第二章 信息物理系统,信息物理系统的内涵,1,信息物理系统的实现,2,信息物理系统的建设和应用,3,1、信息物理系统的内涵,1.1 什么是CPS,传统制造是通过人对机器的直接操作控制去完成各种工作任务1、信息物理系统的内涵,1.1 什么是CPS,与传统制造相比,智能制造发生的最本质的变化是：在人与物理系统之间增加了信息系统（Cyber System），信息系统与物理系统组成了信息-物理系统(Cyber-Physical System),1、信息物理系统的内涵,1.2 怎么理解“CPS”,Physical 受物理定律的支配并持续运行的自然和人为系统2006年美国科学基金会（NSF）,1、信息物理系统的内涵,1.3 “CPS”的由来,美国作家威廉吉步森在1982年创造并使用了“cyberspace”一词,“Cyber”一词最早可追溯至自希腊语单词Kubernetes，意思是掌舵人,1948年，诺伯特维纳在控制论中创造并使用了“Cybernetics”一词,“Cybernetics”由钱学森于1954年所著的Engineering Cybernetics所使用,几年后，钱学森在1958年发布的该书的中文版中，将“Cybernetics”翻译为了“控制论”,CPS这一术语最先是由美国国家航空航天局（NASA）在1992年提出的,2006年，国际上举行了第一个信息物理系统的研讨会（NSF Workshop on Cyber-Physical Systems）,1、信息物理系统的内涵,1.4 CPS的定义,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。
信息物理系统白皮书（2017）,1、信息物理系统的内涵,1.4 CPS的本质,信息物理系统的本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准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与不确定性,提高资源配置效率，实现资源优化 信息物理系统白皮书（2017）,CPS本质,1、信息物理系统的内涵,1.4 CPS的本质,状态感知：对外界数据的获取，如物理实体的尺寸、外部环境的温度、液体流速、压强等数据； 实时分析：对显性数据的进一步理解，是将感知的数据转化成认知的信息的过程； 科学决策：对信息的综合处理，在这一环节CPS能够权衡判断当前时刻获取的所有来自不同环境下的信息，形成最优决策来对物理实体空间进行控制； 精准执行：对决策的精准物理实现，执行的本质是将信息空间产生的决策转换成物理实体可以执行的命令1、信息物理系统的内涵,1.5 CPS的特征,CPS作为沟通信息世界和物理世界的桥梁，它表现出六大典型特征，总结为： 1. 数据驱动：通过构建“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”数据的自动流动的闭环赋能体系，CPS将隐形的数据从物理空间中显性得转化到信息空间上，进而迭代更新汇集成知识库。
转化过程中，状态实时分析数据；根据数据做出科学决策判断；精准执行后，将数据作为输出结果，展示出来因此，数据是CPS的重中之重 2. 软件定义：工业软件是对工业各类工业生产环节规律的代码化，支撑了绝大多数的生产制造过程作为面向制造业的CPS，软件就成为了实现CPS功能的核心载体之一3. 泛在连接：网络通信是CPS的基础保障，能够实现CPS内部单元之间以及其它CPS之间的互联互通随着信息通信技术的发展，网络通信将会更加全面深入地融合信息空间和物理空间，表现出明显的泛在连接特征，实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信 4. 虚实映射：CPS构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动其中，“数字孪生”是虚实映射的基础 5. 异构集成：软件、硬件、网络、工业云等一系列技术的有机组合构建了一个信息空间与物理空间之间数据自动流动的闭环系统CPS能够将异构硬件、异构软件、异构数据及异构网络集成起来，实现数据在信息空间与物理空间不同环节的自由流动因此，CPS必定是一个对多方异构环节集成的综合体 6. 系统自治：CPS能够根据感知到的环节变化信息，在信息空间进行处理分析，自适应地对外部变化做出有效响应。
1、信息物理系统的内涵,1.5 CPS的特征,1、信息物理系统的内涵,1.6 CPS的横向对比,由于CPS是一个复杂且较为综合性的概念，因此在CPS的理解上存在着一些难点因此就CPS系统和以往一些概念（物联网、嵌入式系统）做对比，以澄清CPS系统与现有概念的差别与优势CPS=物联网？ CPS=嵌入式系统？,a）CPS与物联网对比,1、信息物理系统的内涵,1.6 CPS的横向对比,CPS与物联网在原理和工作重点方面的区别,原理,物联网,物联网是基于无线连接实现感知的，其控制与计算的成分占的并不多它往往是一个物理实体通过传感器感知某项活动后，然后将状态信息交给其他物理实体去决策与执行的过程CPS在完成信息传递的功能之外，还要负责协调物理实体之间的工作，并且其本身的计算能力也更加强大，从而最终能够实现自治的目标工作重点,物联网强调物物相联与信息传输,CPS强调物理世界和信息世界之间实时的、动态的信息回馈、循环过程,CPS,1、信息物理系统的内涵,1.6 CPS的横向对比,a）CPS与嵌入式系统对比,CPS与嵌入式系统在概念和工作范围方面的区别,概念,嵌入式系统,嵌入式系统是用于嵌入式微电脑上的操作系统,CPS系统是一个信息物理的混合系统，是一个跨学科跨领域的概念,工作范围,嵌入式系统较为单一地工作在特定的嵌入式环境当中,CPS系统不仅要监控一个嵌入式设备的运作，还要负责不同嵌入式设备间的交互，并以他们之间的交互信息进行工作上的协调。
