【愚公系列】软考高级-架构设计师 112-信息物理系统

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🚀前言

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是由计算机、通信和控制技术与物理世界相结合的系统。在信息物理系统中，计算机和网络技术与物理过程、传感器、执行器以及实际的物理环境相互交互和整合，共同实现系统的智能化、自动化和实时决策。

信息物理系统通常包括以下几个关键特点：

1. 联合性：信息物理系统将计算机系统、传感器、执行器、网络通信等多种技术融合在一起，实现对物理世界的监测、控制和决策。
2. 实时性：信息物理系统需要实时地对物理环境的变化做出响应和决策，保证系统的稳定性和安全性。
3. 复杂性：信息物理系统通常面对复杂的物理环境和多变的情况，需要具有高度的灵活性和自适应能力。
4. 智能化：信息物理系统通过利用大数据、人工智能、机器学习等技术，实现对系统的自动化、智能化管理和优化。
5. 安全性：信息物理系统涉及到物理世界中的实际操作，因此系统的安全性尤为重要，需要采取合适的安全措施来防止潜在的威胁和风险。

信息物理系统在许多领域都有广泛的应用，如智能交通系统、智能制造、智能健康监测、智能家居等。通过将计算机技术和物理世界相结合，信息物理系统可以实现更高效、更智能的系统管理和控制，为人们的生活和工作带来便利和效益。

🚀一、信息物理系统

🔎1.信息物理系统(CPS)

信息物理系统 (Cyber-Physical Systems, CPS) 是控制系统和嵌入式系统的扩展与延伸，其核心概念是将数字系统和物理系统融合在一起，实现更好的协同工作和决策。以下是对CPS相关内容的整理和总结：

🦋1.1 概述

• 定义：
  • 信息物理系统（CPS）是将数字和物理系统融合在一起的复杂系统，旨在实现更高效的协同工作和决策。
  • CPS涉及的底层理论和技术源于对嵌入式技术的应用与提升。

🦋1.2 核心概念

• 融合：
  • 数字系统和物理系统的融合是CPS的核心理念。
  • 通过这种融合，实现系统内各要素（人、机、物、环境、信息）的相互映射、适时交互和高效协同。

🦋1.3 技术集成

• 集成技术：
  • CPS通过集成先进的感知技术、计算技术、通信技术、控制技术以及自动控制技术，构建复杂系统。

🦋1.4 系统特性

• 要素交互：
  • 在物理空间与信息空间中，系统内的人、机、物、环境、信息等要素能够进行高效的相互映射和适时交互。
• 高效协同：
  • 系统内各要素能够高效协同工作，实现资源配置和运行的按需响应、快速迭代和动态优化。

信息物理系统 (CPS) 是对控制系统和嵌入式系统的扩展与提升，通过融合数字系统和物理系统，集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术，构建了一个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、快速迭代和动态优化。

🔎2.信息物理系统(CPS)的体系架构

信息物理系统 (Cyber-Physical Systems, CPS) 可以根据不同的层次和复杂程度分为不同的架构级别。以下是对CPS体系架构的详细整理：

🦋2.1 单元级CPS

• 定义：
  • 单元级CPS是具有不可分割性的最小CPS单元，具备感知、计算、交互、延展和自决策功能。
• 示例：
  • 一个智能部件、工业机器人或智能机床都可以是一个CPS最小单元。
  • 例如智能家居中的智能灯泡。

🦋2.2 系统级CPS

• 定义：
  • 系统级CPS由多个单元级CPS通过工业网络（如工业现场总线、工业以太网等）连接而成，实现数据的自动流动和互联互通。
• 功能：
  • 实现制造资源优化配置的广度、深度和精度。
  • 具备互联互通、即插即用、边缘网关、数据互操作、协同控制、监视与诊断等功能。
• 示例：
  • 在汽车制造工厂中，生产线上的各种机器人和设备可以视为系统级CPS。
  • 这些设备通过工业以太网连接，共享生产数据和控制信息，协同工作，自动调整生产速度和流程以适应需求变化。

🦋2.3 SoS级CPS

• 定义：
  • SoS级CPS是由多个系统级CPS有机组合而成的更高层次的CPS。
• 功能：
  • 集成大数据分析和数据服务，实现更广泛的系统协同和优化。
  • 共享数据（如交通流量、能源消耗、空气质量等）以实时监测和优化系统。
• 示例：
  • 在智能城市中，多个系统级CPS（如交通管理系统、能源管理系统、环境监测系统）可以组成SoS级CPS。
  • 这些系统通过共享数据实现城市的实时监测和优化，如交通流量管理、节能减排及紧急事件响应等，使整个城市成为一个智能的、协同工作的系统。

🦋2.4 总结

CPS体系架构可以分为单元级CPS、系统级CPS和SoS级CPS三个层次：

1. 单元级CPS： 最小的CPS单元，具备感知、计算、交互、延展和自决策功能。
2. 系统级CPS： 由多个单元级CPS通过工业网络连接而成，实现更大范围的互联互通和数据流动。
3. SoS级CPS： 由多个系统级CPS有机组合而成，通过共享数据实现更广泛的系统协同和优化。

🔎3.信息物理系统(CPS)的技术体系

信息物理系统 (Cyber-Physical Systems, CPS) 的技术体系主要分为以下三个层次：CPS总体技术、CPS支撑技术和CPS核心技术。每个层次都有其特定的技术要素和功能。下面是对CPS技术体系的详细整理：

