2023新型物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）是將計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境等綜合為一體的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算機、通信、控制技術(shù)的有機融合，實現(xiàn)工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。信息物理系統(tǒng)在設(shè)計時將計算、通信與物理系統(tǒng)進行一體化設(shè)計，使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同，具有廣泛的應(yīng)用前景。本章將重點介紹信息物理系統(tǒng)的概念、特征、設(shè)計、實現(xiàn)和在行業(yè)中的應(yīng)用等。信息物理系統(tǒng)概述信息物理系統(tǒng)的概念[1]據(jù)自動流轉(zhuǎn)的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)系統(tǒng)，可以解決生產(chǎn)制一個實時、可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)。人們把這一閉環(huán)系統(tǒng)概括為“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺）。物理系統(tǒng)中實現(xiàn)實時分析、科學決策的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的起點。自動控制是在數(shù)據(jù)采制系統(tǒng)等，是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的終點。工業(yè)軟件基本上分為嵌入式軟件和非嵌入式軟件兩個類型。嵌入式軟件是嵌入在控制器、通信、傳感器中的控制、通信、采集等的軟件；非嵌入式軟件是安裝在通用計算機或工業(yè)控制計算機中，實現(xiàn)設(shè)計、編程、工藝、監(jiān)控、管理等功能的軟件。應(yīng)用在軍工電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域的嵌入式軟件，對可靠性、安全性、實時性等性能指標要求特別高，必須經(jīng)過嚴格檢查和測評。簡而言之，工業(yè)軟件定義了信息物理系統(tǒng)，其實質(zhì)是要打造“狀態(tài)感知—實時分析—科學決策—精準執(zhí)行”的數(shù)據(jù)閉環(huán)，構(gòu)筑數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)的規(guī)則體系，從而應(yīng)對制造系統(tǒng)的不確定性，實現(xiàn)制造資源的高效配置。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是安裝在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成等技術(shù)連接工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和工業(yè)產(chǎn)品各要素的信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工廠內(nèi)各類裝備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要用于支撐工業(yè)數(shù)據(jù)的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執(zhí)行，是實現(xiàn)從單個機器、產(chǎn)線、車間到工廠的工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)工具，是支撐數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的通道。工業(yè)云的核心技術(shù)是云計算技術(shù)，其系統(tǒng)集成了云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計制造等技術(shù)，面向工業(yè)企業(yè)用戶提供產(chǎn)品創(chuàng)新的服務(wù)平臺。在平臺上，用戶基于本身的產(chǎn)品進行拓展延伸，可以實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)流程數(shù)字化，做到縱向、橫向的融合。工業(yè)云和智能服務(wù)平臺是跨系統(tǒng)、跨平臺、跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)分析中心和數(shù)據(jù)交互中心，其基于工業(yè)云服務(wù)平臺推動專業(yè)軟件庫、應(yīng)用模型庫、產(chǎn)品知識庫、測試評估庫、案例專家?guī)斓然A(chǔ)數(shù)據(jù)和工具的開發(fā)集成與開放共享，實現(xiàn)生產(chǎn)全要素、全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期管理的資源配置優(yōu)化，從而提升生產(chǎn)效率，創(chuàng)新模式業(yè)態(tài)，構(gòu)建全新產(chǎn)業(yè)生態(tài)。這將重構(gòu)生產(chǎn)體系中信息流、產(chǎn)品流、資金流的運行模式，重建新的產(chǎn)業(yè)價值鏈和競爭格局。信息物理系統(tǒng)的特征信息物理系統(tǒng)作為支撐兩化深度融合的一套綜合技術(shù)體系，構(gòu)建了一個能夠聯(lián)通物理空間與信息空間，驅(qū)動數(shù)據(jù)在其中自動流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對資源優(yōu)化配置的智能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)，其在有機運行過程中，通過數(shù)據(jù)的自動流轉(zhuǎn)對物理空間中的物理實體逐漸“賦能”，實現(xiàn)對特定目標的資源優(yōu)化，同時，其表現(xiàn)出八大典型特征：海量運算、感知、數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構(gòu)集成、系統(tǒng)自治，并在不同的層次上呈現(xiàn)出不同的特征。海量運算海量運算是信息物理系統(tǒng)接入設(shè)備的基本特征，因此接入設(shè)備通常具有強大的計算能力。從計算性能的角度出發(fā)，一些高端的信息物理系統(tǒng)應(yīng)用要求較高的計算能力，物聯(lián)網(wǎng)中的終端設(shè)備不具備控制和自治能力，通信大都發(fā)生在終端設(shè)備與服務(wù)器之間，終端設(shè)備之間無法進行協(xié)同，因此物聯(lián)網(wǎng)可以看作信息物理系統(tǒng)的一種簡約應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)中，采用短距離通信技術(shù)（如藍牙）或遠距離通信技術(shù)（如NB-IoT）實現(xiàn)終端設(shè)備和平臺之間的通信。感知感知在信息物理系統(tǒng)中十分重要。自然界中物理量的變化基本上是連續(xù)的，是模擬量，而信息空間數(shù)據(jù)則具有離散性的特征。從物理空間到信息空間的信息流轉(zhuǎn)，首先必須通過傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，成為信息空間所能識別的數(shù)據(jù)格式?；诖?，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可作為信息物理系統(tǒng)的組成部分。數(shù)據(jù)驅(qū)動息物理系統(tǒng)通過構(gòu)建“狀態(tài)感知—實時分析—科學決策—精準執(zhí)行”的數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)閉環(huán)賦行的輸出都是數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)是信息物理系統(tǒng)的核心所在，數(shù)據(jù)在自動生成、自動流環(huán)境的資源優(yōu)化配置[1]。軟件定義軟件正和芯片、傳感與控制設(shè)備等一起對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、存儲、設(shè)備等進行定義，并正在從IT領(lǐng)域向工業(yè)領(lǐng)域延伸。工業(yè)軟件對各類工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)律進行代碼化，支撐了絕大多數(shù)的生產(chǎn)制造過程。作為面向制造業(yè)的信息物理系統(tǒng)，軟件就成了實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)功能的核心載體之一。