5.6　信息物理系統（CPS）在智能制造中的應用

5.6.1　概念與內涵

信息物理系統是將先進的感知技術、計算技術、深度學習、自動控制技術等進行融合，并且將物理世界與信息世界中的關鍵要素相互映射，實現高度匹配并協同工作，資源自動配置，以及系統自適應調節和自主感知判斷的新型智能系統。它能夠通過各種類型的網絡技術對物理空間進行實時控制、全局優化，對海量數據信息進行高并行計算處理。信息物理系統是跨學科多領域相結合的產物，并受到各國機構及學者的高度關注，他們對信息物理系統的理解和認識也稍有不同。例如，歐盟第七框架給出的定義為：“信息物理系統包括控制、通信、計算技術，它們與物理過程緊密融合”；德國國家科學院給出的定義為：“信息物理系統是能夠利用傳感器直接感知數據，通過決策系統反饋來影響物理世界的嵌入式系統”；而中國科學院的何積豐院士給出的定義為：“信息物理系統是在環境感知的基礎上，對通信、控制和計算能力進行深度融合的可擴展、可控的物理系統”。從這些定義中可以總結出，有一點是達成共識的，就是信息物理系統都是通過感知技術和控制技術實現虛擬與物理空間的交互，最終實現的是資源的優化配置，如圖5.9所示。

黨的十八大提出：“推動信息化和工業化深度融合、工業化和城鎮化良性互動，促進工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展。”而信息物理系統同樣也是信息化和工業化深度融合的產物。工業4.0時代，設備已經實現自主感知、分析和決策能力，在這個實現過程中，信息物理系統也起到了關鍵性的作用，反過來，這也促進了工業化的進程。信息物理系統能夠解決設備數據、生產數據的實時性、完整性及精確性。當前生產過程存在很多不確定因素，如數據精度不夠、類型不夠等，使系統無法精準有效地分析和優化傳輸過來的海量設備數據。而信息物理系統能夠借助先進的感知技術來增強系統的分析判斷能力。

5.6.2　技術特征

從定義可以看出，信息物理系統是工業化和信息化相互促進的一套綜合技術體系，如圖5.10所示。技術是否能夠有效組合并應用到生產實踐中將決定信息物理系統的實時性與科學性。其技術體系可以分為核心技術、總體技術及支撐技術。其中，核心技術包括現場總線、工業以太網等；支撐技術包括邊緣計算、嵌入式軟硬件、智能感知、軟件定義網絡及大數據等；總體技術包括安全防護技術、系統及網絡異構集成等。綜上所述，信息物理系統的技術體系主要有以下特征。

1. 復雜異構

信息物理系統是由多種類型的感知器件及物理設備構成的開放式系統，當前工業網絡采用分層異構的網絡體系，在設備層、生產線層、車間層和管理層分別建立拓撲組織、傳輸控制、通信協議各異的工業網絡，這些異構的工業網絡之間也需要進行信息互聯互通，同樣會涉及大量的異構信息需要處理。新型制造生產模式進一步對工業網絡提出實時調度和傳輸、高效信息融合等需求，支持IPv6車間級骨干網、工業現場無線網和工業實時以太網的多網融合，實現工廠點檢系統、信息管理系統與現場控制系統的高效互聯互通，實現對工業生產系統的全面實時感知、動態控制、精確管理和科學決策，使工業生產系統更加可靠、高效、實時協同。因此信息物理系統必定是一個由多類型異構元素集成的開放式的綜合體。

2. 自適應性

信息物理系統能夠根據外界變化的環境信息進行實時感知，隨后做出科學分析與處理，并自適應地響應外界環境變化。多個異構的信息物理系統之間還可以進行協同工作，自組織地互聯通信，統一調度，最終實現生產過程的高效運行。企業級的CPS系統互聯互通，可以更大范圍地提升生產運行能力，實現企業的高效管理，資源的有效配置。同樣，CPS系統也可以通過大量經驗數據不斷學習進化，提升對復雜環境的自適應能力，從而營造一個良性的生產運行環境。

3. 泛在連接

一般地，信息物理系統都具有復雜的網絡架構，為了適應復雜多變的工廠環境，系統中會同時存在多種異構網絡，如工業以太網、無線傳感網等，這些網絡對時延、可靠性、功耗、組網靈活性等的要求都不一樣，而信息物理系統能夠同時滿足這些要求，并且解決異構帶來的挑戰。當前，信息世界與物理世界耦合越來越緊密，泛在連接體現得非常明顯，CPS系統能夠實現隨時隨地的通信，實現跨企業、跨行業的網絡融合與協同，保證多種數據流的高效運行，最終實現系統的精準計算與科學決策。

5.6.3　典型應用

基于CMC芯片的多種控制系統是一款典型的CPS應用系統，它由中控科技集團有限公司牽頭研發。這款芯片是將控制、感知及執行等模塊集成在一起，并且成本較低，設計簡單，從根本上降低了一部分信息物理系統的實現成本和復雜度。目前，基于這款芯片的應用也有很多案例，如武漢華中數控的數控系統和伺服驅動，中科博微的智能電表等都采用了CMC芯片。設備內部可以進行實時感知、狀態分析及精準決策，并通過以太網與管理平臺進行交互（見圖5.11），從而使整個過程包含感知、分析、決策、執行這樣一個閉環的數據流動，具備了實時可靠等關鍵性能指標。

CMC芯片可以實現實時互聯技術，以及高精采集、片上控制等技術，并將傳感信號和執行信號存儲起來，通過控制算法進行實時決策，實現系統的自適應。CMC芯片打通了現場與平臺之間的數據流通道，可以實現大型系統的分布式控制。