系统架构计划师教程 第11章 11.1 信息物理系统技能概述 条记 ...

11.1 信息物理系统技能概述 ★★★☆☆

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，其涉及的相干底层理论技能源于对嵌入式技能的应用与提升。
2 .CPS 的本质和定义
通过一些技能，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、盘算、通讯、控制等信息技能和自动控制技能，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、及时分析、科学决议、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，提高资源配置服从，实现资源优化。


11.1.2 CPS 的实现

1 .CPS 的体系架构
包括：单位级、系统级、 SoS 级
1)单位级
CPS最小单位，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。单位级CPS 应具有通讯功能。单 元级CPS 是具备可感知、可盘算、可交互、可延展、自决议功能的 CPS最小单位

• 系统级
  

系统级CPS基于多个单位级CPS的状态感知、信息交互、及时分析，实现了局部制造资源的自构造、自配置、自决议、自优化。系统级CPS还包罗互联互通、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位级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(单位级 CPS) 的识别，配置，更新和删 除等功能；
协同控制是指对多个单位级CPS 的联动和协同控制等；
监视与诊断主要是对单位级 CPS 的状态及时监控和诊断其是否具备应有的本领。
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、分布式盘算、大数据分析、数据服务，并在数据服务的 底子上形成了资产性能管理和运营优化服务。
2 .CPS 的技能体系
CPS 技能体系主要分为CPS总体技能、 CPS支撑技能、 CPS焦点技能。
CPS总体技能主要包括系统架构、异构系统集成、安全技能、试验验证技能等，是CPS的顶层计划技能；
CPS支撑技能主要包括智能感知、嵌入式软件、数据库、人机交互、中心件、 SDN (软件定义网络)、物联网、大数据等，是基于CPS应用的支撑；
CPS焦点技能主要包括虚实融合控制、智能装备、MBD、数字孪生技能、现场总线、工业以太网、 CAXMES\ERP\PLM\CRMSCM等，是CPS的底子技能。
四大焦点技能要素即“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)。此中
感知和自动控制是 CPS 实现的硬件支撑；
工业软件固化了 CPS盘算和数据流程的规则，是 CPS 的焦点；
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 底子，对外提供资源管控和本领服务。
1)感知和自动控制
(1)智能感知技能。
主要使用的智能感知技能是传感器技能
(2)虚实融合控制技能。
CPS虚实融合控制是多层“感知-分析-决议-执行”循环，创建在状态感知的底子上，感 知往往是及时进行的，向更高条理同步或即时反馈。包括嵌入控制、虚体控制、集控控制和目 标控制四个条理。此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 控制盘算，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、目的控制是指在现实生产的测量结果或追溯信息网络到产品数 据过程中，通过即时比对判断来生产是否达成目的。
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 工业产品使用代价的软件。
3)工业网络
CPS 中的工业网络技能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盘算、雾盘算、大数据分析等技能进行数据的加工处理， 形成对外提供数据服务的本领，并在数据服务底子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
智能计划、智能生产、 智能服务、智能应用
1)智能计划
在虚拟空间中 进行仿真，并实现迭代和改进。
(1)产品及工艺计划。
(1)产品及工艺计划。
2)智能生产
CPS 可以突破生产过程的信息孤岛征象， 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，优化生产筹划，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)康健管理。
(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)财产链互动。
(3)代价链共赢。
建设路径分为如下阶段：CPS体系计划、单位级CPS建设、系统级CPS建设和SoS级CPS建设阶段。

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