智能制造关键软件之三-----CPS 万物互联互通系统！
何为CPS
通俗定义：
所谓CPS（信息物理系统）就是集成先进的通信感知、计算控制的新一代信息技术和控制技术，构建了一个在信息空间和物理空间中人、机、物、环境、信息等各类要素相互映射、实时交互，同时得到高效协同的复杂智能系统，最终希望实现系统里面各类资源要素的配置以及运行的实时响应和快速迭代、动态优化。要想实现定义里面所描述的关键功能，需要构建一个能够以数据为主线的数字驱动的数字闭环系统，这个系统构成了CPS的本质。
科学定义：
(cyber physical systems，简称CPS)，是一个综合计算、网络和的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现系统的实时感知、和信息服务。它通过接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，具有重要而广泛的应用前景。
白皮书对CPS也做了定位，称它是支撑工业和信息化深度融合的一套综合技术体系。
六大典型特征
对于两化融合有如此意义的CPS到底有什么特点呢？让我们继续往下看。
CPS一定是有层级性的，小到一个零部件，也是一个单独的系统，大到一个复杂的系统都可以构成一个CPS，白皮书里提到了CPS具有三层的体系，最终结合各类体系展现出来的特征区别其他的像互联网这样的系统。
我们通过四大核心技术要素（一硬一软一网一平台）支撑的一套综合技术体系，构建起一个闭环赋能系统，这套系统能够通过四个过程（装态感知、实时分析、科学决策、精准执行）使得数据自动流动，进而打通物理空间和信息空间，在不同范围和约束条件下，实现三个层次（单元级、系统级、SoS级）上不同程度的资源配置，优化这一永恒的目标，在这一过程中，系统表现六大典型特征：数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成、系统自治。
更为重要的是，打造这样一种闭环赋能系统的过程与中国20多年推行的两化融合一脉相承，因此我们相信，以四大核心技术要素为重要基础的一套综合的技术体系能够支撑中国的两化深度融合。
这个闭环赋能系统就是信息物理系统（CPS），如果把这个系统打开来看，他必定由若干技术支撑，这些技术构成了信息物理系统，也构成了两化深度融合的技术体系。
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一个总体定位
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一个总体定位
CPS是支撑两化深度融合的一套综合技术体系
信息化和工业化融合是人类社会两个重要发展历史进程的交汇。从社会形态演进角度看，其所引发的生产方式变革与生活方式调整正在构建信息社会发展新蓝图；从经济发展角度看，其所推动的资源配置方式优化与发展方式转变正在构建现代产业体系新格局；从工业发展角度看，其所催生的智能化技术装备、协同化创新体系、柔性化生产方式、集约化资源利用、精准化管理模式正在重塑新时期国家竞争新优势。
两化深度融合具有四个基本特征：一是内生性，两化深度融合是企业提升劳动生产率、获取竞争新优势的重要手段和途径，具有内生的自增强机制。二是创新性，两化深度融合是一个伴随技术、商业模式和组织体系创新的过程，需要构建相适应的制度和管理新模式。三是层次性，两化深度融合体现在技术、产品、装备、工艺、管理等方面，也体现在发展理念、产业体系、生产方式、业务模式等方面。四是长期性，两化深度融合是一个从局部到整体的拓展、从点线到面的延伸、从技术变革到组织制度变迁的演进，这一转变是不断持续演进的过程。
面对抢占新一轮科技革命和产业变革竞争制高点的新形势，面对“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的战略方针，面对从制造大国向制造强国转变的战略任务，迫切需要构建支撑两化深度融合的技术体系。信息物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，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。可以看出，信息物理系统是工业和信息技术范畴内跨学科、跨领域、跨平台的综合技术体系所构成的系统，覆盖广泛、集成度高、渗透性强、创新活跃，是两化融合支撑技术体系的集大成。信息物理系统能够将感知、计算、通信、控制等信息技术与设计、工艺、生产、装备等工业技术融合，能够将物理实体、生产环境和制造过程精准映射到虚拟空间并进行实时反馈，能够作用于生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期，能够从单元级、系统级到系统之系统（SoS）级不断深化，实现制造业生产范式的重构。从新一轮产业变革的全局出发，结合多年来推动两化融合的实践，我们认为，信息物理系统是支撑信息化和工业化深度融合的综合技术体系。
四大要素之形象解释
“一硬、一软、一网、一平台”是CPS的四大核心技术要素
“一硬”（感知和自动控制）：
智能感知技术（传感器技术等）、虚实融合控制技术，犹如人体皮肤、骨骼和肌肉，完成感控。
“一软”（工业软件）：
嵌入式软件技术、APS技术、CADMESERP软件技术等。犹如：人体的思维认识、世界观、价值观、方法论，是长时间学习形成。
“一网”（工业网络)：现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN，犹如：人体的经路脉络，可以像神经系统一样传递信息。
“一平台”（工业云和智能服务平台）：边缘计算、雾计算、云计算、犹如：人体的决策器官大脑，接受、存储、分析数据，并形成决策。
三个层次体系
单元级、系统级、系统之系统级是CPS的三个层次
单元级CPS:单元级CPS具有不可分割性，其内部不能分割出更小CPS单元。单元级CPS能够通过物理硬件(如传动轴承、机械臂、电机等)、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环，实现在设备工作能力范围内的资源优化配置。