🦋3.1 CPS总体技术

• 定义：
  • CPS总体技术涉及CPS的顶层设计和整体规划。
• 主要包括：
  • 系统架构： 确定CPS的整体结构和各组成部分的关系。
  • 异构系统集成： 实现不同系统之间的互联互通和协同工作。
  • 安全技术： 保障CPS系统的安全性和数据保护。
  • 试验验证技术： 对CPS系统进行测试和验证，确保其功能和性能符合要求。

🦋3.2 CPS支撑技术

• 定义：
  • CPS支撑技术是基于CPS应用的基础技术，为CPS的实现提供必要的支持。
• 主要包括：
  • 智能感知： 实现对环境和状态的感知和数据收集。
  • 嵌入式软件： 支持CPS设备和系统的运行。
  • 数据库： 存储和管理CPS系统产生的数据。
  • 人机交互： 提供用户与CPS系统之间的交互界面。
  • 中间件： 提供软件和硬件之间的通信和协调。
  • SDN（软件定义网络）： 提供灵活的网络管理和优化。
  • 物联网： 实现设备和系统的互联。
  • 大数据： 对CPS系统产生的海量数据进行分析和处理。

🦋3.3 CPS核心技术

• 定义：
  • CPS核心技术是CPS的基础技术，直接支撑CPS的实现和应用。
• 主要包括：
  • 虚实融合控制： 实现虚拟系统与物理系统的协同控制。
  • 智能装备： 支撑CPS的智能设备和机械。
  • MBD（基于模型的设计）： 提供系统设计和验证的模型。
  • 数字孪生技术： 创建物理系统的数字镜像，用于分析和优化。
  • 现场总线： 提供工业自动化系统中的通信网络。
  • 工业以太网： 提供高性能的工业网络连接。
  • CAX（计算机辅助技术）： 包括CAD、CAM等技术。
  • MES（制造执行系统）： 管理和控制制造过程。
  • ERP（企业资源计划）： 统筹企业资源。
  • PLM（产品生命周期管理）： 管理产品的全生命周期。
  • CRM（客户关系管理）： 管理客户信息和关系。
  • SCM（供应链管理）： 管理供应链流程。

🦋3.4 四大核心技术要素

根据上述技术体系，CPS的技术可以进一步归纳为四大核心技术要素，即“一硬”、“一软”、“一网”、“一平台”：

1. 一硬（感知和自动控制）：
   • 角色： 作为CPS实现的硬件支撑。
   • 功能： 感知环境和状态，自动控制系统运行。
2. 一软（工业软件）：
   • 角色： 固化CPS计算和数据流程的规则。
   • 功能： 是CPS的核心，提供系统运行所需的软件支持。
3. 一网（工业网络）：
   • 角色： 作为互联互通和数据传输的网络载体。
   • 功能： 实现CPS系统各部分之间的数据通信和协同工作。
4. 一平台（工业云和智能服务平台）：
   • 角色： 作为CPS数据汇聚和支撑上层解决方案的基础。
   • 功能： 提供资源管控和能力服务，对外提供智能服务。

🔎4.信息物理系统(CPS)的典型应用场景

1. 智能设计
   • 应用领域：产品及工艺设计、工厂设计
   • 特点：大部分工作在虚拟空间中进行仿真，实现迭代和改进
   • 实例：在汽车制造业中，设计师使用虚拟现实和仿真技术在虚拟空间中创建和测试不同车型的设计，模拟不同的工艺流程，测试零部件性能，优化设计。
2. 智能生产
   • 应用领域：生产过程管理
   • 特点：打破信息孤岛，实现设备互联互通，生产过程监控，资源合理调度，优化生产计划，资源和制造协同
   • 实例：在智能制造工厂中，各种生产设备和机器人通过网络连接，实现实时监控和数据共享，优化生产计划和资源调度，提高生产效率。
3. 智能服务
   • 应用领域：本地与远程云服务协作，个体与群体、群体与系统协同
   • 特点：形成一体化工业云服务体系
   • 实例：在医疗设备制造业中，设备与云服务连接，收集患者健康数据并进行远程监控，检测到异常情况时自动触发警报，并将数据发送给医生进行分析，提高患者安全性和医疗服务效率。
4. 智能应用
   • 应用领域：设计者、生产者和使用者的新价值创造
   • 特点：转变单调角色，创建新型价值链，促进产业链转型，调动各参与者积极性，实现制造业转型
   • 实例：在农业领域，农民使用传感器和自动化设备监测土壤湿度、气温、作物健康等信息，将这些数据与气象数据和市场需求数据结合，制定最佳农业生产计划。🔎5.信息物理系统(CPS)的建设路径
5. CPS体系设计
   • 内容：在这一阶段，需要制定CPS的总体架构和设计方案，明确各个子系统的功能和相互关系。
   • 目标：建立一个整体的CPS架构，确保各子系统能够协同工作。
6. 单元级CPS建设
   • 内容：在这一阶段，主要集中于单个设备或单元的CPS建设，包括传感器、执行器和软件系统的集成。
   • 目标：实现单个设备或单元的智能化和网络化，确保其能够独立运行并与其他设备进行数据交换。
7. 系统级CPS建设
   • 内容：在这一阶段，重点在于将多个单元级CPS集成到一个完整的系统中，确保各单元之间的协同和数据共享。
   • 目标：实现一个完整的、能够协同工作的CPS系统，提升系统整体的智能化水平和效率。
8. SoS级CPS建设
   • 内容：在这一阶段，构建系统的系统（System of Systems, SoS），即多个CPS系统的集成，形成一个更大规模的、复杂的CPS网络。
   • 目标：实现多个CPS系统的协同工作，形成一个具有更高层次智能和更大规模应用的CPS生态系统。