從生產(chǎn)流程的角度看，信息物理系統(tǒng)會全面應(yīng)用到研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、管理服務(wù)等方方面面，通過對人、機、物、法、環(huán)全面的感知和控制，實現(xiàn)各類資源的優(yōu)化配置。這一過程需要依靠對工業(yè)技術(shù)模塊化、代碼化、數(shù)字化并不斷軟件化來被廣泛利用。從產(chǎn)品裝備的角度看，一些產(chǎn)品和裝備本身就是信息物理系統(tǒng)。軟件不但可以控制產(chǎn)品和裝備運行，而且可以把產(chǎn)品和裝備運行的狀態(tài)實時展現(xiàn)出來，通過分析、優(yōu)化，作用到產(chǎn)品、裝備的運行，甚至是設(shè)計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)迭代優(yōu)化。泛在連接網(wǎng)絡(luò)通信是信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障，能夠?qū)崿F(xiàn)信息物理系統(tǒng)內(nèi)部單元之間及與其他信息物理系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)場景時，信息物理系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)連接的時延、可靠性等網(wǎng)絡(luò)性能和組網(wǎng)靈活性、功耗都有特殊要求，還必須解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)支撐的高效性和智能性等挑戰(zhàn)。隨著無線寬帶、射頻識別、信息傳感及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等信息通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信將會更加全面深入地融合信息空間與物理空間，表現(xiàn)出明顯的泛在連接特征，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢通信。構(gòu)成信息物理系統(tǒng)的各器件、模塊、單元、企業(yè)等實體都要具備泛在連接能力，并實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)、跨行業(yè)、異構(gòu)多技術(shù)的融合與協(xié)同，從而保障數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)的自由流動。泛在連接通過對物理世界狀態(tài)的實時采集、傳輸，以及信息世界控制指令的實時反饋下達，提供無處不在的優(yōu)化決策和智能服務(wù)。虛實映射信息物理系統(tǒng)構(gòu)筑信息空間與物理空間數(shù)據(jù)交互的閉環(huán)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)信息虛體與物理實體之間的交互聯(lián)動。其以物理實體建模產(chǎn)生的靜態(tài)模型為基礎(chǔ)，通過實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成和監(jiān)控，動態(tài)跟蹤物理實體的工作狀態(tài)和工作進展（如采集測量結(jié)果、追溯信息等），將物理空間中的物理實體在信息空間進行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執(zhí)行能力的數(shù)字孿生（也稱為數(shù)字化映射、數(shù)字鏡像、數(shù)字雙胞胎）；同作用提升資源優(yōu)化配置效率。異構(gòu)集成軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)云等一系列技術(shù)的有機組合構(gòu)建了一個信息空間與物理空間之間數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)“賦能”體系。尤其在高層次的信息物理系統(tǒng)，如SoS級信息物理系統(tǒng)中，往往存在大量不同類型的硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)。信息物理系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些異構(gòu)硬件（如CISCCPU、RISCCPU、FPGA等）、異構(gòu)軟件（如PLM、MES、PDM、SCM等）、異構(gòu)數(shù)據(jù)（如模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量、音頻、視頻、特定格式文件等）及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（如現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等）集成起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在信息空間與物理空間不同環(huán)節(jié)的自動流動，實現(xiàn)信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，因此，信息物理系統(tǒng)必定是一個對多方異構(gòu)環(huán)節(jié)集成的綜合體。異構(gòu)集成能夠為各環(huán)節(jié)的深度融合打通交互的通道，為實現(xiàn)融合提供重要保障。系統(tǒng)自治部變化做出有效響應(yīng)。同時在更高層級的信息物理系統(tǒng)中（系統(tǒng)級、SoS級），多個信息物理系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)平臺互聯(lián)（如CPS總線、智能服務(wù)平臺）實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)之間的自組織。多個單元級信息物理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，編組協(xié)作，在生產(chǎn)與設(shè)備運行、原材料配在自優(yōu)化、自配置的過程中，大量現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)及控制參數(shù)被固化在系統(tǒng)中，形成知識能力。常見的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，在某些情況下，還可以包括機械裝置。傳統(tǒng)的物理設(shè)備通過嵌入式系統(tǒng)來擴展或增加新的功能，其形成的基本上是封閉的系統(tǒng)。在一些工控網(wǎng)絡(luò)中，有可能采用工業(yè)控制總線進行通信，但這樣的通信功能較弱，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部難以通過開放總線或互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)中，用戶端延伸和擴展到了每個終端設(shè)備之間，進行信息交換和通信。傳感網(wǎng)傳感網(wǎng)節(jié)點是傳感器，其通過自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，感知溫度、濕度。噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的速度和方向等物理屬性，實現(xiàn)特定區(qū)域的監(jiān)測。信息物理系統(tǒng)通信、控制技術(shù)融合、自主適應(yīng)物理環(huán)境的變化。其中，網(wǎng)絡(luò)的功能主要是為了實現(xiàn)控制，與一般意義上的網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別。物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)所擅長的是基于無線的連接，主要實現(xiàn)的是感知，這對于信息物理系統(tǒng)來說太過簡單；信息物理系統(tǒng)需要實現(xiàn)的是感控，也就是說，信息物理系統(tǒng)不僅實現(xiàn)感知功能，還需要實現(xiàn)控制，其對設(shè)備的計算能力要求遠遠超過了物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)。信息物理系統(tǒng)的發(fā)展信息物理系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，尤其是前兩者的發(fā)展直接導致了信息物理系統(tǒng)概念的提出。2006年2月，美國發(fā)布的《美國競爭力計劃》將信息物理系統(tǒng)列為重要的研究項目。