系统架构设计师教程 第11章 11.1 信息物理系统技术概述 笔记

11.1 信息物理系统技术概述 ★★★☆☆

11.1.1 信息物理系统的概念

1.信息物理系统的来源

信息物理系统 (Cyber-Physical Systems,CPS) 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。

2 .CPS 的本质和定义

通过一些技术，构件物理与信息空间的映射、交互的系统，实现资源的配置、优化。

CPS 的定义：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。

CPS 的本质是构建一套信息空间与物理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。

11.1.2 CPS 的实现

1 .CPS 的体系架构

包括：单元级、系统级、 SoS 级

1)单元级

CPS最小单元，本质是通过软件对物理实体及环境进行感知、分析，控制物体实体，形成物理世界与信息世界交互。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、自决策功能的 CPS最小单元

1. 系统级

系统级CPS基于多个单元级CPS的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。系统级CPS还包含互联互通、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(单元级 CPS) 的识别，配置，更新和删 除等功能；

协同控制是指对多个单元级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)SoS 级

多个系统级 CPS 的有机组合构成 SoS 级 CPS。

SoS 级 CPS 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 基础上形成了资产性能管理和运营优化服务。

2 .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、 CAXMES\ERP\PLM\CRMSCM等，是CPS的基础技术。

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)。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。

1)感知和自动控制

(1)智能感知技术。

主要使用的智能感知技术是传感器技术

(2)虚实融合控制技术。

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。包括嵌入控制、虚体控制、集控控制和目 标控制四个层次。其中嵌入控制主要针对物理实体进行控制、虚体控制是指在信息空间进行的 控制计算，主要针对信息虚体进行控制、集控控制是指在信息空间内，主要通过CPS 总线的方 式进行信息虚体的集成和控制、目标控制是指在实际生产的测量结果或追溯信息收集到产品数 据过程中，通过即时比对判断来生产是否达成目标。

2)工业软件

工业软件是指专用于工业领域，为提高工业企业研发、制造、生产、服务与管理水平以及 工业产品使用价值的软件。

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。

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和专业化智能服务。

11.1.3 信息物理系统的建设和应用

1 .CPS 应用场景概览

智能设计、智能生产、 智能服务、智能应用

1)智能设计

在虚拟空间中 进行仿真，并实现迭代和改进。

(1)产品及工艺设计。

(1)产品及工艺设计。

2)智能生产

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，达到资源和制造协同，实现“制造”到“智造”的升级。

(1)设备管理应用场景。

(2)生产管理应用场景。

(3)柔性制造应用场景。

3)智能服务

(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

(1)无人装备。

(2)产业链互动。

(3)价值链共赢。

建设路径分为如下阶段：CPS体系设计、单元级CPS建设、系统级CPS建设和SoS级CPS建设阶段。