第二章信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設和應用31、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.1什么是CPS傳統(tǒng)制造是通過人對機器的直接操作控制去完成各種工作任務。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.1什么是CPS與傳統(tǒng)制造相比,智能制造發(fā)生的最本質(zhì)的變化是：在人與物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)（CyberSystem），信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)組成了信息-物理系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem)1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.2怎么理解“CPS”Cyber-PhysicalSystem——網(wǎng)絡和物理系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起的系統(tǒng)。Cyber——通信和控制;離散的，邏輯型的，交換的計算。Physical——受物理定律的支配并持續(xù)運行的自然和人為系統(tǒng)?！?006年美國科學基金會（NSF）1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.3“CPS”的由來美國作家威廉·吉步森在1982年創(chuàng)造并使用了“cyberspace”一詞“Cyber”一詞最早可追溯至自希臘語單詞Kubernetes，意思是掌舵人1948年，諾伯特·維納在《控制論》中創(chuàng)造并使用了“Cybernetics”一詞“Cybernetics”由錢學森于1954年所著的《EngineeringCybernetics》所使用幾年后，錢學森在1958年發(fā)布的該書的中文版中，將“Cybernetics”翻譯為了“控制論”CPS這一術(shù)語最先是由美國國家航空航天局（NASA）在1992年提出的2006年，國際上舉行了第一個信息物理系統(tǒng)的研討會（NSFWorkshoponCyber-PhysicalSystems）1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的定義CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書（2017）》1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的本質(zhì)信息物理系統(tǒng)的本質(zhì)就是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應用服務過程中的復雜性與不確定性,提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化。——《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》CPS本質(zhì)1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.4CPS的本質(zhì)狀態(tài)感知：對外界數(shù)據(jù)的獲取，如物理實體的尺寸、外部環(huán)境的溫度、液體流速、壓強等數(shù)據(jù)；實時分析：對顯性數(shù)據(jù)的進一步理解，是將感知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成認知的信息的過程；科學決策：對信息的綜合處理，在這一環(huán)節(jié)CPS能夠權(quán)衡判斷當前時刻獲取的所有來自不同環(huán)境下的信息，形成最優(yōu)決策來對物理實體空間進行控制；精準執(zhí)行：對決策的精準物理實現(xiàn)，執(zhí)行的本質(zhì)是將信息空間產(chǎn)生的決策轉(zhuǎn)換成物理實體可以執(zhí)行的命令。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.5CPS的特征CPS作為溝通信息世界和物理世界的橋梁，它表現(xiàn)出六大典型特征，總結(jié)為：1.數(shù)據(jù)驅(qū)動：通過構(gòu)建“狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行”數(shù)據(jù)的自動流動的閉環(huán)賦能體系，CPS將隱形的數(shù)據(jù)從物理空間中顯性得轉(zhuǎn)化到信息空間上，進而迭代更新匯集成知識庫。轉(zhuǎn)化過程中，狀態(tài)實時分析數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)做出科學決策判斷；精準執(zhí)行后，將數(shù)據(jù)作為輸出結(jié)果，展示出來。因此，數(shù)據(jù)是CPS的重中之重。2.軟件定義：工業(yè)軟件是對工業(yè)各類工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)律的代碼化，支撐了絕大多數(shù)的生產(chǎn)制造過程。作為面向制造業(yè)的CPS，軟件就成為了實現(xiàn)CPS功能的核心載體之一。3.泛在連接：網(wǎng)絡通信是CPS的基礎(chǔ)保障，能夠?qū)崿F(xiàn)CPS內(nèi)部單元之間以及其它CPS之間的互聯(lián)互通。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡通信將會更加全面深入地融合信息空間和物理空間，表現(xiàn)出明顯的泛在連接特征，實現(xiàn)在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信。4.虛實映射：CPS構(gòu)筑信息空間與物理空間數(shù)據(jù)交互的閉環(huán)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)信息虛體與物理實體之間的交互聯(lián)動。其中，“數(shù)字孿生”是虛實映射的基礎(chǔ)。5.異構(gòu)集成：軟件、硬件、網(wǎng)絡、工業(yè)云等一系列技術(shù)的有機組合構(gòu)建了一個信息空間與物理空間之間數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)系統(tǒng)。CPS能夠?qū)悩?gòu)硬件、異構(gòu)軟件、異構(gòu)數(shù)據(jù)及異構(gòu)網(wǎng)絡集成起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在信息空間與物理空間不同環(huán)節(jié)的自由流動。因此，CPS必定是一個對多方異構(gòu)環(huán)節(jié)集成的綜合體。6.系統(tǒng)自治：CPS能夠根據(jù)感知到的環(huán)節(jié)變化信息，在信息空間進行處理分析，自適應地對外部變化做出有效響應。1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.5CPS的特征1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ扔捎贑PS是一個復雜且較為綜合性的概念，因此在CPS的理解上存在著一些難點。因此就CPS系統(tǒng)和以往一些概念（物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)）做對比，以澄清CPS系統(tǒng)與現(xiàn)有概念的差別與優(yōu)勢。CPS=物聯(lián)網(wǎng)？CPS=嵌入式系統(tǒng)？a）CPS與物聯(lián)網(wǎng)對比1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ菴PS與物聯(lián)網(wǎng)在原理和工作重點方面的區(qū)別原理物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是基于無線連接實現(xiàn)感知的，其控制與計算的成分占的并不多。它往往是一個物理實體通過傳感器感知某項活動后，然后將狀態(tài)信息交給其他物理實體去決策與執(zhí)行的過程。CPS在完成信息傳遞的功能之外，還要負責協(xié)調(diào)物理實體之間的工作，并且其本身的計算能力也更加強大，從而最終能夠?qū)崿F(xiàn)自治的目標。工作重點物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)物物相聯(lián)與信息傳輸CPS強調(diào)物理世界和信息世界之間實時的、動態(tài)的信息回饋、循環(huán)過程CPS1、信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1.6CPS的橫向?qū)Ρ萢）CPS與嵌入式系統(tǒng)對比CPS與嵌入式系統(tǒng)在概念和工作范圍方面的區(qū)別概念嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是用于嵌入式微電腦上的操作系統(tǒng)CPS系統(tǒng)是一個信息物理的混合系統(tǒng)，是一個跨學科跨領(lǐng)域的概念工作范圍嵌入式系統(tǒng)較為單一地工作在特定的嵌入式環(huán)境當中CPS系統(tǒng)不僅要監(jiān)控一個嵌入式設備的運作，還要負責不同嵌入式設備間的交互，并以他們之間的交互信息進行工作上的協(xié)調(diào)。通俗地說，CPS就是把嵌入式系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，并協(xié)調(diào)其運作。CPS信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設和應用32、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次CPS的三個層次

