智慧工厂的信息物理融合系统体系结构设计

    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 。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。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 ，德国将CPS作为工业4．0的核心技术之一 。我国863技术也于2010年开展CPS的相关研究。

    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。文献描述了CPS在电力领域的应用，文献描述了CPS在航空航天领域的应用，文献描述了CPS在医疗领域的应用，文献描述了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(Communieation)与控制(Contro1)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。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。

    1.3 智慧工厂环境下CPS特性要求

    智慧工厂是数字化工厂之后新一代的制造模式，包括多种核心特征，具体如下：

    智慧工厂的异构性：智慧工厂将包括多种控制系统、智能装备和传感设备。作为智慧工厂基础的CPS应当采用开放的工业标准，集成许多功能与结构各异的子系统，各个子系统之间通过有线或无线的通信方式相互协调工作。

    智慧工厂的实时性：智慧工厂必须对工厂实时的事件做出正确、合理的反应。要求CPS系统基于事件驱动机制，具有强实时特征和时间全局一致性。

    智慧工厂的数据驱动：数据驱动是新一代工厂区别于传统工厂的本质特征。要实现工业4．0提出的三个维度数据驱动流程，在底层落地需要CPS体现以数据为中心的特征要求。

    智慧工厂的模型驱动：工厂数字模型是智慧工厂数据驱动的内在动力，体现物理模型、逻辑模型、资源模型等相关内容。CPS也必须是该模型的承载平台和运行环境，要求具备全局一致的虚拟模型。

    智慧工厂的工业特征：作为制造工厂，现实要求的高度安全性、高度可靠性、领域相关性都是对CPS的要求。

    2 CPS体系结构设计

    2.1 CPS体系结构

    CPS体系结构是CPS的核心技术，是CPS的骨架和基础。文献给出一套CPS结构体系的设计，并将其应用在智能交通领域。分析认为，这种层次结构表达的概念是清晰的，但过于粗略，细节描述不够，不利于后期的实施。本文在结合国内外大量研究成果的基础上，结合制造工厂的实际情况，提出一套符合现实应用的五层CPS体系结构，如图2所示。

    2.2 泛在感知层

    泛在感知层是实现深度嵌入到制造全流程而设计的，通过感知节点实现。一个典型的感知节点结构如图3所示，包括软件、硬件两大部分。其中硬件包括与物理对象相一致的传感器、执行单元和对应的驱动装置。软件包括传感器数据处理模块、执行单元的控制模块，节点自身的计算模块(包括缓存、地址管理等功能)，以及与网络层进行通信的模块。一个感知节点应当还包括一个能够全局同步的本地时钟，满足CPS所要求的时间一致性。

    针对工厂的物理对象，感知节点需实现“人、机、料、法、环、测、时间、空间”等八大物理要素的数字化感知。

    人：采用移动互联技术，结合RFID，NFC等近场通信技术，实现人与系统的对接。

    机：设备采用统一的资产代码，主要是利用二维码和RFID电子标签。

    料：针对连续生产过程，采用温度计、水分仪、皮带秤表征物料特性。

    法：结合生产规范要求，建立各个工序的工艺采集点，建设车间集控系统为超级节点。

    环：采用无线组网技术，如Zigbee协议、WiFi协议实现全厂动能及环境的采集与计量。

    测：构建超级节点，实现实验室数据采集、综合测试台数据采集。

    时间：建立全厂统一的时间服务器，同步各个采集点的时钟。

    空间：建立全厂采集点地址及命名字典。有条件的工厂建议采用IPv6协议。

    2.3 互联网络层

    CPS的异构性包括网络的异构及应用的异构。互联网络层将泛在感知层的大量异构感知节点实现互联互通，并支持感知节点之间的互操作，支持M2M(设备到设备)的通信。当前工厂的网络环境，绝大多数采用TCP作为传输层通信协议。但众所周知，TCP协议是一个非实时的协议，需要在语义信息层实现自定义的会话协议，或针对实时数据采用UDP协议。