智能制造概论 课件 3.1 信息物理系统

《智能制造概论》课程3.1信息物理系统

3.1.1CPS概述3.1信息物理系统

1.CPS的定义信息物理系统(CPS)也称为赛博物理系统,它是一个高度复杂且极具综合性的系统架构,涵盖了计算机、网络及物理实体等多个关键要素。从本质层面来讲,CPS是计算进程与物理进程深度融合的统一整体。3.1.1

CPS概述2.1.1工业机器人概述CPS的核心概念

CPS借助计算(Computation)、通信(Communication)、控制(Control)3C技术的有机整合与紧密协作，实现了计算、通信和控制功能的无缝集成，进而构建出下一代智能系统的核心框架，为众多领域的智能化发展提供了坚实的技术支撑和全新的发展模式。

2.CPS的特征(1)全局虚拟性和局部物理性在CPS体系内,局部物理空间所开展的各类感知活动及实施的操纵行为,具备突破整个虚拟网络边界限制的能力,进而达成安全可靠且具备即时性的远程监测与精准控制。(2)深度嵌入性嵌入式传感器与执行器的投入应用,实现了计算能力与物理组件的深度融合,将计算功能无缝融入各物理部件。基于此,物理设备被赋予了计算处理、信息通信、精准调控及远程协同等一系列多元化能力。3.1.1

CPS概述(3)以数据为中心

在CPS架构体系内,不同层级的组件及子系统均围绕数据融合展开协同运作,旨在为上层提供满足需求的支持服务。数据自物理接口传输至用户端的流程正在不断优化,并呈现出愈发直观、易懂的特性,从而保障用户可获取全面且精准的事件相关信息。(4)时间关键性

在CPS体系内,信息获取与提交的实时性状况对用户判断及决策的精准度有着直接且关键的影响。鉴于此,CPS在实际应用过程中,对于时间维度有着极为严格且明确的要求。3.1.1

CPS概述

(5)安全关键性CPS系统呈现出规模不断扩大、复杂性日益增强的特征,这对信息系统安全保障提出了更为严苛的要求。其中,尤为关键的是,要有效抵御恶意攻击所带来的重大安全风险,同时切实防范CPS用户隐私信息泄露等问题。(6)异构性CPS由众多功能和结构存在显著差异的子系统构成,这些子系统需借助有线或无线通信手段实现彼此间的协同运作。基于这一特性,CPS也被定义为混合系统。3.1.1

CPS概述

(7)高度自主性CPS的组件及其子系统均呈现出高度的自主性,具备自组织、自配置、自维护、自优化及自保护等能力。这些能力为CPS实现自感知、自决策及自控制功能提供了坚实的支撑。3.1.1

CPS概述

3.1.2CPS的发展脉络3.1信息物理系统1.赛博空间的构想(1)控制论的提出1948年,美国杰出数学家诺伯特·维纳首次正式提出了Cybernetics(控制论)这一专业术语。在古希腊的语言环境与文化背景下,其原始含义为“舵手”或“调节器”,形象地体现了对系统方向和状态进行调控的内涵。控制论作为一门融合多学科知识的理论体系,以其卓越的洞察力与普适性,为CPS中的核心控制要素提供了坚实且系统的理论支撑,进而显著促进了CPS领域相关理论与技术的创新与发展。3.1.2

CPS的发展脉络1.赛博空间的构想(2)赛博空间的构想赛博空间是对物理空间中各类要素与个体进行精准同步和建模的虚拟空间,是构建并实现CPS的镜像基础。该系统能够借助实时数据所驱动的镜像空间,动态且精准地呈现实体状态。通过构建个体空间、群体空间、环境空间、活动空间及推演空间,系统可对个体间、群体间及个体与环境间的关系展开模拟。3.1.2

CPS的发展脉络2.CPS概念的提出与发展

美国国家航空航天局(NASA)于1992年率先提出信息物理系统(CPS)的概念,并对其内涵做出明确阐释。在CPS的体系架构中,控制、通信与计算这三大核心要素,被视为支撑其稳定运行与高效运作的关键技术支柱。CPS技术凭借其可远程操控多种武器装备以执行高风险作战任务的卓越能力,迅速吸引了美国国防部的高度关注。在美国国防部的积极促成与大力推动下,CPS技术的应用范围成功从太空探索领域延伸至军事领域。3.1.2

CPS的发展脉络2.CPS概念的提出与发展

2013年,德国“工业4.0”概念在全球范围内引起了巨大反响,德国将CPS作为“工业4.0”的核心技术。2013年,德国工程院发布了“信息物理系统综合研究报告”,报告首次提出了“CPS+制造业=工业4.0”的概念,从而将CPS与“工业4.0”紧密联系在一起。3.1.2

CPS的发展脉络2.CPS概念的提出与发展在日本所推行的智能制造系统(IMS)研究体系架构中,CPS被明确列为关键研究领域,获得了高度关注与深度探究。智能制造系统可充分汲取CPS所蕴含的信息物理融合理念,进而达成对生产过程更为高效而智能的控制与管理。3.1.2

CPS的发展脉络2.CPS概念的提出与发展

2017年3月,中国在《信息物理系统白皮书(2017)》中对CPS的定义是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。3.1.2