將CPS劃分為單元級、系統(tǒng)級、SoS級（SystemofSystems，系統(tǒng)之系統(tǒng)級）三個層次。單元級CPS可以通過組合與集成（如CPS總線）構(gòu)成更高層次的CPS，即系統(tǒng)級CPS；系統(tǒng)級CPS可以通過工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)等平臺構(gòu)成SoS級的CPS，實現(xiàn)企業(yè)級層面的數(shù)字化運營?！缎畔⑽锢硐到y(tǒng)白皮書》，20172、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（1）單元級CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元物理設備是實際存在的，可以通過傳感器可以感知外部信號，如聲、光、電、煙霧等，經(jīng)過執(zhí)行器能夠接收控制指令并對物理實體進行控制。信息外殼（Informationshell）包括感知、計算、控制與通信功能，是物理設備與信息世界通信的接口與橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)物理實體的“數(shù)字化”，信息世界可以通過信息外殼和外界實體進行感知和交互。2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（1）單元級CPS——具有不可分割性的信息物理系統(tǒng)的最小單元單元級CPS的智能機床計算感知決策執(zhí)行2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（2）系統(tǒng)級CPS——“一硬、一軟、一網(wǎng)”的有機組合系統(tǒng)級CPS由多個單元級CPS來構(gòu)建，單元級CPS之間的交互是通過工業(yè)網(wǎng)絡（如工廠現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）來實現(xiàn)的，由此達到數(shù)據(jù)的大范圍、寬領(lǐng)域的自動流動。通過引入網(wǎng)絡，實現(xiàn)了多個單元級CPS間的協(xié)同調(diào)配，進而提高了制造資源配置的優(yōu)化廣度、深度和精度。硬件軟件工業(yè)網(wǎng)絡2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（2）系統(tǒng)級CPS——“一硬、一軟、一網(wǎng)”的有機組合單元級CPS智能機床單元級CPS智能AGV…單元級CPS智能輸送線工業(yè)網(wǎng)絡產(chǎn)線CPS系統(tǒng)級CPS的產(chǎn)線2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（3）SoS級CPS——多個系統(tǒng)級CPS的有機組合硬件軟件網(wǎng)絡工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺SoS級CPS的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合，從而對內(nèi)進行進行資產(chǎn)優(yōu)化，對外形成運營優(yōu)化服務。其主要功能有：數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)融合、分布式計算、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務，并在數(shù)據(jù)服務的基礎(chǔ)上形成資產(chǎn)性能管理與運營優(yōu)化服務。2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1CPS的三個層次（3）SoS級CPS——多個系統(tǒng)級CPS的有機組合

