(高清版)GBT 40020-2021 信息物理系統(tǒng) 參考架構(gòu)

ICS35.100.05GB/T40020—2021信息物理系統(tǒng)參考架構(gòu)國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)I 1范圍 12規(guī)范性引用文件 1 1 1 2 37功能視圖 7參考文獻(xiàn) ⅢGB/T40020—2021本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。本標(biāo)準(zhǔn)由全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC28)提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、西安電子科技大學(xué)、北京蘭光創(chuàng)新科技有限公司、北京元工國際科技股份有限公司、北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司、重慶大學(xué)、深圳賽西信息技術(shù)有GB/T40020—2021信息物理系統(tǒng)參考架構(gòu)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了信息物理系統(tǒng)參考架構(gòu)，確定了信息物理系統(tǒng)共同關(guān)注點(diǎn)、用戶視圖和功能視圖。本標(biāo)準(zhǔn)適用于制造業(yè)開展信息物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證和實(shí)施應(yīng)用。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T40021—2021信息物理系統(tǒng)術(shù)語3.1術(shù)語和定義GB/T40021—2021中界定的術(shù)語和定義適用于本文件。3.2縮略語下列縮略語適用于本文件。CPS信息物理系統(tǒng)(cyber-physicalsystems)VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtualprivatenetwork)4CPS參考架構(gòu)概述本標(biāo)準(zhǔn)使用的圖例見圖1所示。域域信息流關(guān)系流共同關(guān)注點(diǎn)活動(dòng)圖1本標(biāo)準(zhǔn)使用的圖例 2GB/T40020—20214.2CPS參考架構(gòu)框架CPS參考架構(gòu)由共同關(guān)注點(diǎn)、用戶視圖和功能視圖組成，見圖2所示。功能組件功能紐件7域功能組件7活動(dòng)活動(dòng)功能組件域域活動(dòng)活動(dòng)用戶視圖功能視圖圖2CPS參考架構(gòu)框架5共同關(guān)注點(diǎn)共同關(guān)注點(diǎn)既適用于CPS的用戶視圖，又適用于CPS的功能視圖，包括：a)價(jià)值創(chuàng)造；b)虛實(shí)融合；c)閉環(huán)迭代；d)知識(shí)決策；e)異構(gòu)集成；f)容錯(cuò)健壯；g)彈性擴(kuò)展：h)安全可信。5.2價(jià)值創(chuàng)造CPS的建設(shè)和使用應(yīng)能夠?yàn)橄嚓P(guān)方帶來資本回報(bào)、模式創(chuàng)新等直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值或間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。價(jià)值創(chuàng)造主要特性包括：產(chǎn)保值等方面的有益效果，為相關(guān)方帶來有效收益；協(xié)作關(guān)系、金融結(jié)構(gòu)等要素的重新定義，為研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等環(huán)節(jié)提供新模5.3虛實(shí)融合CPS應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)制造全流程中人、設(shè)備、物料、工藝過程/方法、環(huán)境等物理實(shí)體與相對(duì)應(yīng)的信息虛3GB/T40020—2021虛實(shí)融合主要特性包括：a)時(shí)間同步：CPS具有軟件與硬件間時(shí)鐘校準(zhǔn)并符合統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)度的能力；5.4閉環(huán)迭代對(duì)物理實(shí)體的優(yōu)化與改進(jìn)。5.5知識(shí)決策CPS應(yīng)能夠基于數(shù)據(jù)資源、算法資源、模型資源等多源信息資源的分析處理，協(xié)助進(jìn)行商業(yè)級(jí)、組5.6異構(gòu)集成CPS應(yīng)能夠通過異構(gòu)組件間的兼容和適配實(shí)現(xiàn)異構(gòu)組件間的信息共享和透明訪問。