通俗地说，CPS就是把嵌入式系统通过物联网联系起来，并协调其运作CPS,信息物理系统的内涵,1,信息物理系统的实现,2,信息物理系统的建设和应用,3,2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,CPS的三个层次,将CPS划分为单元级、系统级、SoS级（System of Systems，系统之系统级）三个层次单元级CPS可以通过组合与集成（如CPS 总线）构成更高层次的CPS，即系统级CPS；系统级CPS可以通过工业云、工业大数据等平台构成SoS级的CPS，实现企业级层面的数字化运营 信息物理系统白皮书，2017,2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（1）单元级CPS具有不可分割性的信息物理系统的最小单元,物理设备是实际存在的，可以通过传感器可以感知外部信号，如声、光、电、烟雾等，经过执行器能够接收控制指令并对物理实体进行控制 信息外壳（Information shell）包括感知、计算、控制与通信功能，是物理设备与信息世界通信的接口与桥梁，能够实现物理实体的“数字化”，信息世界可以通过信息外壳和外界实体进行感知和交互2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（1）单元级CPS具有不可分割性的信息物理系统的最小单元,单元级CPS的智能机床,计算,感知,决策,执行,2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（2）系统级CPS“一硬、一软、一网”的有机组合,系统级CPS由多个单元级CPS来构建，单元级CPS之间的交互是通过工业网络（如工厂现场总线、工业以太网）来实现的，由此达到数据的大范围、宽领域的自动流动。
通过引入网络，实现了多个单元级CPS间的协同调配，进而提高了制造资源配置的优化广度、深度和精度硬件,软件,工业网络,2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（2）系统级CPS“一硬、一软、一网”的有机组合,单元级CPS智能机床,单元级CPS智能AGV,单元级CPS智能输送线,工业网络,产线CPS,系统级CPS的产线,2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（3）SoS级CPS多个系统级CPS的有机组合,硬件,软件,网络,工业互联网、云平台,SoS级CPS的主要功能是实现数据整合，从而对内进行进行资产优化，对外形成运营优化服务其主要功能有：数据存储、数据融合、分布式计算、大数据分析、数据服务，并在数据服务的基础上形成资产性能管理与运营优化服务2、信息物理系统的实现,2.1 CPS的三个层次,（3）SoS级CPS多个系统级CPS的有机组合,COSMOPlat是海尔推出的具有中国自主知识产权、全球首家引入用户全流程参与体验的工业互联网平台 海尔利用COSMOPlat将用户需求和整个智能制造体系连接起来，让用户可以全流程参与产品设计研发、生产制造、物流配送、迭代升级等环节，把以往“企业和用户之间只是生产和消费关系”的传统思维转化为“创造用户终身价值”。
SoS级CPS的COSMOPlat,2、信息物理系统的实现,2.2 CPS的关键技术,（1）感知和自动控制,A.智能感知技术 传感器技术是智能感知技术的核心传感器（Sensor）是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置 B.自动控制技术 CPS虚实融合控制是多层“感知-分析-决策-执行”循环，建立在状态感知的基础上，感知往往是实时进行的，向更高层次同步或即时反馈包括嵌入控制、虚体控制、集控控制和目标控制四个层次执行,实时感知,分析,决策,空调自动控制室温过程,温度传感器,温度大于（小于）设定值,降低（升高）温度,制冷（制热）,2、信息物理系统的实现,2.2 CPS的关键技术,（2）工业软件,谁是世界上最大的软件公司？微软？谷歌？苹果？如果仅看代码行数，一直青睐工业软件的美国最大军火商洛克希德马丁公司早已超过微软成为世界上最大的软件公司 大家是否知道，当年NASA的码农女神软件首席工程师玛格丽特，给阿波罗飞船写的导航和登录程序代码量有多大？打印出来的纸堆起来比她还高！正是这一堆打印纸上承载的玛格丽特发明的“异步软件”，让阿波罗11号避免了登月前软件程序混乱到近乎崩溃的“黑色三分钟”，在月球表面成功着陆。
她写的代码把人类带上了月球2、信息物理系统的实现,2.2 CPS的关键技术,（2）工业软件,工业软件（Industrial Software）是指专用于工业领域，为提高工业企业研发、制造、生产、服务与管理水平以及工业产品使用价值的软件工业软件是智能制造领域最为重要的一环A.企业资源管理系统：ERP（Enterprise resource planning） ERP促进所有业务职能之间的信息流动，并管理与外部利益相关者的联系 B.产品全生命周期管理软件：PLM（Product Lifecycle Management） 包括各类CAX软件，如CAD、CAM、CAE、CAPP等，CAX软件是CPS信息虚体（二维、三维模型、生产工艺等）的载体信息虚体的原始要素定义，以及信息虚体之间接口的定义，都是通过CAX软件实现 C.生产制造执行系统：MES（Manufacturing execution system） MES是用于制造，跟踪和记录原材料到成品的转换的计算机化系统，MES提供的信息有助于制造决策者了解如何优化工厂现有条件以提高产量2、信息物理系统的实现,2.2 CPS的关键技术,（3）工业网络,信息从现场设备层，向上经由多个层级流入企业层，这是经典的工业控制网络金字塔层次模式。
尽管这一模式得到了业界的广泛认同，但其中各层次之间的数据流动并不顺畅 CPS中的工业网络技术将颠覆传统的基于金字塔分层模型的自动化控制层级，转而寻求基于分布式的全新范式，既去中心化的网状结构2、信息物理系统的实现,2.3 CPS王冠上的明珠数字孪生,数字孪生：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在虚。