COSMOPlat是海爾推出的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)、全球首家引入用戶全流程參與體驗的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。海爾利用COSMOPlat將用戶需求和整個智能制造體系連接起來，讓用戶可以全流程參與產(chǎn)品設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、物流配送、迭代升級等環(huán)節(jié)，把以往“企業(yè)和用戶之間只是生產(chǎn)和消費關(guān)系”的傳統(tǒng)思維轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)造用戶終身價值”。SoS級CPS的COSMOPlat2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（1）感知和自動控制A.智能感知技術(shù)傳感器技術(shù)是智能感知技術(shù)的核心。傳感器（Sensor）是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置。B.自動控制技術(shù)CPS虛實融合控制是多層“感知-分析-決策-執(zhí)行”循環(huán)，建立在狀態(tài)感知的基礎(chǔ)上，感知往往是實時進行的，向更高層次同步或即時反饋。包括嵌入控制、虛體控制、集控控制和目標控制四個層次。執(zhí)行實時感知分析決策空調(diào)自動控制室溫過程溫度傳感器溫度大于（小于）設定值降低（升高）溫度制冷（制熱）2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（2）工業(yè)軟件誰是世界上最大的軟件公司？微軟？谷歌？蘋果？如果僅看代碼行數(shù)，一直青睞工業(yè)軟件的美國最大軍火商洛克希德·馬丁公司早已超過微軟成為世界上最大的軟件公司。

大家是否知道，當年NASA的碼農(nóng)女神——軟件首席工程師瑪格麗特，給阿波羅飛船寫的導航和登錄程序代碼量有多大？打印出來的紙堆起來比她還高！正是這一堆打印紙上承載的瑪格麗特發(fā)明的“異步軟件”，讓阿波羅11號避免了登月前軟件程序混亂到近乎崩潰的“黑色三分鐘”，在月球表面成功著陸。她寫的代碼把人類帶上了月球。2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（2）工業(yè)軟件工業(yè)軟件（IndustrialSoftware）是指專用于工業(yè)領(lǐng)域，為提高工業(yè)企業(yè)研發(fā)、制造、生產(chǎn)、服務與管理水平以及工業(yè)產(chǎn)品使用價值的軟件。工業(yè)軟件是智能制造領(lǐng)域最為重要的一環(huán)。A.企業(yè)資源管理系統(tǒng)：ERP（Enterpriseresourceplanning）

ERP促進所有業(yè)務職能之間的信息流動，并管理與外部利益相關(guān)者的聯(lián)系。B.產(chǎn)品全生命周期管理軟件：PLM（ProductLifecycleManagement）