系统级CPS: 在单元级CPS的基础上，通过网络的引入，可以实现系统级CPS的协同调配。在这一层次上，多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS。
SoS级CPS:在系统级CPS的基础上，可以通过构建CPS智能服务平台，实现系统级CPS之间的协同优化。在这一层次上，多个系统级CPS构成了SoS级CPS，如多条产线或多个工厂之间的协作，以实现产品生命周期全流程及企业全系统的整合。
系统之系统级（即SoS级）是多个系统级CPS的有机组合，涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SoS级CPS通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。基于大数据平台，通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资源、建设开发社区，加快各类工业APP和平台软件的快速发展，形成一个赢者通吃的多边市场，构建一个新的产业生态。西门子Mindsphere、GE Predix以及海尔COSMO、PTC的Thing Worx等软件和大数据平台，通过实现横向、纵向和端到端集成，形成了开放、协同、共赢的产业新生态，体现了SoS级CPS的发展方向。
系统概述
信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些上如机器人，智能导航等。目前，信息物理系统还是一个比较新的研究领域。
2005年5月，要求评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。5个月后，基于此项研究的报告《站在风暴之上》问世。在此基础上于2006年2月发布的《美国竞争力计划》则将信息物理系统（Cyber Physics System，CPS）列为重要的研究项目。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件，数据、数据存储与数据流，网络，高端计算，网络与信息安全，，NIT与社会科学。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过70亿美元），以其在2016年成为智能的。
控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的遍地开花，早已成熟，其在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络大都使用的都是工业，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。
系统意义
CPS的意义在于将物理设备联网，是连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。
系统特征
海量运算是CPS接入设备的普遍特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。从计算性能的角度出发，把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构的话，那么物联网则可视为服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。在物联网中主要是通过RFID与之间的通信，人并没有介入其中。感知在CPS中十分重要。众所周知，自然界中各种物理量的变化绝大多数是连续的，或者说是模拟的，而信息空间数据则具有离散性。那么从物理空间到信息空间的信息流动，首先必须通过各种类型的传感器将各种物理量转变成，再通过模拟/变成数字量，从而为信息空间所接受。从这个意义上说，也可视为CPS的一部分。
机遇挑战
如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元，那么，CPS的市场规模则难以计数，因为CPS涵盖了小到网络大到乃至等国家级甚至世界级的应用。更为重要的是，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。
“下一代工业将建立在CPS之上，随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”表示，“CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现有产业布局。”
但CPS带来的挑战也是物联网所无法比拟的。这些挑战很大程度上来自控制与计算之间的差异。
通常，控制领域是通过微分方程和连续的来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对都十分敏感，而计算则只关心功能的实现。通俗地说，搞控制的人和搞计算机的人没有“共同语言”。这种差异将给和应用带来基础性的变革。
总结:信息物理系统的多个最小单元（单元级）通过工业网络（如工业现场总线、工业以太网等，简称“一网”），实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，就可构成智能生产线、智能车间、智能工厂，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作，进一步提高制造资源优化配置的广度、深度和精度。系统级CPS基于多个单元级最小单元的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。由传感器、控制终端、组态软件、工业网络等构成的分布式控制系统（DCS）和数据采集与监控系统（SCADA）是系统级CPS，由数控机床、机器人、AGV小车、传送带等构成的智能生产线是系统级CPS，通过制造执行系统（MES）对人、机、物、料、环等生产要素进行生产调度、设备管理、物料配送、计划排产和质量监控而构成的智能车间也是系统级CPS。
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