2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術(shù)顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中信息物理系統(tǒng)位列首位，其余分別是軟件、數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)、高端計算、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、人機界面、NIT與社會科學。2007年，歐盟啟動了ARTEMIS和EPoSS項目，在信息物理系統(tǒng)研究領(lǐng)域投入超過70億美元；2015年，歐盟又發(fā)布《CyPhERSCPS歐洲路線圖和戰(zhàn)略》，期望在信息物理系統(tǒng)研究方面取得國際領(lǐng)先地位。信息物理系統(tǒng)的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治五大功能。從本質(zhì)上說，信息物理系統(tǒng)是一個具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，但它又不同于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。人們對控制并不陌生。從20世紀40年代麻省理工學院發(fā)明數(shù)控技術(shù)至今，基于嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟。在人們?nèi)粘＞蛹疑钪?，各種家電都具有控制功能。通信放在與計算和控制的同等地位上，這是因為在信息物理系統(tǒng)強調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中，物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模遠遠超過現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。在資助信息物理系統(tǒng)研究方面扮演著重要角色的美國國家科學基金會（NSF）認為，信息物理系統(tǒng)將讓整個世界互聯(lián)起來。信息物理系統(tǒng)在繼承物聯(lián)網(wǎng)無處不在通信模式的基礎(chǔ)上，更強調(diào)物體之間的感知互動，強調(diào)物理世界與信息系統(tǒng)之間的循環(huán)反饋，它將地理分布的異構(gòu)嵌入式設(shè)備通過高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)信息交換、資源共享和協(xié)同控制，具有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益，是未來網(wǎng)絡(luò)演進的必然趨勢。信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的體系架構(gòu)基于對信息物理系統(tǒng)的認識及其主要特征，下面給出一個信息物理系統(tǒng)的最小單元體系架構(gòu)，即單元級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)，然后逐級擴展，依次給出系統(tǒng)級和SoS級兩個層級的體系架構(gòu)。單元級體系架構(gòu)單元級信息物理系統(tǒng)是具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元，其本質(zhì)是通過軟件對物理實體及環(huán)境進行狀態(tài)感知、計算分析，并最終控制物理實體，構(gòu)建最基本的數(shù)據(jù)自動流動閉環(huán)，形成物理世界和信息世界的融合交互。同時，為了與外界進行交互，單元級信息物理系統(tǒng)應(yīng)具有通信功能。單元級信息物理系統(tǒng)是具備可感知、可計算、可交互、可延展、自決策功能的信息物理系統(tǒng)的最小單元，一個智能部件、一個工業(yè)機器人或一個智能機床都可能是信息物理系統(tǒng)的一個最小單元，其體系架構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 單元級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)物理裝置物理裝置主要包括人、機、物等物理實體和傳感器、執(zhí)行器、與外界進行交互的裝置等，是物理過程的實際操作部分。物理裝置通過傳感器能夠監(jiān)測、感知外界的信號、物理條件（如光、熱）或化學組成（如煙霧）施加控制作用。信息接口信息接口主要包括感知、計算、控制和通信等功能，是物理世界中的物理裝置與信息世界交互的接口。物理裝置通過信息接口實現(xiàn)物理實體的“數(shù)字化”，信息世界可以通過信息接口對物理實體“以虛控實”。信息接口是物理裝置對外進行信息交互的橋梁，通過信息接口可使物理裝置與信息世界聯(lián)系在一起，從而使物理空間和信息空間走向融合。系統(tǒng)級體系架構(gòu)在實際運行中，任何活動都是多個人、機、物共同參與完成的。例如，在制造業(yè)實際生產(chǎn)過程中，沖壓可能由傳送帶進行傳送，工業(yè)機器人進行調(diào)整，然后由沖壓機床進行沖壓，它是多個智能產(chǎn)品共同協(xié)作的結(jié)果，這些智能產(chǎn)品一起形成了一個系統(tǒng)。通過信息物理系統(tǒng)總線形成的系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5-2所示。圖5-2 系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)多個最小單元（單元級）通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等）實現(xiàn)更大范包含互聯(lián)互通、即插即用、邊緣網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)互操作、協(xié)同控制、監(jiān)視與診斷等功能。其用主要在系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)組件管理，包括組件（單元級信息物理系統(tǒng)）監(jiān)視與診斷主要對單元級信息物理系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控和診斷。SoS級體系架構(gòu)多個系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)的有機組合構(gòu)成SoS級信息物理系統(tǒng)。例如，多個工序（系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)）形成一個車間級信息物理系統(tǒng)，或者形成整個工廠的信息物理系統(tǒng)。通過單元級信息物理系統(tǒng)和系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)混合形成的SoS級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5-3所示。圖5-3 SoS級信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)SoS級信息物理系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚，從而對內(nèi)進行資產(chǎn)的優(yōu)化，對外形成運營優(yōu)化服務(wù)。其主要功能包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)融合、分布式計算、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)服務(wù)，并在數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)上形成資產(chǎn)性能管理和運營優(yōu)化管理。SoS級信息物理系統(tǒng)可以通過大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨平臺的互聯(lián)、互通和互操作，促成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、交換和共享的閉環(huán)自動流動，在全局范圍內(nèi)實現(xiàn)信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執(zhí)行。這些數(shù)據(jù)部分存儲在信息物理系統(tǒng)智能服務(wù)平臺，部分分散在各組成的組件內(nèi)。對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和融合，并對這些數(shù)據(jù)進行分布式計算和大數(shù)據(jù)分析，這是這些數(shù)據(jù)能夠提供數(shù)據(jù)服務(wù)并有效支撐高級應(yīng)用的基礎(chǔ)。資產(chǎn)性能管理主要包括企業(yè)資產(chǎn)優(yōu)化、預(yù)防性維護、環(huán)境安全和遠程監(jiān)控診斷等方面。運營優(yōu)化管理主要包括個性化定制、供應(yīng)鏈協(xié)同、數(shù)字制造管理和遠程運維管理。