CPS 的边缘计算，数据在边缘侧就能解决，更适合实时的数据分析和智能化处理。
（3）边缘计算聚焦实时、短周期数据的分析，具有安全、快捷、 易于管理等优势，能更好地支撑 CPS 单元的实时智能化处理与执行，满足网络的实时需求，从而使计算资源更加有效地得到利用。
（4）此外，边缘计算虽靠近执行单元，但同时也是是云端所需高价值数据的采集单元，可以更好地支撑云端的智能服务。
2，雾计算
（1）雾计算（Fog Computing），是云计算（Cloud Computing）的延伸概念，由思科（Cisco）提出的。这个因“云”而“雾”的命名源自“雾是更贴近地面的云”这一名句。在该模式中数据、（数据）处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不是几乎全部保存在云中。
（2）雾计算是新一代的分布式计算，在 CPS 中应用分布式的雾计算， 通过智能路由器等设备和技术手段，在不同设备之间组成数据传输带，可 以有效减少网络流量，数据中心的计算负荷也相应减轻。
（3）雾计算可以作为 产品 CPS 或系统 CPS 之间的计算处理，以应对网络产生的大量数据——运 用处理程序对这些数据进行预处理，以提升其使用价值。
（4）雾计算不仅可以解决联网设备自动化的问题，更关键的是，它对数据传输量的要求更小。
3，大数据分析
（1）大数据分析是指对规模巨大的数据进行分析。大数据分析技术将给全球工业带来深刻的变革，创新企业的研发、生产、运营、营销和管理方式，给企业带来了更快的速度、更高的效率和更深远的洞察力。
（2）工业大数据的典型应用包括产品创新、产品故障诊断与预测、工业企业供应链优化和产品精准营销等诸多方面。工业云和智能服务 平台所支持的 CPS 技术，可以通过大数据分析来实现上述创新。