異構(gòu)集成主要特性包括：a)兼容性：CPS具有硬件之間、軟件之間或軟硬件組合系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)工作的能力。b)互操作性：CPS能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)組件間的信息共享與交互。5.7容錯(cuò)健壯CPS應(yīng)具有一定的抗干擾、處理異常情況的能力，在出現(xiàn)一般級(jí)別外部影響時(shí)仍能正確執(zhí)行預(yù)定的功能，是衡量CPS能否在出錯(cuò)條件下恢復(fù)原有能力的一種測(cè)度。容錯(cuò)健壯主要特性包括：a)可靠性：CPS的每個(gè)組件具備足夠低的失效率使得CPS總體能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。b)可用性：CPS具備在一定限制條件內(nèi)正確執(zhí)行其功能的能力。5.8彈性擴(kuò)展CPS應(yīng)具有功能組件靈活定制并可便捷擴(kuò)展系統(tǒng)功能的能力。彈性擴(kuò)展主要特性是擴(kuò)展性，CPS允許已部署或者正在運(yùn)行的系統(tǒng)在低成本、簡(jiǎn)易化操作情況下加入新的功能或者組件，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和所提供服務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。5.9安全可信CPS應(yīng)具備提供物理安全、基礎(chǔ)安全、業(yè)務(wù)安全、安全管理以及可信保障的能力。主要特性包括：b)可信性：CPS在開展資源訪問、系統(tǒng)交互、業(yè)務(wù)協(xié)同等活動(dòng)時(shí)應(yīng)具備一定保障機(jī)制，確保其活動(dòng)過程可以信賴。6用戶視圖用戶視圖包括用戶方、提供方、關(guān)聯(lián)方三種角色及相關(guān)活動(dòng)，見圖3所示。GB/T40020—2021管理者管理者業(yè)務(wù)決策過程管控研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造運(yùn)維服務(wù)經(jīng)營管理預(yù)開發(fā)者需求分析規(guī)劃設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)測(cè)試驗(yàn)證集成設(shè)計(jì)部署實(shí)施提供軟件提供平臺(tái)提供安全運(yùn)營者運(yùn)維管理經(jīng)營管理提供知識(shí)服務(wù)提供硬作執(zhí)行監(jiān)理能評(píng)性測(cè)用戶方圖3用戶視圖角色與相關(guān)活動(dòng)a)用戶方負(fù)責(zé)向提供方提出CPS業(yè)務(wù)需求和使用中、故障后的信息反饋，并向關(guān)聯(lián)方提出CPS咨詢服務(wù)和建設(shè)過程監(jiān)理需求；b)提供方根據(jù)用戶方需求，完成CPS設(shè)計(jì)、實(shí)施和優(yōu)化，并交付給用戶方使用，同時(shí)配合關(guān)聯(lián)方完成CPS建設(shè)的監(jiān)理工作；c)關(guān)聯(lián)方負(fù)責(zé)為用戶方和提供方提供咨詢、監(jiān)理、測(cè)試評(píng)估服務(wù)。CPS用戶視圖各角色間關(guān)系見圖4所示。用戶方//咨詢、監(jiān)理、測(cè)試評(píng)估服務(wù)圖4用戶視圖角色5GB/T40020—20216.2CPS用戶方CPS用戶方包括管理者、使用者和運(yùn)維者三個(gè)子角色：a)管理者負(fù)責(zé)CPS業(yè)務(wù)決策，對(duì)CPS使用者和運(yùn)維者的活動(dòng)進(jìn)行過程管控、績(jī)效評(píng)估；b)使用者負(fù)責(zé)提出業(yè)務(wù)需求，使用CPS開展相關(guān)業(yè)務(wù)的執(zhí)行、反饋；c)運(yùn)維者負(fù)責(zé)保證CPS正常運(yùn)行，為CPS使用者提供相關(guān)的技術(shù)支撐。管理者相關(guān)活動(dòng)包括：開展相關(guān)決策活動(dòng)；b)過程管控：對(duì)CPS使用者、運(yùn)維者的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)督與控制；c)績(jī)效評(píng)估：圍繞CPS應(yīng)用的過程及結(jié)果制定績(jī)效指標(biāo)，并對(duì)CPS使用者、運(yùn)維者開展評(píng)價(jià)。