包括各類CAX軟件，如CAD、CAM、CAE、CAPP等，CAX軟件是CPS信息虛體（二維、三維模型、生產(chǎn)工藝等）的載體。信息虛體的原始要素定義，以及信息虛體之間接口的定義，都是通過CAX軟件實現(xiàn)。C.生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)：MES（Manufacturingexecutionsystem）MES是用于制造，跟蹤和記錄原材料到成品的轉(zhuǎn)換的計算機化系統(tǒng)，MES提供的信息有助于制造決策者了解如何優(yōu)化工廠現(xiàn)有條件以提高產(chǎn)量。ERPPLMMES2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.2CPS的關(guān)鍵技術(shù)（3）工業(yè)網(wǎng)絡信息從現(xiàn)場設備層，向上經(jīng)由多個層級流入企業(yè)層，這是經(jīng)典的工業(yè)控制網(wǎng)絡金字塔層次模式。盡管這一模式得到了業(yè)界的廣泛認同，但其中各層次之間的數(shù)據(jù)流動并不順暢。CPS中的工業(yè)網(wǎng)絡技術(shù)將顛覆傳統(tǒng)的基于金字塔分層模型的自動化控制層級，轉(zhuǎn)而尋求基于分布式的全新范式，既去中心化的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生數(shù)字孿生：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程?！吨悄苤圃煨g(shù)語解讀》（1）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的定義數(shù)字孿生技術(shù)是CPS的虛實映射特點的基礎(chǔ)，為實現(xiàn)CPS提供了清晰的思路、方法和實施途徑。

智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒有Digitaltwin對現(xiàn)實生產(chǎn)體系的準確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法落實。2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生（2）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應用美國國防部最早提出利用DigitalTwin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。數(shù)據(jù)流動與信息鏡像飛行器虛擬模型2、信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2.3CPS王冠上的明珠——數(shù)字孿生（2）數(shù)字孿生（DigitalTwin）的最早提出及應用三軸抓取機器人立體倉庫加工中心分檢設備虛擬世界狀態(tài)感知物理世界實時控制信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵1信息物理系統(tǒng)的實現(xiàn)2信息物理系統(tǒng)的建設和應用33、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.1CPS的建設

建設CPS的過程中要充分考慮信息物理系統(tǒng)的層級特征，不同的階段，應根據(jù)實際情況采取不同的應對措施。CPS的建設是循序漸進、逐漸深入的，其建設路徑可以分為如下幾個階段：CPS體系設計針對應用模式、層次架構(gòu)、安全體系、標準規(guī)范體系等方面開展CPS建設相關(guān)的整體體系設計。單元級CPS建設提升感知外部環(huán)境信息、實現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵能力。為制造工藝與流程數(shù)字化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與控制基礎(chǔ)。系統(tǒng)級CPS建設實現(xiàn)對多個單元級CPS之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)各組成CPS之前的協(xié)同控制能力。SoS級CPS建設實現(xiàn)多個系統(tǒng)級CPS的有機組合，在具體建設上應將大數(shù)據(jù)平臺、智能服務平臺的建設作為重點。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.1CPS的建設在CPS技術(shù)體系的建設和應用上，需要結(jié)合企業(yè)實際情況進行路線規(guī)劃和逐步開展建設和應用。具體執(zhí)行過程中，遵循五統(tǒng)一指導原則實體制造與虛擬制造的統(tǒng)一層次性與系統(tǒng)性的統(tǒng)一繼承性與創(chuàng)新性的統(tǒng)一理論性與指導性的統(tǒng)一階段性與演進性的統(tǒng)一3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景CPS在制造業(yè)應用概覽目前，CPS受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并已在多個環(huán)節(jié)得到應用和體現(xiàn)。從智能設計、智能生產(chǎn)、智能服務、智能應用這四個方面，結(jié)合CPS的關(guān)鍵特征和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)對CPS的應用場景進行闡述和說明。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景1.智能設計隨著CPS不斷發(fā)展，在產(chǎn)品及工藝設計、生產(chǎn)線或工廠設計過程中，企業(yè)流程正在發(fā)生深刻變化，研發(fā)設計過程中的試驗、制造、裝配都可以在虛擬空間中進行仿真，并實現(xiàn)迭代、優(yōu)化和改進。CPS在生產(chǎn)線上的設計