通過信息物理系統(tǒng)智能服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)，能夠?qū)π畔⑽锢硐到y(tǒng)內(nèi)的每個組成部分進行操控，對各組成部分狀態(tài)數(shù)據(jù)進行獲取，對多個組成部分協(xié)同進行優(yōu)化，達到資產(chǎn)和資源的優(yōu)化配置與運行。信息物理系統(tǒng)的技術(shù)需求由于復(fù)雜性和跨學科的特點，信息物理系統(tǒng)的技術(shù)需求極其廣泛，其成功實現(xiàn)不僅需要借助已有的成熟技術(shù)，如借助總體技術(shù)進行架構(gòu)設(shè)計，借助信息安全技術(shù)保障系統(tǒng)的安全可靠，同時還對技術(shù)提出了新要求。下面基于信息物理系統(tǒng)的特征，按照信息物理系統(tǒng)3個層次的體系架構(gòu)，重點梳理匯總信息物理系統(tǒng)特征引發(fā)的新的技術(shù)需求。單元級計算分析并使其在信息虛體中流通，執(zhí)行器則根據(jù)計算結(jié)果實現(xiàn)對物理實體的控制與優(yōu)數(shù)據(jù)的計算處理能力；對外交互和通信的能力。系統(tǒng)級行統(tǒng)一管理，可歸納得出，系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)除了包含單元級信息物理系統(tǒng)的技術(shù)需檢測能力；系統(tǒng)內(nèi)各組成信息物理系統(tǒng)的協(xié)同控制能力。SoS級SoS級信息物理系統(tǒng)所感知的數(shù)據(jù)更為真實、豐富多樣、種類繁多，因此需要新的處理模式對數(shù)據(jù)進行融合分析，提取其中潛在價值，從而提供更強的決策力、洞察力和流程優(yōu)化能力。通過數(shù)據(jù)服務(wù)可進行信息物理系統(tǒng)的資源控制和信息物理系統(tǒng)能力的獲取。在系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)技術(shù)需求基礎(chǔ)上，參考SoS級信息物理系統(tǒng)的體系架構(gòu)，綜合歸納得到SoS級信息物理系統(tǒng)相對系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)增加的技術(shù)需求：數(shù)據(jù)存儲和分布式處理能力；對外可提供數(shù)據(jù)和智能服務(wù)的能力。信息物理系統(tǒng)的技術(shù)體系通過研究分析信息物理系統(tǒng)的體系架構(gòu)和技術(shù)需求，綜合單元級、系統(tǒng)級、SoS級信息物理系統(tǒng)所需的自動控制技術(shù)、智能感知技術(shù)、計算（軟件）技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)技術(shù)、協(xié)同控制技術(shù)、分布式終端管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲和處理技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)等，并結(jié)合信息物理系統(tǒng)當前已較為成熟的嵌入式軟件、通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，得到信息物理系統(tǒng)技術(shù)體系如圖5-4所示。圖5-4 信息物理系統(tǒng)技術(shù)體系信息物理系統(tǒng)技術(shù)體系主要分為信息物理系統(tǒng)總體技術(shù)、信息物理系統(tǒng)支撐技術(shù)、信息物理系統(tǒng)核心技術(shù)。信息物理系統(tǒng)總體技術(shù)主要包括系統(tǒng)架構(gòu)、異構(gòu)系統(tǒng)集成、安全技術(shù)、試驗驗證技術(shù)等，是信息物理系統(tǒng)的頂層設(shè)計技術(shù)；信息物理系統(tǒng)支撐技術(shù)主要包括智能感知、嵌入式軟件、數(shù)據(jù)庫、人機交互、中間件、SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等，是信息物理系統(tǒng)應(yīng)用的支撐；信息物理系統(tǒng)核心技術(shù)主要包括虛實融合控制技術(shù)、智能裝備技術(shù)、MBD、數(shù)字孿生、CAX/MES/ERP/PLM/CRM/SCM、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，是信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。對信息物理系統(tǒng)技術(shù)體系中各種技術(shù)歸納總結(jié)，本書認為，上述技術(shù)體系可以分為四大核心技術(shù)要素，即“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺）。其中，感知和自動控制是信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件支撐；工業(yè)軟件固化了信息物理系統(tǒng)計算和數(shù)據(jù)流程的規(guī)則，是信息物理系統(tǒng)的核心；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)載體；工業(yè)云和智能服務(wù)平臺是信息物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚和支撐上層解決方案的基礎(chǔ)，對外提供資源管控和能力服務(wù)。信息物理系統(tǒng)的核心技術(shù)要素基于信息物理系統(tǒng)的“一硬”（感知和自動控制）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺）四大核心技術(shù)要素，下面對其中包含的部分關(guān)鍵技術(shù)進行論述，其他技術(shù)如總體技術(shù)、信息安全等也是信息物理系統(tǒng)可靠、高效運行的保障，只是限于篇幅，此處不過多論述。感知和自動控制信息物理系統(tǒng)使用的感知和自動控制技術(shù)主要包括智能感知技術(shù)和虛實融合控制技術(shù)，如圖5-5所示。智能感知技術(shù)。信息物理系統(tǒng)主要使用的智能感知技術(shù)是傳感器技術(shù)。傳感器是一求。RFID是最常用的一種傳感器，它主要包括感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等。RFID系統(tǒng)一般由電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和計算機網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（也稱為“RFID中間件”或“應(yīng)用軟件”）三大部分組成。圖5-5 感知和自動控制虛實融合控制技術(shù)。信息物理系統(tǒng)虛實融合控制是多層“感知—分析—決策—執(zhí)行”循環(huán)，建立在狀態(tài)感知的基礎(chǔ)上，感知往往是實時進行的，向更高層次同步或即時反饋。如圖5-6所示，虛實融合控制技術(shù)包括嵌入控制、虛體控制、集控控制和目標控制4個層次。圖5-6 虛實融合控制技術(shù)①嵌入控制。嵌入控制主要針對物理實體進行控制，通過嵌入式軟件，從傳感器、儀器、儀表或在線測量設(shè)備采集被控對象和環(huán)境的參數(shù)信息來實現(xiàn)“感知”，通過數(shù)據(jù)處理來“分析”被控對象和環(huán)境的狀況，通過控制目標、控制規(guī)則或模型計算來“決策”，進而向執(zhí)行器發(fā)出控制指令來“執(zhí)行”，如此不停地進行“感知—分析—決策—執(zhí)行”循環(huán)，直至達成控制目標?？刂撇皇潜匦璧模欠浅Ｖ匾模皇且驗樵谇度胧杰浻布蠈崿F(xiàn)復(fù)雜計算不如在“大”計算環(huán)境（如云計算）上成本低、效率高；二是因為需要同步跟蹤物理實體的狀態(tài)（感知信息），通過控制目標、控制邏輯或模型計算來向嵌入控制層發(fā)出控制指令。③集控控制。在物理空間，一個生產(chǎn)系統(tǒng)往往由多個物理實體構(gòu)成，如一條生產(chǎn)線會有多個物理實體，并通過物流或能流連接在一起。在信息空間內(nèi)，其主要通過信息物理系統(tǒng)總線的方式進行信息虛體的集成和控制。④目標控制。對于生產(chǎn)而言，產(chǎn)品數(shù)字孿生的工程數(shù)據(jù)提供實體的控制參數(shù)、控制文件或控制指示，屬于“目標”級的控制，實際生產(chǎn)的測量結(jié)果或追溯信息收集到產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可通過即時比對判斷生產(chǎn)是否達成目標。工業(yè)軟件工業(yè)軟件是專用于工業(yè)領(lǐng)域，為提高工業(yè)企業(yè)研發(fā)、制造、生產(chǎn)、服務(wù)與管理水平及工業(yè)產(chǎn)品使用價值的軟件。工業(yè)軟件通過應(yīng)用集成能夠使機械化、電氣化、自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特征，從而為工業(yè)領(lǐng)域提供一個面向產(chǎn)品全生命周期的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、開放式的產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)環(huán)境。