使用者相關(guān)活動(dòng)包括：真實(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間的信息交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)、制造、裝配等環(huán)節(jié)在虛擬空間中的仿真c)運(yùn)維服務(wù)：通過對(duì)裝備/產(chǎn)品上傳的運(yùn)行參數(shù)、維保、用戶使用等數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，實(shí)現(xiàn)故障的快速解決，減少停機(jī)時(shí)間并降低維修成本；d)經(jīng)營管理：通過數(shù)據(jù)挖掘、模型計(jì)算等手段對(duì)客戶特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求的精準(zhǔn)營e)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：基于平臺(tái)上的產(chǎn)能模型、供應(yīng)商評(píng)價(jià)模型等，自動(dòng)生成產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的生產(chǎn)基于收集到的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行模型和故障知識(shí)庫，給出預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案，實(shí)6.3CPS提供方CPS提供方包括開發(fā)者、資源提供者、集成者和運(yùn)營者四個(gè)子角色：a)開發(fā)者負(fù)責(zé)確保CPS相關(guān)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程滿足需求；b)資源提供者負(fù)責(zé)為CPS提供相關(guān)基礎(chǔ)資源；6GB/T40020—2021c)集成者負(fù)責(zé)開展CPS集成規(guī)劃，搭建完整集成架構(gòu)，滿足d)運(yùn)營者負(fù)責(zé)確保CPS業(yè)務(wù)服務(wù)滿足運(yùn)營目標(biāo)。開發(fā)者相關(guān)活動(dòng)包括：a)提供硬件：提供滿足CPS運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件設(shè)備；資源的管理權(quán)限；f)提供安全服務(wù)：提供確保CPS安全運(yùn)行的防護(hù)措施。集成者相關(guān)活動(dòng)包括：a)集成設(shè)計(jì)：基于各類組件之間的接口及協(xié)議情況，提供CPS集成規(guī)劃，構(gòu)建完整的CPS集成架構(gòu)。運(yùn)營者相關(guān)活動(dòng)包括：7GB/T40020—20216.4CPS關(guān)聯(lián)方CPS關(guān)聯(lián)方包括咨詢服務(wù)者、測(cè)試評(píng)估者、項(xiàng)目監(jiān)理者三個(gè)子角色：a)咨詢服務(wù)者負(fù)責(zé)為CPS用戶方、提供方提供咨詢服務(wù)；b)測(cè)試評(píng)估者負(fù)責(zé)為CPS用戶方、提供方提供功能、性能等關(guān)鍵因素測(cè)試和評(píng)估服務(wù)；c)項(xiàng)目監(jiān)理者負(fù)責(zé)為CPS用戶方、提供方提供成本、進(jìn)度、質(zhì)量等監(jiān)督管理服務(wù)。咨詢服務(wù)者主要活動(dòng)為建議指導(dǎo)。基于客戶需求信息，綜合考慮使用過程中的成本、效益因素，給測(cè)試評(píng)估者主要活動(dòng)為對(duì)CPS相關(guān)功能、性能和安全指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試或評(píng)估，判斷是否滿足與業(yè)務(wù)項(xiàng)目監(jiān)理者主要活動(dòng)為執(zhí)行監(jiān)理。通過對(duì)CPS成本、效率、質(zhì)量的監(jiān)督管理，保障CPS建設(shè)的高效實(shí)施。7功能視圖7.1概述功能視圖包括業(yè)務(wù)域、融合域、支撐域、安全域四種功能域及相關(guān)功能組件(見圖5):協(xié)同功能組件；b)融合域基于感知、分析、決策、執(zhí)行的閉環(huán)功能體系，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間的融合應(yīng)c)支撐域負(fù)責(zé)為CPS提供所需的資源，包含網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和集成功能組件；d)安全域負(fù)責(zé)保障各功能域的安全，包含業(yè)務(wù)安全、基礎(chǔ)安全、物理安全和安全管理功能組件。