在生產(chǎn)線設計方面，首先建立產(chǎn)品生產(chǎn)線的初步方案，初步形成產(chǎn)品的制造工藝路線，通過采集實際和試驗所生成的工時數(shù)據(jù)、物流運輸數(shù)據(jù)、工裝和工具配送數(shù)據(jù)等，在軟件系統(tǒng)中基于工藝路線建立生產(chǎn)線中的人、機械、物料等生產(chǎn)要素與生產(chǎn)線產(chǎn)能之間的信息模型。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景2.智能生產(chǎn)

CPS是實現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)中物理空間與信息空間聯(lián)通的重要手段和有效途徑。從資源管理、生產(chǎn)計劃與調(diào)度來對整個生產(chǎn)制造進行管理、控制以及科學決策，使整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的資源處于有序可控的狀態(tài)。柔性制造應用場景CPS結(jié)合CAX、MES、自動控制、云計算、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、RFID射頻識別等先進技術(shù)或設備，實現(xiàn)整個智能工廠信息的整合和業(yè)務協(xié)同，方便設備、人員的快速調(diào)整，提高了整個制造過程的柔性,為企業(yè)的柔性制造提供了技術(shù)支撐。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景3.智能服務CPS在健康管理、智能維護、遠程診斷、協(xié)同優(yōu)化、共享服務等方面提供智能服務。建立個體與群體（個體）、群體與系統(tǒng)的相互協(xié)同一體化工業(yè)云服務體系，能夠更好地服務于生產(chǎn)，實現(xiàn)智能裝備的協(xié)同優(yōu)化。CPS在預防維護中的應用應用建模、仿真測試及驗證等技術(shù)，基于裝備虛擬健康的預測性智能維護模型，構(gòu)建裝備智能維護CPS系統(tǒng)。裝備智能維護CPS系統(tǒng)依據(jù)各裝備實際活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行獨立化的數(shù)據(jù)分析與利用，提前發(fā)現(xiàn)問題并處理，延長資產(chǎn)的正常運行時間.3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.2CPS應用場景4.智能應用