信息物理系統(tǒng)應(yīng)用的工業(yè)軟件技術(shù)主要包括嵌入式軟件技術(shù)、MBD和CAX/MES/ERP等。嵌入式軟件技術(shù)。嵌入式軟件技術(shù)主要把軟件嵌入在工業(yè)裝備或工業(yè)產(chǎn)品中，這些環(huán)節(jié)，如圖5-7所示。MBD。MBD（ModelBasedDefinition）采用一個集成的全三維數(shù)字化產(chǎn)品描述方法為輔的制造方法。MBD支撐信息物理系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在制造各環(huán)節(jié)的流動，如圖5-8所示。在MBD制造模式下，產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、檢驗檢測數(shù)據(jù)的形式與類型發(fā)生了很大變化。通過MBD，產(chǎn)品模型串聯(lián)起了工業(yè)軟件。工藝部門通過三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計數(shù)模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)。檢驗部門通過三維數(shù)字化檢驗，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計數(shù)模、三維工藝模型，建立三維檢驗?zāi)Ｐ秃蜋z驗計劃，如圖5-8所示。圖5-7 嵌入式軟件技術(shù)在單元級信息物理系統(tǒng)的作用圖5-8 MBD在制造業(yè)的應(yīng)用CAX/MES/ERP。CAX是CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI等各項技術(shù)的綜合名稱。CAX實際上把多元化的計算機輔助技術(shù)集成起來復(fù)合和協(xié)調(diào)地進行工作，過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理和控制。CAX軟件是CPS信息虛體的載體。信息虛體的原始要素定義，以及信息虛體之間接口的定義，都是通過CAX軟件實現(xiàn)的。通過CAX軟件，信息物理系統(tǒng)的信息虛體充斥到制造流程中，從供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理、企業(yè)管理等多個維度，提升“物理世界”中的工廠/車間的生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工程。MES是滿足大規(guī)模定制需求、實現(xiàn)柔性排程和調(diào)度的關(guān)鍵，其主要操作對象是信息物理系統(tǒng)的信息虛體，通過信息虛體的操控，以網(wǎng)絡(luò)化和扁平化的形式對企業(yè)的生產(chǎn)計劃進行“再計劃”，“指令”生產(chǎn)設(shè)備“協(xié)同”或“同步“動作，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行及時響應(yīng)，使用過MES收集整合，形成工廠的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析整合，使其全產(chǎn)業(yè)鏈可的。ERP是以市場和客戶需求為導向，以實行企業(yè)內(nèi)外資源優(yōu)化配置，消除生產(chǎn)經(jīng)營過程中一戶滿意度為目標，以計劃與控制為主線，以網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)為平臺，集客戶、市場、銷向供應(yīng)鏈管理的現(xiàn)代企業(yè)管理思想和方法。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)金字塔模式展示了定義明晰的層級結(jié)構(gòu)，信息從現(xiàn)場層向上經(jīng)由多個層級流入企業(yè)規(guī)劃層。盡管這一模式得到廣泛認可，但其中的數(shù)據(jù)流動并不順暢。由于金字塔每層的功能性要求不盡相同，因此各層往往采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得不同層級之間的兼容性較差。此外，由于信息物理系統(tǒng)對開放互聯(lián)和靈活性的要求更高，因此自動化金字塔模式的這種結(jié)構(gòu)越來越受詬病。而代之的是基于分布式的全新范式，如圖5-9所示。由于各種智能設(shè)備的引入，設(shè)備可以相互連接形成一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。每個層面都擁有更多的嵌入式智能和響應(yīng)式控制的預(yù)測分靈活組合而成的。圖5-9 信息物理系統(tǒng)的網(wǎng)狀互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從技術(shù)角度來看，主要涉及工業(yè)異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和即插即用。由于不同的網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面的差異，異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的融合具有高度的復(fù)雜性。一些設(shè)備將作為邊緣網(wǎng)關(guān)，發(fā)揮連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的作用，將數(shù)據(jù)融合在IP網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸和控制。同時還需要一個統(tǒng)一的通信機制與數(shù)據(jù)互操作機制，使數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸和交換，實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通。此外，為了適應(yīng)柔性制造、小批量定制化的需求，信息物理系統(tǒng)必須是靈活組合的，相應(yīng)地，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也必須是柔性的、即插即用的，從而能使資源合理配置及生產(chǎn)效率極大地提高。信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在接入技術(shù)上主要分為有線網(wǎng)絡(luò)，以及無線網(wǎng)絡(luò)和基于有線無線網(wǎng)絡(luò)形成的柔性靈活的工廠網(wǎng)絡(luò)；從網(wǎng)絡(luò)類型來分，既有各種智能設(shè)備組成的專用協(xié)議局域網(wǎng)，也有基于通用TCP/IP協(xié)議的公共互聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)場總線技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是計算機，網(wǎng)絡(luò)通信、超大規(guī)模集成電路、儀表和測通信線或一種通信標準?？偩€在運動控制中的應(yīng)用使得工業(yè)自動化控制技術(shù)正在向智能能化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散、對現(xiàn)場環(huán)境具有適應(yīng)性。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。當前廣泛使用的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有十余種，如EtherCAT、EthernetPowerLink等。這些工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)基本上都是各家廠商基于IEEE802.3（Ethernet）百兆網(wǎng)基礎(chǔ)增加實時特性獲得的。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)提供了一個無縫集成新的多媒體世界的途徑。此外，當前IEEE802正在對實時以太網(wǎng)TSN進行標準化，以滿足工業(yè)環(huán)境中時間敏感的需求。TSN實現(xiàn)了一個標準的開放式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可支持不同廠商儀器之間的相互操作和集成。同時，TSN可支持制造應(yīng)用中的其他網(wǎng)絡(luò)傳輸，進而驅(qū)動多的供應(yīng)商獲得更低成本的網(wǎng)絡(luò)部件，有助于工業(yè)以太網(wǎng)更廣泛被采用。無線技術(shù)。