CPS的发展脉络

3.1.3CPS的技术体系3.1信息物理系统CPS的5C技术体系架构CPS通常以智能连接层(Connection)、智能分析层(Conversion)、智能网络层(Cyber)、智能认知层(Cognition)、智能配置与执行层(Configuration)作为其5C技术体系架构。3.1.3

CPS的技术体系1.智能连接层智能连接层的核心要点在于,需紧密依据活动目标及信息分析的具体需求,开展具有明确指向性的数据采集工作,规避无目的性的盲目收集,着重突出数据的精选特性与重点聚焦原则。3.1.3

CPS的技术体系数据采集策略包括以事件为导向的采集策略、以活动目标为导向的采集策略和以设备健康为导向的采集策略。2.智能分析层智能分析层具备强大的数据处理与转化能力,能够将从各类不同资源所获取的数据精准转化为可切实应用于实际业务场景的信息。

智能分析层的核心功能就是记忆与分析,通过分析信息频率、整合海量解决方案,形成数据信息的智能筛选、储存、融合、关联、调用,从而形成自记忆能力。3.1.3

CPS的技术体系3.智能网络层智能网络层的核心任务紧密围绕CPS的系统需求展开。它针对由装备、环境及活动共同构建的大数据环境,开展存储、建模、分析、挖掘、评估、预测、优化、协同等一系列处理工作,以此获取有价值的信息和知识;同时,将这些信息和知识与装备对象的设计、测试及运行性能表征进行深度融合,构建出一个与实体空间深度契合、实时交互、相互耦合、动态更新的赛博空间。3.1.3

CPS的技术体系4.智能认知层智能认知层又称为评估与决策层,其工作内容主要包括评估与决策两个过程。在评估过程的信息分析方式上,需要改变传统的单一要素处理单一问题的静态认知过程,从而能够模仿人类的大脑活动,在错综复杂的环境和多维度因素的综合影响下,面向不同需求进行多源异构数据的动态关联、评估及预测,借以达成对物的认知,以及对物、环境、活动三者之间的动态关联、影响分析及趋势判断,进而形成自认知能力。3.1.3

CPS的技术体系5.智能配置与执行层智能配置与执行层负责将决策信息转化为各个执行机构所需的操作指令或控制逻辑,产生新的感知,并将其传回智能连接层,从而实现从决策到控制器的直接连接,形成CPS的5C技术体系架构的循环与迭代更新。

如果说从数据到信息再到决策的过程是数据从发散到收敛的过程,那么智能配置与执行层就是将收敛后的结果再发散到每个执行机构的控制逻辑传达过程,其主要难度在于控制目标与不同控制器之间的通信与同步化集成。3.1.3

CPS的技术体系依据CPS的5C技术体系架构,对该体系的目标与技术进行分析如下：3.1.3

CPS的技术体系

3.1.4CPS的应用体系3.1信息物理系统CPS的应用体系是基于价值链、产业链、生产要素、软硬件、工业互联网、数据层、映射层、认知层、服务层等建立的,是一个包括设备、库存、生产线、工厂、供应链、产品、客户等一系列要素的完整循环体系。3.1.4

CPS的应用体系

1.智能制造工厂

借助在生产设备、产品及物流系统等各个关键环节精准嵌入传感器、控制器及通信模块,成功搭建起设备间互联互通的桥梁,达成数据实时精准采集与高效传输,为智能工厂的高效运行奠定坚实基础。以西门子安贝格电子制造工厂(EWA)为例,该工厂积极引入并深度应用CPS技术,成功实现生产过程的全维度自动化与智能化转型。在CPS技术的赋能下,从原材料的初始投入阶段,到成品的最终产出阶段,整个生产流程均依托先进的信息系统,展开精准且高效的控制与优化。3.1.4

CPS的应用体系

2.预测性维护借助CPS技术,企业能够构建起一套完备且高效的工业设备监测与诊断体系,实现对工业设备运行状态的实时、精准监测,并基于先进的数据分析与算法模型开展深度故障诊断。通过这种方式,技术人员能够精准预判设备潜在故障,达成预测性维护目标,从而有效降低设备故障发生率,保障工业生产的连续性与稳定性。3.1.4

CPS的应用体系

3.卫星姿态控制

3.1.4

CPS的应用体系卫星姿态控制系统由星载控制器、姿态传感器和姿态执行器三部分组成。

3.卫星姿态控制

3.1.4

CPS的应用体系

姿态控制程序的处理流程如下:姿态传感器输入卫星姿态角变化值,星载控制器根据卫星姿态和轨道动力学方程进行计算,产生控制指令并将其输出到姿态执行器,后者通过产生控制力矩来实现姿态控制,使卫星恢复正确位姿。

4.船舶姿态控制系统3.1.4

CPS的应用体系船舶姿态控制系统主要具备的功能如下:姿态感知,通过传感器实时监测船舶的姿态信息,包括横摇、纵摇和艏摇等;数据计算,利用先进的算法对姿态数据进行处理和分析,预测船舶的运动趋势;智能控制,根据姿态数据和预测结果,自动调整控制策略,确保船舶在复杂海况下稳定航行。

5.智能交通系统3.1.4

CPS的应用体系

CPS技术凭借其