信息物理系统分析与设计（上）

信息物理系统从一定程度上体现了嵌入式系统和物联网的进一步深化通过与互联网或者 网上可搜集的数据和服务的相互结合实现更加具有广泛性、创新性和应用性的新物理空间 从而淡化了物理世界与信息世界的界限让信息物理系统能够在真正意义上发挥它的作用。信 息物理系统通过3C(Computer 、Communication 、Control) 技术的有机融合与深度协作实现 大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。信息物理系统能够实现计算、通信与物理系 统的一体化设计可使系统更加可靠、高效、实时协同具有重要而广泛的应用前景。信息物 理系统的发展促进了智能化和自动化技术的进步为人们提供了更智能、更高效、更可靠的系 统和服务。本章在介绍信息物理系统基本概念的基础上从信息物理系统架构、信息物理系统技术框 架、信息物理系统开发技术、控制系统与网络通信及系统应用场景等方面全面介绍信息物理系 统开发的相关知识。21.1 信息物理系统概述随着互联网的迅猛发展物联网IoT(Internet of Things) 愈来愈深入人类社会工作生活的 方方面面。IoT, 顾名思义即万物相连的互联网是互联网的延伸和扩展是将各种信息传感 设备与网络结合起来而形成的一个更大网络实现任何时间、任何地点人、机、物的互联互 通。信息物理系统或赛博物理系统 ( Cyber-Physical System,CPS) 作为物联网的演进引起了国内外相关科研机构、政府部门和社会的广泛关注。2006年美国科学院将CPS 列为重要研究 项目。2007年美国总统科学技术顾问委员会提出了美国信息技术领域的8个重要领域其中 CPS 居首位。我国对CPS 研究也非常重视在《国家重点基础研究发展规划、国家重大科学研 究计划2010年重要支持方向》中包含了物联网演进的内容。应用需求、科学技术创新和理论研 究的深入一起催生了CPS 的出现。CPS 正广泛应用于重要基础设施的监测与控制、国防武器系 统、环境监控、智能家居与生活辅助、航天与空间系统、自动驾驶系统、医疗监控、机器人系 统、自动飞行员电子设备、智能电网、交通物流系统等诸多领域。尤其是《中国制造2025》指 出基于CPS 的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革要围绕控制系统、工 业软件、工业网络、工业云服务和工业大数据平台等加强CPS 研发与应用。《国务院关于深 化制造业与互联网融合发展的指导意见》也明确提出构建CPS 参考模型和综合技术标准体 系建设测试验证平台和综合验证试验床支持开展兼容适配、互联互通和互操作测试验证等 工作。可见物联网、CPS 系 统正在人类社会工业化和信息化演进过程中发挥着愈来愈重要的 作用。第21章 信息物理系统分析与设计 719 1. 物联网简介物联网( IoT) 是新一代信息技术的重要组成部分物联网的核心和基础仍然是互联网其 用户端延伸和扩展到了更广泛的物理实体满足它们之间信息交换和通信的需求。因此物联 网也可以说是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备按 约定协议将任何物理实体与互联网相连接满足彼此之间信息交换和通信的要求以达到对物 理实体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理目的的一种网络。例如通过各种传感器等装 置与技术实时采集任何需要监控、互动的物体或过程的信息如声、光、热、电、力学、化 学、生物、位置等信息再通过各类可能的网络进行信息传递实现物与物、物与人的信息互 通以及对物和过程的智能化感知、识别和管理。信息处理是物联网的基本功能具体体现如下(1)信息获取。主要是信息感知、识别。信息感知是指对事物属性状态及其变化方式的捕 获信息识别指能把所感受到的事物状态用一定方式表示出来。(2) 信息传送。指信息的发送、传输、接收的通信过程即把获取的事物状态等信息从时 间(或空间)上的一点传送到另一点。(3)信息处理。指信息的加工过程即由已有或感知的信息产生新的信息的过程如制定 决策的过程。(4)信息施效。指信息发挥效用的过程它有多种表现式如通过改变物理对象的状态 使其处于与预先设计的状态一致。本质上物联网具有整体感知、可靠传输和智能处理的基本特征。具体表现如下(1)整体感知。可以利用射频识别、二维码、智能传感器等感知设备捕获物体的各类信息。(2)可靠传输。通过对有线网络、无线网络的融合将物体的信息实时、准确地传送以 便信息交流、分享。(3)智能处理。使用各种智能技术对感知和传送的数据、信息进行分析处理实现监测 与控制智能化。2.CPS简介CPS 是将计算资源与物理资源紧密结合的产物CPS 的影响将远远超越20世纪的IT 革命 就像Internet 改变了人与人交互的方式一样CPS的出现改变了人与物理世界交互的方式。