無線技術(shù)由于節(jié)省線路布放與維護成本、組網(wǎng)簡單（常支持自組織組網(wǎng)，而且不需要考慮線長、節(jié)點數(shù)等制約），已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一些場景，如基于IEEE802.15.4的WirelessHART與ISA100.11a技術(shù)，當前已用于資產(chǎn)管理、過程測量與控制、HMIIoT、LTE-M、LoRa等也在工業(yè)企業(yè)中有相應(yīng)的應(yīng)用。SDN。為了適應(yīng)柔性生產(chǎn)的需求，單元級信息物理系統(tǒng)可能需要根據(jù)需求進行靈活重構(gòu)，如智能機器可在不同的系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)（如生產(chǎn)線）即插即用，這需要工廠網(wǎng)絡(luò)柔性靈活組網(wǎng)?；赟DN平面的分離，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源可編排能力。基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)（MES）的需求，在SDN控撐柔性制造和生產(chǎn)自組織。工業(yè)云和智能服務(wù)平臺工業(yè)云和智能服務(wù)平臺通過邊緣計算、霧計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)進行數(shù)據(jù)的加工處理，形成對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)的能力，并在數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)上提供個性化和專業(yè)化的智能服務(wù)，如圖5-10所示。圖5-10 構(gòu)建信息物理系統(tǒng)平臺需要的計算技術(shù)邊緣計算。邊緣計算指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。對于SoS級信息物理系統(tǒng)，其每個信息物理系統(tǒng)組成均具有計算和通信功能，通過每個信息物理系統(tǒng)的邊緣計算，數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)就能解決，更適合實時的數(shù)據(jù)分析和智能化處理。邊緣計算聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，具有安全、快捷、易于管理等優(yōu)勢，能更好地支撐信息物理系統(tǒng)單元的實時智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實時需求，從而使計算資源更加有效地得到利用。此外，邊緣計算雖靠近執(zhí)行單元，但同時也是云端所需高價值數(shù)據(jù)的采集單元，可以更好地支撐云端的智能服務(wù)。霧計算。信息物理系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)，局域型的信息物理系統(tǒng)對于每個信息物理中心的計算負荷也可相應(yīng)減輕。霧計算可以用于產(chǎn)品信息物理系統(tǒng)或系統(tǒng)級信息物理系統(tǒng)，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)——值。霧計算不僅可以解決聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動化的問題，更關(guān)鍵的是它對數(shù)據(jù)傳輸量的要求更小。大數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)將給全球工業(yè)帶來深刻的變革，創(chuàng)新企業(yè)的研發(fā)、生度的產(chǎn)品與服務(wù)，以此來實現(xiàn)產(chǎn)品精準營銷。信息物理系統(tǒng)的標準化標準與技術(shù)創(chuàng)新同步已成為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效模式。信息物理系統(tǒng)是一個具有顯著創(chuàng)新潛力和社會影響的領(lǐng)域，其技術(shù)體系和應(yīng)用方案有待完善，用標準助推創(chuàng)新發(fā)展是必要的手段。因此，可借鑒國內(nèi)外已開展的信息物理系統(tǒng)標準化工作經(jīng)驗，針對信息物理系統(tǒng)標準化存在的現(xiàn)實需求，將現(xiàn)階段開展的標準化工作聚焦在幾個重點方向上。國內(nèi)外已開展的標準化工作目前美國NIST、IEEE及我國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇已先行開展了信息物理系統(tǒng)標準化研究工作。美國NIST于2014年6月成立了信息物理系統(tǒng)公共工作組（CPSPWG），聯(lián)合相關(guān)高校和企業(yè)專家共同開展了信息物理系統(tǒng)標準化研究，并于2016年5月發(fā)布了《信息物理系統(tǒng)框架》。該框架分析了信息物理系統(tǒng)的起源、應(yīng)用、特點和相關(guān)標準，并從概念、實現(xiàn)和運維3個視角給出了信息物理系統(tǒng)在功能、商業(yè)、安全、數(shù)據(jù)、實時、生命周期等方面的特征。美國IEEE于2008年成立了信息物理系統(tǒng)技術(shù)委員會（TC-CPS），致力于信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域的交叉學科研究和教育。TC-CPS每年都舉辦CPSWeeks等學術(shù)活動及涉及信息物理系統(tǒng)各方面研究的研討會。中國電子技術(shù)標準化研究院于2016年9月聯(lián)合國內(nèi)百余家企事業(yè)單位發(fā)起成立了信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇，以期共同研究信息物理系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)和標準等。有待解決的信息物理系統(tǒng)標準化問題信息物理系統(tǒng)體現(xiàn)了工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的跨界融合，涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及平臺等多方面的集成，以及不同環(huán)節(jié)、不同模式下的復(fù)雜應(yīng)用。目前國內(nèi)外對信息物理系統(tǒng)標準化的研究還處于起步階段，這些現(xiàn)實情況及信息物理系統(tǒng)本身具有的創(chuàng)新性、復(fù)雜性給標準化工作帶來了諸多挑戰(zhàn)。目前有待解決的信息物理系統(tǒng)標準化問題如下。施。統(tǒng)一信息物理系統(tǒng)標準化語言，減少理解和認識的差異。解決互聯(lián)互通、異構(gòu)集成、互操作等復(fù)雜技術(shù)問題。規(guī)范信息物理系統(tǒng)應(yīng)用模式，營造良好的應(yīng)用氛圍。構(gòu)建信息物理系統(tǒng)安全環(huán)境，預(yù)防控制安全問題。信息物理系統(tǒng)標準化的重點方向針對上述問題，可從頂層設(shè)計、基礎(chǔ)共性類標準、關(guān)鍵技術(shù)類標準、應(yīng)用類標準和安全類標準5個方面進行信息物理系統(tǒng)標準化研究。頂層設(shè)計。頂層設(shè)計是開展標準化工作的總體綱領(lǐng)與參考，界定了信息物理系統(tǒng)標應(yīng)包括標準體系框架、實施綜合標準化體系建設(shè)指南等?；A(chǔ)共性類標準?；A(chǔ)共性類標準用于統(tǒng)一信息物理系統(tǒng)的術(shù)語、相關(guān)概念及框架撐。其包括術(shù)語和概念、體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的評估規(guī)范等。關(guān)鍵技術(shù)要素及其測試規(guī)范，指導技術(shù)研發(fā)、測試驗證等，包括MBD建模、異構(gòu)集成、數(shù)據(jù)互操作、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)要求及其測試規(guī)范、技術(shù)實現(xiàn)的過程與方法等。與測試，包括用例、系統(tǒng)解決方案及行業(yè)實施指南等。升工業(yè)控制安全防控能力，包括工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理、風險評估、防護能力評估等。研究展望自2006年至今，信息物理系統(tǒng)的發(fā)展得到了許多國家政府的大力支持和資助，已成為學術(shù)界、科技界、企業(yè)界爭相研究的重要方向，獲得了國內(nèi)外計算機、通信、控制、生物、船舶、交通、軍事、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多個領(lǐng)域的研究機構(gòu)與學者的關(guān)注和重視。同時，信息物理系統(tǒng)也是各行業(yè)優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。