制造業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的信息物理融合和價值共同創(chuàng)造，將設計者、生產(chǎn)者和使用者的單調(diào)角色轉(zhuǎn)變?yōu)樾聝r值創(chuàng)造的參與者，并通過新型價值鏈的創(chuàng)建反饋到產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型，從根本上調(diào)動生產(chǎn)流程中各個參與者的積極性和創(chuàng)造力，最終實現(xiàn)業(yè)態(tài)融合的制造業(yè)轉(zhuǎn)型。船舶、飛機等重資產(chǎn)裝備，普遍操作難度大，安全性要求高，CPS很好的解決了裝備智能化的問題。通過裝備狀態(tài)感知和實時計算，學習認知裝備操控過程知識，建立無人智能設備，同時構(gòu)建CPS智能膠囊，在同類型的裝備上進行模型移植，實現(xiàn)設備智能化能力的低成本快速推進。無人裝備應用場景3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用1智能交通CPS背景CPS如何改善這種情況基礎(chǔ)設施城際交通每年發(fā)生大量交通事故，原因是長途交通，高速運行。車載網(wǎng)絡系統(tǒng)車輛間互聯(lián)通信路況報告汽車收集路況和傳感器信息汽車用手機或WiFi網(wǎng)絡向服務器傳遞信息用戶登錄服務器可瀏覽實時路況、個人駕駛習慣。路——壓力傳感器、無線通信基站(wifi)、用于計算的后端服務器；車——無線通信設備、顯示和視頻設備；司機——用于接收SMS的手機。3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用1智能交通CPS1.車輛進入高速公路的入口，并加入網(wǎng)絡2嵌入式傳感器檢測到的交通信號（速度，狀態(tài)）3.數(shù)據(jù)庫連接和操作4.為車輛準備有用信息5.消息將發(fā)送到網(wǎng)絡中的每個節(jié)點：無線電臺，手機6.加入該網(wǎng)絡的車輛，將定期收到通知，并顯示在輸出設備7.接收服務器傳輸?shù)姆涓C設備的短信3、信息物理系統(tǒng)的建設和應用3.3CPS的典型應用美國國防部推勵CPS技術(shù)進入到軍事領(lǐng)域，其無人機作站系統(tǒng)能夠在軍事基地控制數(shù)千公里外的無人機，對目標進行偵察、打擊，得益于美國無人機系統(tǒng)利用CPS技術(shù)隨時獲取了所需要的時空信息，對無人機偵察、打擊所需要的各種要素進行評估，并進行了數(shù)字化的展示。單元級CPS系統(tǒng)級CPSSoS級CPS2軍事應用CPSThankyouforlistening!謝謝聆聽!第三章智能制造系統(tǒng)架構(gòu)及參考模型智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國制造202541、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.1參考模型的由來來自五湖四海的室友們在智能制造概念提出不久，智能制造獲得歐、美、日等國家的普遍重視，為促進相互理解和溝通，需要構(gòu)建統(tǒng)一的模型來對關(guān)注問題的達成共識并確定參考模型所需術(shù)語及其定義，以方便理解與交流。1、CPS的概念I(lǐng)EC61970-2提供正在處理的問題空間的可視化的抽象結(jié)構(gòu)，提供描述和討論解決方案的語言，定義術(shù)語并提供旨在獲得被解決問題相互理解的其他類似的幫助。IEC62443-1-1許多系統(tǒng)模塊和接口能以一致性方式進行描述的結(jié)構(gòu)。ISO/IEC14543-2-1在系統(tǒng)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中描述互聯(lián)的通用原則的模型。ISO/IEC14776-411用于以與實現(xiàn)無關(guān)的方式規(guī)定系統(tǒng)要求的標準模型。智能制造參考模型是一個通用模型，適用于智能制造全價值鏈的所有合作伙伴公司的產(chǎn)品和服務，它將提供智能制造相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建、開發(fā)、集成和運行的一個框架，通過建立智能制造參考模型可以將現(xiàn)有標準（如工業(yè)通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、設備集成、數(shù)字工廠等），擬制定的新標準（如語義化描述和數(shù)據(jù)字典、互聯(lián)互通、系統(tǒng)能效、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）一起納入一個新的全球制造參考體系。1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.2參考模型的定義2.智能制造參考模型將有助于行業(yè)推廣工作3.智能制造參考模型建立將指導智能制造相關(guān)標準梳理和布局1.對智能制造概念及范圍進行界定目標1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.3參考模型的建設目標序號模型名稱制定組織1工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0德國工業(yè)4.0平臺2智能制造生態(tài)系統(tǒng)SMS美國國家標準與技術(shù)研究院NIST3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC4智能制造系統(tǒng)架構(gòu)IMSA中國國家智能制造標準化總體組5物聯(lián)網(wǎng)概念模型ISO/IECJTC1/WG10物聯(lián)網(wǎng)工作組6IEEE物聯(lián)網(wǎng)參考模型IEEEP2413物聯(lián)網(wǎng)工作組7ITU物聯(lián)網(wǎng)參考模型ITU-TSG20物聯(lián)網(wǎng)及其應用8物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)參考模型OneM2M物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同聯(lián)盟9全局三維模型ISO/TC184自動化系統(tǒng)與集成10智能制造標準路線圖框架法國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡AIF11工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)IVRA日本工業(yè)價值鏈計劃IVI1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.4智能制造相關(guān)的現(xiàn)有參考模型1、智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1.5智能制造相關(guān)的現(xiàn)有參考模型對比分析智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國制造202542、德國工業(yè)4.02.1德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0