CPS 是一个涉及计算、网络和物理实体的复杂系统通过3C 技术使得它们有机融合与深 度协作通过人机交互接口与物理实体交互使信息空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、 协作的方式操控一个物理实体。也就是说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、实时交互、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。本质上CPS 就是以实时、可靠、安全的网络为支撑实现一套在信息( Cyber) 空间与 物理 ( Physical) 空间之间基于数据流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准控制和执行 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720 系统分析师教程(第2版)效率实现资源优化。其中状态感知是通过不同种类传感器感知物质世界的运行状态实 时分析是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化科学决策是通过大数据平台实现异构 系统数据的流动与知识的分享精准控制和执行是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决 策的反馈响应。从微观角度来讲通常CPS 是通过在物理系统中嵌入计算与通信内核实现 计算过程( Computation Processes) 与物理过程 ( Physical Processes) 的一体化。计算过程与 物理过程通过反馈循环方式相互作用实现嵌入式计算机与网络对物理过程可靠、实时和高 效的监测、协调与控制。从宏观角度而言CPS 可理解为由运行在不同时间和空间范围的 异步、异构系统组成的具备感知、决策和控制等能力的混合系统。各个子系统之间通过基于 有线或无线通信技术组成的网络相互协调工作做到对物理系统的实时感知、远程协调、精 确控制等。CPS系统物理、信息空间关系如图21-1所示。图21-1 CPS 系统物理、信息空间关系3.CPS 与物联网关系通过前述可知CPS 是计算、通信与物理过程的综合。CPS 系统的构建使得物理系统具有 计算、通信、精确控制、远程合作和自治等能力并通过互联网络组成各种自治控制系统和信 息服务系统实现物理空间与虚拟空间的有机协调。CPS与物联网有类似的能力但CPS 更强调循环反馈要求系统能够在感知物理世界之后 通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用。物联网可以看作CPS 的一种简约应用或者 说 CPS 让物联网的定义和概念明晰起来。21.2 信息物理系统架构21.2.1 CPS分层架构CPS 可划分三级即单元级、系统级、系统之系统级 ( System of Systems,SoS)。它们之 间是一种递进、扩展关系。单元级CPS 可通过组合与集成如通过CPS 总线等互连成为更高级 CPS ( 即系统级CPS) 。系统级CPS 可通过工业云、工业大数据等平台构建成SoS 级 CPS ( 即 系统之系统级CPS), 以提供如企业级层面的数字化运营等服务。CPS 系统三级模型如图21-2 所示。第21章 信息物理系统分析与设计 721 系统之系统级系统级单元级物理实体、控制装置、传感器等图21-2 CPS系统三级模型1. 单元级 2. 系统级 图21-3 单元级CPS示例系统级CPS 是由单元级的CPS 和跨越不同单元级CPS 的网络共同构成的有机组合体其 中多个CPS 最小单元(即单元级CPS) 通过工业网络(如工业现场总线、工业以太网等)连接 在一起实现更大范围、更宽领域的数据自动流动以构成智能生产线、智能车间、智能工厂 从而实现多个单元级CPS 的互联互通和互操作进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和 精度。系统级CPS 示例如图21-4所示。图21-4 系统级CPS示例3. 系统之系统级SoS 级CPS 是由多个系统级CPS通过CPS 智能服务平台有机融合在一起的组合体。换言 之通过CPS 智能服务平台对若干系统级CPS 的工作状态进行统一监测、实时分析、集中管 控利用数据融合、分布式计算、大数据分析技术对多个系统级CPS 的生产计划、运行状态、 生命周期估计等进行统一监管实现企业级远程监测诊断、供应链协同、预防性维护等通 过大数据平台实现跨系统、跨平台的互联互通和互操作促成多源异构数据的集成、交换 和共享的闭环自动流动在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行 以实现更大范围内的资源优化配置避免资源浪费。