國外研究現(xiàn)狀國際上，有關(guān)信息物理系統(tǒng)的研究大多集中在美國、德國、日本、韓國、歐盟等國家和地區(qū)。各國/地區(qū)研究機構(gòu)對信息物理系統(tǒng)的研究及成果如表5-1所示。表5-1各國/地區(qū)研究機構(gòu)對信息物理系統(tǒng)的研究及成果美國2006年2月，美國科學院發(fā)布了《美國競爭力計劃》，明確將CPS列為重要的研究項目；2006年年末，美國國家科學基金會召開了世界上第一個關(guān)于CPS的研討會并將CPS列入重點科研領(lǐng)域，開始進行資金資助；2007年7月，美國總統(tǒng)科學技術(shù)顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——全球競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了八大關(guān)鍵的信息技術(shù)，其中CPS位列首位；2008年3月，美國CPS研究指導小組（CPSSteeringGroup）發(fā)布了《信息物理系統(tǒng)概要》，把CPS應(yīng)用于交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、能源、國防等方面。2014年6月，美國NIST匯集相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，組建成立了CPSPWGCPS關(guān)鍵問題的研究，推動CPS在跨多個“智能”應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。2015年，NIST工程實驗室智能電網(wǎng)項目組發(fā)布了CPS測試平臺（Testbed）設(shè)計概念。2016年5月，NIST正式發(fā)表了《信息物理系統(tǒng)框架》，提出了CPS的兩層域架構(gòu)模型，在業(yè)界引起了極大關(guān)注。截至2016年，美國國家科學基金會投入了超過3億美元來支持CPS基礎(chǔ)性研究。在學術(shù)界，IEEE及ACM等組織從2008CPSWeeks等學術(shù)活動。CPSWeeks的5個主要會議：HSCC、ICCPS、IoTDI、IPSN和RTAS及涉及CPS各方面研究的研討會和專題報告。美國利用國際產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，在CPS標準、學術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，我國亟需在標準研究和應(yīng)用領(lǐng)域深入研究，追趕世界先進水平。德國德國作為傳統(tǒng)的制造強國，也一直關(guān)注著CPS的發(fā)展。2009年，德國《國家嵌入式系統(tǒng)技術(shù)路線圖》提出發(fā)展本地嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建議，明確提出CPS將是德國繼續(xù)領(lǐng)先未來制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。2013年4月，在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國正式推出了工業(yè)4.0?！兜聡I(yè)4.0實施建議》中提出：建設(shè)一個平臺，即“全新的基于服務(wù)和實時保障的CPS平臺”。2015年3月，德國國家科學與工程院（acatech）發(fā)布了《網(wǎng)絡(luò)世界的生活》，對CPS的能力、潛力和挑戰(zhàn)進行了分析，提出了CPS在技術(shù)、商業(yè)和政策方面所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。依托人工智能研究中心（DFKI），德國開展了CPS試驗工作，建成了世界第一個CPPS實驗室。德國借助其制造強國優(yōu)勢，突出CPS在制造業(yè)和嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用，我國在實施制造強國戰(zhàn)略過程中，需要重點關(guān)注CPS對制造業(yè)發(fā)展的促進作用。歐盟歐盟在CPS方面也做了很多工作。CPS研究作為歐盟公布的“單一數(shù)字市場”戰(zhàn)略的一部分，得到了歐盟的大力支持，歐盟通信網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容和技術(shù)理事會單獨設(shè)立CPS歐盟在2007年啟動了ARTEMIS（AdvancedResearchandTechnologyforEmbeddedIntelligenceandSystems）等項目，計劃投入超過70億美元進行CPS相關(guān)方面的研究，并將CPS作為智能系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。2015年7月，歐盟發(fā)布了《CyPhERSCPS歐洲路線圖和戰(zhàn)略》，強調(diào)了CPS勢，重點關(guān)注CPS流，促進CPS理論和應(yīng)用的發(fā)展。日本和韓國在日韓等國，CPS從2008年左右開始備受關(guān)注。韓國科技院等高等教育機構(gòu)和科研院嘗試開展了CPS的相關(guān)課程，從自動化研究與發(fā)展的角度，關(guān)注計算設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)與嵌入式對象的集成跨平臺研究。日本以東京大學和東京科技大學為首，對CPS技術(shù)在智能醫(yī)療器件及機器人開發(fā)等方面的應(yīng)用投入了極大的科研力量。日、韓作為后發(fā)的發(fā)達國家，緊跟CPS的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，這對我國的CPS發(fā)展既是動力，也是挑戰(zhàn)，我國需要加大在CPS領(lǐng)域的研究投入。國內(nèi)研究現(xiàn)狀在CPS明確提出之前，我國已經(jīng)開展了類似的研究，這些研究與政府在工業(yè)領(lǐng)域的政策緊密聯(lián)系在一起。2016年，中國政府提出了深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的要求，其中在強化融合發(fā)展基礎(chǔ)支撐中，對CPS的未來發(fā)展做出了進一步要求。政策的延續(xù)和支持使得我國的CPS發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?。高校和科研單位也紛紛進行CPS技術(shù)研究和應(yīng)用。2010年，科技部啟動了“面向信息—物理融合的系統(tǒng)平臺”等項目。2012年，浙江大學、清華大學、上海交通大學聯(lián)合成立了賽博（Cyber）協(xié)同創(chuàng)新中心，開展工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)（iCPS）的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面的前沿研究。2016年3月，中山大學成立了信息物理系統(tǒng)研究所，致力于CPS核心技術(shù)和特色應(yīng)用研究。2016年9月，中國電子技術(shù)標準化研究院（工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究院）聯(lián)合國內(nèi)百余家企事業(yè)單位發(fā)起成立了信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇，共同研究CPS的發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)和標準，開展試點示范，推廣優(yōu)秀的技術(shù)、產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案等活動。此外，在工業(yè)和信息化部的支持下，中國電子技術(shù)標準化研究院開展了CPS共性關(guān)鍵技術(shù)測試驗證平臺建設(shè)與應(yīng)用推廣等項目的研究。在CPS應(yīng)用實踐方面，國內(nèi)也進行了較多的有益探索。2013年，中船集團與美國NSF-IMS中心聯(lián)合成立了海洋智能技術(shù)中心（OITC），開展CPS技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。該中心研制的CPS智能信息平臺和智能船舶運行與維護系統(tǒng)（SOMS）作為國產(chǎn)智能船舶的兩大核心系統(tǒng)在散貨船、集裝箱船和VLCC船上廣泛應(yīng)用。廣東工業(yè)大學2015年5月建立了廣東省信息物理融合系統(tǒng)重點實驗室，2016年6月進一步建立了智能制造信息物理融合系統(tǒng)集成技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，初步構(gòu)建了智能制造信息物理融合系統(tǒng)集成應(yīng)用體系架構(gòu)，并在船舶制造、汽車零配件制造等領(lǐng)域開展了集成應(yīng)用示范工作[1]。