信息物理融合CPS

Posted 2021-03-13 fuzhuoxin

　　在阅读了自动化学报的信息物理融合专刊的两篇文章李洪阳老师等发表的《信息物理系统技术综述》一文对信息物理融合有了一个初步的了解。链接附后。

　　信息物理融合从字面上看好像是软件和硬件系统的融合，但实质上不是这样，它构建了一个强大的控制模型结构，应对当今信息爆炸时代提出了一种可行性方案。将现实社会的人机关系很好的融合了起来，使技术为人类提供便利的同时，人们能得到更舒适的体验，人机互动更加亲和。

　　信息物理融合系统(Cyber physical systems,CPS) 是集控制、通信与计算于一体的智能系统.CPS 在智能感知和信息通信的基础上, 通过信息计算和物理过程的相互影响实现计算、通信和控制的深度融合和实时交互, 以安全、可靠、高效和实时的方式检测及控制物理系统, 实现全系统的协调运行。

　　CPS 支撑信息化和工业化的深度融合, 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。

　　CPS 的基本组成包括传感器、控制执行单元和计算处理单元, 如图所示. 传感器对物理系统信号进行采集, 计算处理单元对采集到的数据进行计算分析, 控制执行单元根据计算结果对物理系统施加控制作用. 图1中通信网络起到数据传输的作用。它由决策层、网络层和物理层构成. 决策层对采集到的数据进行处理判断, 得出控制决策, 并向网络层传递监测与控制命令; 网络层对数据进行实时传输; 物理层对物理系统数据进行采集, 并接收网络层传来的监测与控制命令, 借以对物理系统进行反馈控制。

 

 　　CPS 的智能化实现大致分为四个阶段, 第一阶段是CPS 对系统环境信息的自主感知; 第二阶段是在通过传感器网络获得感知信息后, CPS 对获取到的信息进行适当的处理, 例如剔除无用的信息, 对信息进行分类等; 第三阶段是在建立数据库的基础上,对CPS 进行整体系统的建模, 完成认知任务; 第四阶段是通过整体模型与数据库, 实现最终决策与系统控制中间的四个阶段是CPS 的分步骤设计,环形的三个技术是系统整体设计时需要考虑的技术。

1. 感知设计：传感器或视觉设备，感知外界环境。
2. 信息处理：数据传输，实时性及可靠性是一个关键指标。
3. 建模认知：对子系统的建模，周围环境的建模，虚拟空间的建模。状态估计预测，由于干扰不可避免且存在很大不确定性，要考虑其鲁棒性。
4. 决策控制：并行计算，实时调度，同步共享资源数据，模糊控制不断优化等。
5. 集成设计：CPS是受软件系统控制的物理实体的集成设计系统，包括软件硬件，软件联系起了物理世界与信息世界，硬件将网络，执行器，传感器等部署进去，控制系统由网络系统激活，并在物理系统中操作执行器。
6. 数字孪生：建立物理实体的虚拟映射，在虚拟系统反应物理实体的状态。
7. 安全技术：CPS涉及到物理实体，软件系统相较单纯的IT来说要求更高，当软件系统收到破坏时，物理系统就会受到严重影响，安全要求更高。

　　信息物理融合的概念比较新，是一个系统性的概念，技术细节研究较多，整体研究不足，中间涉及到的技术还处于成长阶段，核心问题还没能有效解决，对CPS是否好与坏，验证的标准也不成熟，对概念的理解也存在一定的偏差，不同行业针对的对象不同，认知也有所不用，还需要进一步发展普及，到成熟应用也还有一定的距离。

 原文链接：http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c180362