系统之系统级CPS 示例如图21-5所示。CPS智能服务平台资产/环境管理 运营服务企业资产管理优化 预防性维护 制造管控 个性化定制环境安全管理 远程监控诊断 供应链协同 运维管理…… …… 实体管理 协同控制系统级CPS系统级CPS工业网络监视与诊断 网络协议互通 数据互操作 异构系统互连 感知 信息空间计算 控制 通信 感知 信息空间计算 控制 通信传感器物理空间执行器 交互传感器物理空间执行器 交互……物理实体(机器、人等) 物理实体(机器、人等)图21-5 系统之系统级CPS示例可以说SoS 级CPS 是基于大数据平台通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资 源等方式加速了各类工业 App和平台软件的出现以提供更多增值服务。21.2.2 CPS典型系统构成通常CPS 由一些基本功能单元组成这些基本功能单元包括传感器 ( Sensor) 、 执行器 (Actuator) 和决策控制单元( Decision-making Control Unit ) 等 。传感器是一种嵌入式设备能 够监测、感知外界信号、物理条件(如光、热)或化学组成(如烟雾等);执行器是一种嵌入式第21章 信息物理系统分析与设计 723 设备能够接收控制指令并对受控对象施加控制作用决策控制单元是一种逻辑控制设备能 够根据用户定义的语义规则生成控制逻辑。CPS 从逻辑上划分为决策层、网络层和物理层。决策层通过语义逻辑运算等方式实现用户、 感知和控制系统之间的逻辑耦合网络层通过网络传输处理等过程连接CPS 在不同空间、时间 的子系统物理层是CPS 与物理实体的接口实现感知与控制计算。CPS 基本部件基于反馈循环控制机制执行CPS 最基本的监测与控制功能。传感器与执行器 是物理和信息空间的枢纽决策控制单元根据控制规则触发监测任务。传感器将感知信息反馈 给决策控制单元决策控制单元将其作为控制规则算法的输入经过计算得到控制指令。执行器 根据控制指令操控物理对象。CPS可以是运行在不同时间和空间范围的闭环系统而且感知、决策和控制执行子系统大 多不在同一地理位置。逻辑上紧密耦合的基本功能单元依托于强大计算资源和数据库的网络基 础设施(如Internet、数据库、知识库服务器、传输网络等)构成了CPS 完整系统通过它实现 本地或者远程监测和控制物理实体。在实际应用中通常将大量传感器以无线通信方式自组织成网络(传感器网络),协同完成 对物理环境或物理对象的监测感知。传感器网络对感知数据做进一步的数据融合处理将得到 的信息通过网络基础设施传递给决策控制单元决策控制单元与执行器通过网络层实现对物理 机构的控制。21.2.3 CPS特点CPS 通过打通两大空间(信息空间和物理空间),在数据闭环自动流动的四个过程(状态感 知、实时分析、科学决策、精准执行)中实现物理系统的业务功能。(1) CPS 控制系统通常是封闭系统网络内部各个独立的子系统或者设备难以通过开放总 线或者互联网进行互联其通信距离很短通信功能比较弱。(2)C PS 采用分布式应用系统进行构建通常系统复杂度高规模庞大。CPS 对网络内部 设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量特别是网络规模远远超过现有工 控网络。(3)海量运算是CPS 接入设备的普遍特征。接入设备通常具有强大的计算能力。(4)感知是CPS 的基础。自然界中各种物理量的变化绝大多数是连续的或者说是模拟 的而信息空间数据则具有离散性。从物理空间到信息空间的信息流动需要经过一系列处理 如通过各种类型传感器将物理量转换为模拟量再通过ADC ( 模数转换器)变成数字量才可 被信息空间所接收。(5) CPS 应用广泛性。CPS 涵盖了诸多领域小到智能家庭网络大至工业控制系统乃至 智能交通系统等国家级甚至世界级应用。值得一提的是CPS 催生了众多具有计算、通信、控 制、协同和自治性设备的出现。而它们的出现反过来又推动了CPS 的发展。另外CPS 具有与传统的实时嵌入式系统和监控与数据采集系统( Supervisory Control And Data Acquisition Systems, SCADA) 不同的特质。主要体现在如下几方面(1)全局虚拟( Globally Virtual)、局部物理( Locally Physical) 性。局部物理世界发生的 724 系统分析师教程(第2版)感知和操作可以通过虚拟网络被安全、可靠、实时地观察和控制。(2)深度嵌入性 ( Deeply Embedded)。嵌入式传感器与执行器是将计算嵌入物理部件 甚至可能嵌入物质里使物理设备具备计算、通信、控制、远程协作和自治等能力尤其是将 计算作为物理对象的一部分。