GPS網(wǎng)絡(luò)研究展望CPS網(wǎng)絡(luò)是一種全新的局部操控、全局控制、具有多學科交叉應(yīng)用的混合網(wǎng)絡(luò)，作為一種全新的組網(wǎng)方式，CPS網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域（如個人醫(yī)療救助、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等）具有巨大的應(yīng)用潛力，并對未來人們的生活方式產(chǎn)生了深遠的影響。預(yù)計未來一段時間內(nèi)CPS網(wǎng)絡(luò)研究的重點方向包括以下幾方面。網(wǎng)絡(luò)控制與中間件。網(wǎng)絡(luò)連接向多層次發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)層次模型多樣化。可供實驗的完整網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。完整可實現(xiàn)的CPS系統(tǒng)[1]。5.4 案例[1]案例名稱中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院CPS應(yīng)用探索，項目規(guī)模屬于SoS級CPS。建設(shè)背景船舶工業(yè)是為航運業(yè)、海洋開發(fā)及國防建設(shè)提供技術(shù)裝備的綜合性產(chǎn)業(yè)，對鋼鐵、石化、輕工、紡織、裝備制造、電子信息等重點產(chǎn)業(yè)發(fā)展和擴大出口具有較強的帶動作用。但是在全球經(jīng)濟增長乏力的大背景下，航運業(yè)市場持續(xù)低迷，過度在船舶設(shè)計制造端追求產(chǎn)品性能的提升已經(jīng)無法打動船東，需要創(chuàng)造新的行業(yè)合作形態(tài)，令產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同參與到船舶價值創(chuàng)造中，創(chuàng)造新的用戶價值。2010能為核心突破點，從根本上解決了船廠、船東和船員之間的矛盾，率先開展了基于CPS船舶產(chǎn)業(yè)的SoS解決方案，并積極開展了實船實踐驗證工作，共創(chuàng)了“無憂船舶”和“無憂運營”。實施情況海洋智能技術(shù)中心針對SoS級CPS的體系架構(gòu)，結(jié)合我國海洋裝備技術(shù)和應(yīng)用特點，在國內(nèi)首次研制了以裝備全壽命周期視情使用、視情管理和視情維護為核心，面向船舶與航運智能化的智能船舶運行與維護系統(tǒng)（Smart-vesselOperationandMaintenanceSystem，SOMS），并進一步面向船隊、船東和船舶產(chǎn)業(yè)鏈，分別設(shè)計了船舶（個體）、船隊（群體）和產(chǎn)業(yè)鏈（社區(qū)）的CPS應(yīng)用解決方案，為整個船舶產(chǎn)業(yè)鏈提供了面向環(huán)境、狀態(tài)、集群、任務(wù)的智能能力支撐。海洋智能技術(shù)中心在北京設(shè)置了工業(yè)大數(shù)據(jù)認知中心與智能信息服務(wù)平臺，通過具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPS認知與決策系統(tǒng)（CPSCognitionandDecisionSystem，CCDS），將船舶工業(yè)數(shù)據(jù)異構(gòu)融合，在信息空間進行映射，在機器自主學習的認知計算環(huán)境中，完成了船舶設(shè)計、制造、運營流程的知識發(fā)現(xiàn)與行為預(yù)測，并通過智能信息服務(wù)平臺以數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型訓練技術(shù)對外提供面向船舶設(shè)計、制造、管理、運營的視情決策支持。同時，海洋智能技術(shù)中心研發(fā)了船舶智能Agent。其一方面以模型和算法為載體，通過模戶的活動提供實時快速的決策支持；另一方面以模型化方式與北京認知中心進行知識交供更深度的智能決策支持和智能Agent持續(xù)升級。通過工業(yè)大數(shù)據(jù)認知中心與智能信息服務(wù)平臺，以及CCDS和智能Agent的技術(shù)布局，海洋智能技術(shù)中心根據(jù)船舶產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對象的不同，提出了以下3個層次的SOMS解決方案。船舶層次：SOMS個體CPS產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平的集中體現(xiàn)，也是產(chǎn)業(yè)鏈智能化升級最重要的載體。SOMS個體CPS體系解決方案設(shè)計了由感知、分析、決策和控制4個模塊構(gòu)成的智能控制單元，首先對典型的數(shù)據(jù)科學家隊伍，訓練認知模型，優(yōu)化認知算法，以重點船舶的智能化帶動船舶整體智能化發(fā)展；在為重點船舶提供視情決策、資源優(yōu)化支持的基礎(chǔ)上，利用模型移植，將核心模型和關(guān)鍵算法制作成CPS膠囊。此后只需要在同型姊妹船舶上安裝CPS膠囊，并接入簡單的關(guān)鍵數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)大部分自主視情優(yōu)化功能，而無須進行感知網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，有利于CPS技術(shù)和成果的高效率、低成本推廣。船隊層次：SOMS群體CPS集群協(xié)同優(yōu)化方面也有很多智能化需求。SOMS群體CPS體系解決方案為船隊的直接關(guān)系用戶，也就是船東，設(shè)計了由感知、分析、決策和管理4個模塊構(gòu)成的智能管理單元，并一體分析決策流程，為船東提供了基于CPS的群體認知學習化環(huán)境，同時通過智能信息服務(wù)平臺，為船東提供視情使用和視情管理服務(wù)，從而在安全、經(jīng)濟和環(huán)保3個方面為船東提供自主成長的智能化服務(wù)支撐。產(chǎn)業(yè)鏈層次：SOMS社區(qū)CPS體系解決方案。在SOMS個體和群體CPS體系解決方案的基礎(chǔ)上，為了進一步在船舶產(chǎn)業(yè)進行CPS的應(yīng)用推廣，本著“數(shù)據(jù)驅(qū)動，融合創(chuàng)新”的理念，SOMS社區(qū)CPS體系解決方案提供面向全產(chǎn)業(yè)鏈的全維數(shù)據(jù)感知、綜合數(shù)據(jù)分析、定慧漁業(yè)管理服務(wù)等智慧化服務(wù)，以智能Agent和部署在船端、船東總部的分布式數(shù)據(jù)中心為數(shù)據(jù)來源，以北京認知中心為數(shù)據(jù)認知、優(yōu)化決策、信息服務(wù)的載體，以CCDS為核心，將不同領(lǐng)域的用戶以知識相連接，構(gòu)建了信息物理融合的船舶工業(yè)社區(qū)，實現(xiàn)了CPS在船舶產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合與廣泛應(yīng)用。這3種解決方案是依次遞進、相互影響的，由于面臨的裝備、船舶、船隊和企業(yè)等對象眾多，船舶的工作環(huán)境、任務(wù)場景復(fù)雜，SOMS解決方案既是裝備建設(shè)解決方案，又是系統(tǒng)工程解決方案，更是體系工程解決方案。因此，SOMS解決方案在實現(xiàn)過程中需要相互依托，相互促進，循序漸進，整個SOMS體系工程分為以下3個建設(shè)階段。第一階段：CPS體系框架建設(shè)，海洋智能技術(shù)中心建設(shè)由工業(yè)軟件、感知控制硬件、船舶互聯(lián)網(wǎng)、認知決策中心和信息服務(wù)中心組成的CPS體系框架，并對CPS認知決策系統(tǒng)進行重點攻關(guān)，同步開展主力船型和重點企業(yè)實踐驗證工作，為CPS體系應(yīng)用與推廣提供技術(shù)基礎(chǔ)和實踐案例。第二階段：通過典型船舶和重點企業(yè)的示范帶動作用，將SOMS解決方案在船舶產(chǎn)業(yè)鏈上下游進一步推廣，由船舶使用端向船舶的設(shè)計、制造端輻射，最終實現(xiàn)SOMS技術(shù)體系在船舶產(chǎn)業(yè)的整體布局，為船舶產(chǎn)業(yè)的信息物理深度融合打下基礎(chǔ)。第三階段：通過對船舶、船隊和產(chǎn)業(yè)鏈對象的全面覆蓋，實現(xiàn)SOMS解決方案在船舶設(shè)合，構(gòu)建完整的CPS工業(yè)體系化應(yīng)用，從而提升整個產(chǎn)業(yè)的工業(yè)智能化水平。實施效果SOMS與智能船舶海洋智能技術(shù)中心的“SOMS個體CPS體系解決方案”提出了基于信息物理系統(tǒng)的船舶智能化解決方案，并在軍民領(lǐng)域同步開展了實船應(yīng)用實踐，目前該解決方案已在三大主力船型實踐應(yīng)用，其中作為全球首個搭載定制版SOMS系統(tǒng)的遠洋大型船舶“明勇輪”，自2015年起已累計運行10080小時、18個不同航段，航行數(shù)據(jù)為5.79GB。其中，健康管理和能效管理兩大模塊實現(xiàn)了顯著的油耗節(jié)省和“近零故障