“制造+互聯(lián)互通”的RAMI4.0（ReferenceArchitectureModelIndustrie4.0）模型是從產(chǎn)品生命周期與價值鏈、層級和企業(yè)架構(gòu)三個維度，分別對工業(yè)4.0進行多角度描述的一個框架模型。它代表了德國對工業(yè)4.0所進行的全局式的思考。有了這個模型，各個企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個體系中，尋找到自己的位置。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第一個維度是層級，構(gòu)建了面向工業(yè)制造智能化的6個功能層，對企業(yè)的虛擬資源進行了劃分，各層具有相對獨立的功能，下層為上層提供接口，上層使用下層服務。具體包括資產(chǎn)、集成、通信、信息、功能、商業(yè)。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第二個維度是生命周期與價值鏈，劃分為原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)兩個階段，強調(diào)不同階段考慮的重點。原型設計階段指從初始設計到定型，還包括各種測試和驗證；產(chǎn)品生產(chǎn)階段指產(chǎn)品的規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)4.0中，每個實物的產(chǎn)品就是原型的一個實例。2、德國工業(yè)4.02.2RAMI4.0的三個維度第三個維度是企業(yè)架構(gòu)，是在IEC62264企業(yè)系統(tǒng)層級架構(gòu)的標準基礎(chǔ)之上補充了產(chǎn)品的內(nèi)容，并由企業(yè)拓展至“互聯(lián)世界”，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對產(chǎn)品服務和企業(yè)協(xié)同的要求。2、德國工業(yè)4.02.3RAMI4.0的特征（1）基于歐洲標準化委員會和歐洲電工標準化委員會制定的智能電網(wǎng)架構(gòu)模型；（2）三個維度：層次結(jié)構(gòu)、生命周期和價值鏈、類別；（3）強調(diào)三個集成：企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡化制造體系縱向集成、企業(yè)間橫向集成、全生命周期端到端工程數(shù)字化集成；（4）智能工廠是實現(xiàn)RAMI4.0的最小單元；（5）嵌入式智能：所有制造單元都是帶有本地軟件的嵌入式設備或系統(tǒng)、所有制造單元都具有自組織的計算和通信功能、大量部署各類傳感元件實現(xiàn)信息的大量采集、自動化技術(shù)實現(xiàn)智能制造單元間的集成；（6）“智能”產(chǎn)品：產(chǎn)品上的電子標簽具有制造過程中各階段所必須的全部信息（標識、位置、狀態(tài)、路線）；（7）“自治”制造系統(tǒng)：互聯(lián)制造單元的自組織（自組織生產(chǎn)）、制造步驟根據(jù)訂單情況靈活定制（自組織工藝）。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3中國制造202543、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的提出

2017年1月，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC（IndustrialInternetConsortium）發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（IndustrialInternetReferenceArchitecture）V1.8。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中定義四個視圖，分別為：業(yè)務視圖、使用視圖、功能視圖和實施視圖。這四個視圖構(gòu)成了對IIoT（IndustrialInternetofThings，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）系統(tǒng)中每個視圖的關(guān)注點分析的基礎(chǔ)。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖業(yè)務視圖：如果將IIOT系統(tǒng)作為業(yè)務問題解決方案，必須對業(yè)務價值、預期投資回報率、維護成本和產(chǎn)品責任等面向業(yè)務的關(guān)注點進行評估。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖使用視圖：使用視圖解決系統(tǒng)使用過程中遇到的關(guān)注點，這些關(guān)注點的利益相關(guān)者一般包括系統(tǒng)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理和其他利益相關(guān)，例如參與定制IIoT系統(tǒng)規(guī)范的個人和在最終使用時代表用戶的人。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖功能視圖：功能視圖側(cè)重于IIoT系統(tǒng)中的功能性部分。這些關(guān)注點的利益相關(guān)者一般包括系統(tǒng)和組件構(gòu)架師、開發(fā)者和集成者。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)視圖實施視圖：實施視圖涉及實施功能性組件、通訊規(guī)劃和生命周期過程的技術(shù)。涉及的利益相關(guān)者一般為系統(tǒng)和組件構(gòu)架師、開發(fā)者、合成者和系統(tǒng)操作員。3、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)說明

幾個視圖的排序反映了各視圖之間的一般互動模式，一般來說，高層次視圖的決策能夠指導下級視圖并對其提出要求。另一方面，下層視圖中對關(guān)注點的思考能夠驗證甚至修改上層視圖的分析和決策。架構(gòu)關(guān)注點不僅局限于系統(tǒng)設計階段，還需要在整個生命周期予以考慮和關(guān)注，參考架構(gòu)通過不同的視圖為IIoT系統(tǒng)生命周期流程的概念設計提供指導。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)概述1德國工業(yè)4.02美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)