(3)事件驱动 ( Event Driven) 性。物理环境和对象状态的变化构成CPS 事件形成“事 件→感知→决策→控制”的闭环过程最终改变物理对象状态。(4)以数据为中心( Data-Centric) 。CPS各个层级的部件与子系统都围绕数据融合 (Data Fusion) 向上提供服务数据沿着从物理世界接口到用户的路径上不断提炼、抽象用户最终 得到全面的、精确的事件信息。(5)时间关键 ( Time-Critical) 性。物理世界的时间是不可逆转的应用可能对CPS的时 间性( Timeliness) 提出严格要求信息获取和提交的实时性影响用户的判断与决策尤其是在 重要基础设施领域。(6)安全关键 ( Security/Safety-Critical) 性。CPS 的系统规模与复杂性对信息系统安全提 出更高要求。主要是防范恶意攻击如通过计算进程对物理进程(控制)的严重威胁CPS 用 户被动暴露隐私等问题。CPS 安全性需要同时考虑系统自身的安全性( Safety) 、外部攻击下的 安全性 ( Security), 以及用户隐私(Privacy)。(7)异构( Heterogeneous) 性。CPS 包含了许多功能与结构各异的子系统各个子系统 之间需要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。为此CPS 也被称为混合系统 ( Hybrid Systems) 或者系统的系统 ( System of Systems)。(8)高可信赖( Highly Dependable) 性。物理世界不是完全可预测和可控的对于意想 不到的情况应保证CPS 鲁棒性( Robustness); 同时系统应满足可靠性( Reliability)、效率 (Efficiency)、可扩展性( Scalability) 和适应性( Adaptability) 等要求。(9)高度自主性( Highly Autonomous)。CPS部件与子系统通常具备自组织( Self-organizing)、 自配置( Self-configuration)、自维护( Self-maintenance)、自优化( Self-optimization) 和自保护 (Self-protecting) 能力支持CPS 完成自感知( Self-sensing)、自决策( Self-determination) 和 自控制( Self-control)。(10)领域相关性( Domain-Specific) 。CPS 与领域强相关与工程应用领域密不可分CPS 应用于诸如汽车、石油化工、航空航天、制造业、民用基础设施等领域需要满足不同领域对 系统容错、安全、集中控制等方面的差异化诉求。21.3 信息物理系统技术框架21.3.1 CPS技术概况技术上CPS 涉及核心技术和支撑技术两类。CPS 核心技术主要有虚实融合控制、智能 装备、MBD( Model Based Definition, 基于模型定义)、数字孪生、现场总线、工业以太网、 CAX(Computer Assisted X),MES(Manufacturing Execution System, 制造执行系统),ERP (Enterprise Resource Planning, 企业资源计划),PLM(Product Lifecycle Management, 产品生命周期管理),CRM(Customer Relationship Management, 客户关系管理),SCM(Supply Chain Management, 供应链管理)等基础技术。CPS 支撑技术主要有智能感知、嵌入式软件、数据库、 人机交互、中间件、软件定义网络( Software Defined Network,SDN)、物联网、大数据等方面 技术提供对CPS 应用的支撑。21.3.2 CPS核心技术总体来说CPS包含四大方面核心技术即感知和自动控制、工业软件、工业网络、工业 云和智能服务平台相关技术。(1)感知和自动控制。感知和自动控制是CPS 实现的硬件支撑。其主要有智能感知技术和 虚实融合控制技术。(2)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。其主要涉及 嵌入式软件技术、MBD 技术、CAX/MES/ERP软件技术等。(3)工业网络。工业网络是工业监测和控制数据等在人、机、物之间传输的网络载体其 采用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 等。(4)工业云和智能服务平台。工业云和智能服务平台是CPS数据汇聚和支撑上层应用解决 方案的基础对外提供资源管控和能力服务。其采用的主要技术有边缘计算技术、雾计算技术、 大数据分析技术等。