8GB/T40020—2021業(yè)務(wù)域業(yè)務(wù)域融合域信息空間數(shù)字孿生服務(wù)數(shù)字主線數(shù)字孿生體數(shù)字模型業(yè)務(wù)建模知識(shí)封裝分析感知物理空間執(zhí)行器物理實(shí)體(人、機(jī)、料、法、環(huán))支撐域數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線集成互聯(lián)互通互操作診斷決策執(zhí)行產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同安全管理安全域傳感器圖5CPS功能視圖架構(gòu)7.2業(yè)務(wù)域業(yè)務(wù)域具體功能描述見6.2.2.2。理實(shí)體，是完成制造任務(wù)的關(guān)鍵組成要素。7.3.2信息空間功能組件信息空間功能組件負(fù)責(zé)將物理實(shí)體的身份、幾何、功能、機(jī)理、運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行數(shù)字化描述與建7.3.3數(shù)字孿生體功能組件數(shù)字孿生體功能組件能夠?qū)⑽锢韺?shí)體的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行映射，具備與物理實(shí)體交互、決策的能力，由孿生數(shù)據(jù)與數(shù)字模型組成。孿生數(shù)據(jù)能夠通過傳感器更新、運(yùn)行歷史、物理模型等將物理空間顯性、隱性數(shù)據(jù)在信息空間集中數(shù)字模型能夠在信息空間再現(xiàn)物理實(shí)體的物理屬性、功能、行為和性能等，支撐數(shù)字孿生體完成相9GB/T40020—2021e)其他模型?；跀?shù)字主線完成物理實(shí)體在信息空間的模型映射，并基于傳感監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體數(shù)字孿生服務(wù)功能組件包括：應(yīng)的物理實(shí)體全生命周期過程。在信息空間中對(duì)相應(yīng)物理實(shí)體的觀察活動(dòng)。實(shí)體狀態(tài)的評(píng)估。f)優(yōu)化：負(fù)責(zé)基于監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)和更新的不斷迭代，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體中相應(yīng)資源的持續(xù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。狀態(tài)等多源數(shù)據(jù)的全方位實(shí)時(shí)采集。GB/T40020—2021實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的記錄。a)互聯(lián)：兩個(gè)組件間應(yīng)至少存在一條傳輸鏈路，為兩個(gè)組件間的數(shù)據(jù)交換提供物質(zhì)基礎(chǔ)和可業(yè)務(wù)安全功能組件包括：c)人工智能安全：針對(duì)CPS系統(tǒng)中應(yīng)用相關(guān)人工智能技術(shù)而引發(fā)的算法模型安全、倫理道德風(fēng)基礎(chǔ)安全功能組件包括：GB/T40020—2021安全屬性，同時(shí)通過數(shù)據(jù)脫敏等技術(shù)，確保CPS系統(tǒng)相關(guān)用戶個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的安全。物理安全功能組件包括：供應(yīng)等環(huán)境防護(hù)措施，保護(hù)信息物理系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境安全。息安全風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，防止因誤操作、網(wǎng)絡(luò)攻擊等造成隨機(jī)硬件失效和系統(tǒng)性功能失效，使CPS保持設(shè)備受控狀態(tài)，保護(hù)CPS物理安全。針對(duì)CPS建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)過程中相關(guān)參與單位及組織機(jī)構(gòu)，建立安全管理制度及機(jī)制，重點(diǎn)開展安全規(guī)劃及供應(yīng)鏈安全管理、人員管理、資產(chǎn)安全管理等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界交互運(yùn)行等活動(dòng)中物理實(shí)體及虛擬信息的安全。G