5.6　信息物理系统（CPS）在智能制造中的应用

5.6.1　概念与内涵

信息物理系统是将先进的感知技术、计算技术、深度学习、自动控制技术等进行融合，并且将物理世界与信息世界中的关键要素相互映射，实现高度匹配并协同工作，资源自动配置，以及系统自适应调节和自主感知判断的新型智能系统。它能够通过各种类型的网络技术对物理空间进行实时控制、全局优化，对海量数据信息进行高并行计算处理。信息物理系统是跨学科多领域相结合的产物，并受到各国机构及学者的高度关注，他们对信息物理系统的理解和认识也稍有不同。例如，欧盟第七框架给出的定义为：“信息物理系统包括控制、通信、计算技术，它们与物理过程紧密融合”；德国国家科学院给出的定义为：“信息物理系统是能够利用传感器直接感知数据，通过决策系统反馈来影响物理世界的嵌入式系统”；而中国科学院的何积丰院士给出的定义为：“信息物理系统是在环境感知的基础上，对通信、控制和计算能力进行深度融合的可扩展、可控的物理系统”。从这些定义中可以总结出，有一点是达成共识的，就是信息物理系统都是通过感知技术和控制技术实现虚拟与物理空间的交互，最终实现的是资源的优化配置，如图5.9所示。

图5.9　信息物理系统通过感知与控制技术实现交互

党的十八大提出：“推动信息化和工业化深度融合、工业化和城镇化良性互动，促进工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展。”而信息物理系统同样也是信息化和工业化深度融合的产物。工业4.0时代，设备已经实现自主感知、分析和决策能力，在这个实现过程中，信息物理系统也起到了关键性的作用，反过来，这也促进了工业化的进程。信息物理系统能够解决设备数据、生产数据的实时性、完整性及精确性。当前生产过程存在很多不确定因素，如数据精度不够、类型不够等，使系统无法精准有效地分析和优化传输过来的海量设备数据。而信息物理系统能够借助先进的感知技术来增强系统的分析判断能力。

5.6.2　技术特征

从定义可以看出，信息物理系统是工业化和信息化相互促进的一套综合技术体系，如图5.10所示。技术是否能够有效组合并应用到生产实践中将决定信息物理系统的实时性与科学性。其技术体系可以分为核心技术、总体技术及支撑技术。其中，核心技术包括现场总线、工业以太网等；支撑技术包括边缘计算、嵌入式软硬件、智能感知、软件定义网络及大数据等；总体技术包括安全防护技术、系统及网络异构集成等。综上所述，信息物理系统的技术体系主要有以下特征。

图5.10　信息物理系统技术体系

1. 复杂异构

信息物理系统是由多种类型的感知器件及物理设备构成的开放式系统，当前工业网络采用分层异构的网络体系，在设备层、生产线层、车间层和管理层分别建立拓扑组织、传输控制、通信协议各异的工业网络，这些异构的工业网络之间也需要进行信息互联互通，同样会涉及大量的异构信息需要处理。新型制造生产模式进一步对工业网络提出实时调度和传输、高效信息融合等需求，支持IPv6车间级骨干网、工业现场无线网和工业实时以太网的多网融合，实现工厂点检系统、信息管理系统与现场控制系统的高效互联互通，实现对工业生产系统的全面实时感知、动态控制、精确管理和科学决策，使工业生产系统更加可靠、高效、实时协同。因此信息物理系统必定是一个由多类型异构元素集成的开放式的综合体。

2. 自适应性

信息物理系统能够根据外界变化的环境信息进行实时感知，随后做出科学分析与处理，并自适应地响应外界环境变化。多个异构的信息物理系统之间还可以进行协同工作，自组织地互联通信，统一调度，最终实现生产过程的高效运行。企业级的CPS系统互联互通，可以更大范围地提升生产运行能力，实现企业的高效管理，资源的有效配置。同样，CPS系统也可以通过大量经验数据不断学习进化，提升对复杂环境的自适应能力，从而营造一个良性的生产运行环境。

3. 泛在连接

一般地，信息物理系统都具有复杂的网络架构，为了适应复杂多变的工厂环境，系统中会同时存在多种异构网络，如工业以太网、无线传感网等，这些网络对时延、可靠性、功耗、组网灵活性等的要求都不一样，而信息物理系统能够同时满足这些要求，并且解决异构带来的挑战。当前，信息世界与物理世界耦合越来越紧密，泛在连接体现得非常明显，CPS系统能够实现随时随地的通信，实现跨企业、跨行业的网络融合与协同，保证多种数据流的高效运行，最终实现系统的精准计算与科学决策。

5.6.3　典型应用

基于CMC芯片的多种控制系统是一款典型的CPS应用系统，它由中控科技集团有限公司牵头研发。这款芯片是将控制、感知及执行等模块集成在一起，并且成本较低，设计简单，从根本上降低了一部分信息物理系统的实现成本和复杂度。目前，基于这款芯片的应用也有很多案例，如武汉华中数控的数控系统和伺服驱动，中科博微的智能电表等都采用了CMC芯片。设备内部可以进行实时感知、状态分析及精准决策，并通过以太网与管理平台进行交互（见图5.11），从而使整个过程包含感知、分析、决策、执行这样一个闭环的数据流动，具备了实时可靠等关键性能指标。

CMC芯片可以实现实时互联技术，以及高精采集、片上控制等技术，并将传感信号和执行信号存储起来，通过控制算法进行实时决策，实现系统的自适应。CMC芯片打通了现场与平台之间的数据流通道，可以实现大型系统的分布式控制。

图5.11　中控科技CPS应用架构