智慧工厂信息物理融合系统体系结构设计.doc

智慧工厂信息物理融合系统体系结构设计 　　摘 要： 分析了CPS的概念、基本功能和特性，针对工厂的实际情况，提出一种CPS五层体系结构，包括泛在感知层、互联网络层、语义信息层、模型计算层、服务代理层。并对各个层次的关键技术和结构进行详细设计。通过一个卷烟工厂落地应用实例，证明了体系结构符合工厂的信息化水平和应用现状，对工厂走向智慧化起到基础性支撑作用 关键词： 信息物理融合系统； 体系结构； 智慧工厂； 卷烟 中图分类号： TN98?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0151?04 Abstract： The concept， basic function and characteristics of the cyber?physical system （CPS） are analyzed. According the practical situation of the factory， a five?layer architecture of CPS is proposed， including the perception layer， network layer， semantic information layer， model computing layer and service agent layer. The key technology and structure of each layer were designed in detail. It is proved that the architecture conforms with the informatization level and application status of the factory with an application example of the cigarette factory， and plays a basic supporting function for the construction of the smart factory. Keywords： cyber?physical system； architecture； smart factory； cigarette 0 引 言 信息物理融合系统（Cyber?Physical System，CPS）是最近几年出现的一个新概念，是指计算和物理要素之间紧密结合与协作的系统[1]。有文献指出，CPS的影响将会远远超越20世纪的IT革命，就像Internet改变了人与人交互的方式一样，CPS的出现将改变人与物理世界交互的方式[2]。CPS一经出现便立即引起各国的重视。美国2007年的研究中便将CPS列入重要领域[3]，德国将CPS作为工业4.0的核心技术之一[4]。我国863技术也于2010年开展CPS的相关研究[3] CPS的落地应用与研究是按行业开展的，具有明显的领域相关（Domain?Specific）特征[3]。文献[5]描述了CPS在电力领域的应用，文献[6]描述了CPS在航空航天领域的应用，文献[7]描述了CPS在医疗领域的应用，文献[8]描述了CPS在交通领域的应用，但其在制造领域的应用研究较为少见 本文对CPS体系结构和适用于智慧工厂的系统特性进行研究与分析，给出了CPS五层体系结构框架设计，并应用于实际案例 1 CPS概述 1.1 CPS定义 CPS是通过计算（Computation）、通信（Communication）与控制（Control）技术的有机深度融合，实现计算资源与物理资源紧密结合与协调的下一代智能系统。在微观上，CPS通过在物理系统中嵌入计算与通信内核实现计算进程与物理进程的一体化。计算进程与物理进程通过反馈循环方式相互影响，实现嵌入式计算机与网络对物理进程可靠、实时和高效的监测、协调与控制。在宏观上，CPS是由运行在不同时间和空间范围的分布式、异步的异构系统组成的动态混合系统，包括感知、决策和控制等各种不同类型的资源和可编程组件。各个子系统之间通过有线或无线通信技术，依托网络基础设施相互协调工作，实现对物理与工程系统的实时感知、远程协调、精确的动态控制和信息服务[3]。一般来说，开展智能化设备研究及开发多采用微观描述，而对诸如生产、交通这样的系统性工程多采用宏观描述 1.2 CPS在智慧工厂中的地位 基于工业4.0的智慧工厂是以全面感知的CPS系统为基础构建，如图1所示。CPS将融合物联网与服务网，是智慧工厂的基础及核心技术之一。文献[9]给出了智慧工厂实现的五大关键因素，但同时指出最为基本的是建立在CPS之上