智能制造技术基础 课件 4.4信息物理系统

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信息物理系统是物联网的升级和发展，所有的网络节点、计算、通信模块和人都是系统中的一份子。

德国对于工业4.0的定义是“以信息物理系统为基础的智能化生产”。其核心理论就是通过信息物理系统实现人、设备与产品的实时联通、相互识别和有效交流，从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智造体系。信息物理系统信息物理系统定义

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。信息物理系统是支撑信息化和工业化深度融合的一套综合技术体系。借助CPS，可以实现智能制造系统中的各子系统之间的连接和沟通。白皮书定义：信息物理系统是一个综合计算、通信和控制技术（3C技术）的智能化系统。PhysicalComputationCommunicationControlCyberInformation3C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。信息物理系统定义从本质上说，信息物理系统是一个具有控制属性的网络。（1）消除物理世界和虚拟世界的差异，业务可以广泛协同，数据可以随需传递，资源可以整合共享。（2）打破企业内、企业间和全产业链的，人、机器、物料、产品之间的连接壁垒，释放整个工业体系潜能。（3）打破工业与商业之间的壁垒，实现以客户为中心、个性化量产以及工业服务化等模式。通过CPS，可以信息物理系统定义

信息物理系统是以人、机、物的融合为目标的计算技术，因此，信息物理系统又称为“人-机-物”融合系统。

在微观上，信息物理系统可以利用嵌入式计算机与网络对物理世界活动进行实时和高效的监测、协调与控制。

在宏观上，信息物理系统是由运行在不同时间和空间范围的、分布式的子系统组成的动态混合系统。信息物理系统定义CPS结构体系通过语义逻辑计算，实现用户、感知和控制系统之间的逻辑耦合通过网络传输计算，连接CPS在不同空间与时间的子系统体现的是感知与控制计算，是CPS与物理世界的接口决策层网络层物理层CPS

传感器作为信息物理系统中的末端设备，也可视为CPS中的一个重要的组成部分。从物理空间到信息空间的信息流动，必须通过传感器将物理量转换成模拟量，再通过数字转换器变成数字量，被信息空间接受。CPS结构体系基本组件CPS结构体系CPS传感器决策控制单元执行器监测、感知外界信号、物理条件接收控制指令、控制受控对象根据用户定义语义规则生成控制逻辑决策控制单元执行器被控对象传感器用户规则输入控制指令控制量感知信息输出信息物理系统反馈环CPS结构体系

CPS是运行在不同时间和空间范围的闭环系统，且感知、决策和控制执行子系统大多不在同一位置。必须依存于拥有强大计算资源和数据库的网络基础设施，从而实现本地或者远程监测，并影响物理环境。CPS结构体系CPS特征1）全局虚拟性、局部物理性

可以跨越整个虚拟网络，对局部物理世界进行安全、可靠、实时地观察和控制。2）深度嵌入性

嵌入式传感器与执行器使计算成为物理世界的一部分。3）事件驱动性

物理环境和对象状态的变化构成“CPS事件”：触发事件→感知→决策→控制→事件的闭环过程，最终改变物理对象状态。4）以数据为中心CPS各个层级的组件与子系统都围绕数据融合向上层提供服务，用户最终得到全面、精确的事件信息。5）时间关键性

CPS的应用对时间性有着严格的要求，信息获取和提交的实时性会影响用户的判断与决策精度。CPS特征7）异构性CPS包含了许多功能与结构各异的子系统，CPS也被称为混合系统或者系统的系统。8）高可信赖性

必须保证CPS的鲁棒性、可靠性、高效性、可扩展性和适应性。CPS特征6）安全关键性防范：恶意攻击，用户隐私暴露9）高度自主性

组件与子系统可以支持CPS完成自感知、自决策和自控制。10）领域相关性

在特殊的工程应用领域，CPS还着眼于这些系统的容错、安全、集中控制和社会等方面的影响。CPS特征CPS的关键技术关键技术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“一硬”“一软”“一网”“一平台”“新四基”（1）智能感知技术1、感知和自动控制

传感器技术是智能感知技术的核心，通过传感器能够探测、感知外界的信号、物理条件或化学组成，并将探知的信息传递给其它装置。CPS的关键技术1、感知和自动控制（2）虚实融合控制技术嵌入控制虚体控制集控控制目标控制物理实体信息虚体多实体、信息虚体集成生产目标CPS的关键技术2、工业软件工业软件嵌入式软件技术MBD技术CAX/MES/ERP软件技术CAX生产执行系统企业资源管理计划采用三维模型来完整地表达产品的结构信息、几何形状信息、三维尺寸标注和制造工艺信息把软件嵌入在工业装备或工业产品之中，控制、监测、管理各种设备和系统的运行CAD、CAM、CAE、CAPPCPS的关键技术3、工业网络

工业网络技术可以帮助信息在现场设备层到企业层之间的顺畅流动。

在接入技术上，主要通过有线网络、无线网络和工厂网络。

从网络类型来分，既有专用协议局域网，也有公共互联网。物联网工业互联网CPS的关键技术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技术、雾计算技术、大数据分析技术等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。大数据技术云计算技术CPS的关键技术CPS的应用CPS的应用产品及工艺设计生产线设计CPS的应用CPS的应用运维与服务健康管理CPS的应用智能维护远程诊断CPS的应用协同优化CPS的应用CPS的应用共享服务

通过构建工业数据分析与信息服务平台，将某一智能装备的信息与知识进行共享，正在运行的该智能装备可以其它智能装备进行分析运算，并依此进行活动优