钢铁企业智能制造绿色化

3.智能化的核心——信息物理系统（CPS）

    3.1工业革命的进展历程

    自1784年至今，人类已经经历了3次工业革命，即以机械化为核心的第一次工业革命，以电气化为核心的第二次工业革命，以自动化、数字化为核心的第三次工业革命。目前处于第四次工业革命阶段，其核心是智能化，目标是建立智能化、数字化工厂，实现智能制造。

    数字化技术支撑起信息技术的发展，是第三次工业革命中的关键技术。在数字化发展的过程中，将绿色化生产设施与数字化基础设施（包括工业网络、数字化软硬件、数据库、智能技术等关键共性技术）结合起来，信息的获取、使用、控制以及共享变得极其快速和便捷。在数字化工厂中，不仅存在着我们能轻易看到的生产自动化、物流自动化，还广泛存在我们不易察觉的数据采集自动化、管理自动化。数字不仅仅是生产过程中产生的结果，更是引导生产、优化生产的主要依据。制造业变成数据驱动型的制造，工人、装备和产品之间实现了互联互通，数据流和物质流以及价值流实现了有机统一，车间由“黑箱”走向了透明，这是革命性的变化。

    3.2智能与智能化

    这些基础性的进步，为工业系统的智能化奠定了基础。那么，什么是智能化系统？

    首先看什么是智能。从感觉到记忆再到思维这一过程称为“智慧”，智慧的结果产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力”，两者合称“智能”。那么，智能系统有哪些特点呢？或者说应当具有什么样的能力呢？智能系统应当：

    1）具有感知能力；

    2）具有记忆和思维能力；

    3）具有学习能力和自适应能力；

    4）具有行为决策能力。

    具有上述特点的系统则为智能系统或智能化系统。这个系统能够感知、记忆、思维、自学习、自适应、决策，具有自组织、自协调、自重整能力。发展人工智能的目的是使机器更智慧、更聪明。通过学习，可以使计算机获取知识，创新、重构已有的知识，从而提升机器自身处理问题的能力，改善自身性能。所以，智能化的本质就是人、机、物的融合。它将使没有感觉、没有灵魂、不会思考、不会合作的物理系统成为活物，不仅赋予物体以感觉，还赋予其思想。最终，使机器的能力赶上甚至超过人类。

    现有的实际工控系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般很难获得精确的数学模型。应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻合。对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题。为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的投资，减低了系统的可靠性。

    3.3信息物理系统（CPS）

    第四次工业革命的核心是智能化，而CPS系统（Cyber-Physical Systems）是实现智能化的关键技术，是下一代智能化控制系统。什么是CPS系统？CPS系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。它是实时适应环境变化的动态系统。信息物理系统作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互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。

    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、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治五大功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上，如物联传感、智能家居、机器人、智能导航等。

    CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。

    3.4CPS系统的组成和功能

    CPS系统的基本组件包括传感器、执行器和决策控制单元。基本组件结合反馈循环控制机制构成了CPS的基本功能逻辑单元，执行最基本的检测与控制功能。

    CPS系统是一种由感知设备（如传感器、感应器等）、嵌入式计算设备（如分布式控制器）和网络（如WSN，Internet 等）所组成的多维复杂系统。典型的CPS体系结构中主要包括以下３类组件：传感器、执行器和分布式控制器。传感器主要用于感知物理世界中的物理信息，并通过模-数转换器将各种模拟的、连续的物理信息转化成能被计算机和网络所处理的数字的、离散的信息。分布式控制器接收由传感器采集并通过网络传输过来的物理信息，经过处理过后以系统输出的形式反馈给执行器执行，基于此来提供智能化服务。执行器接收控制器的执行信息，对物理对象的状态和行为进行调整，以适应物理世界的动态变化。

    CPS系统的核心是计算、通信、控制深度融合。CPS在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信、控制（3C）的可控、可信、可拓展的网络化物理设备系统。它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或拓展新的功能，以安全、可靠、高效、实时的方式监测或者控制一个物理实体。简单说来，CPS是开放的嵌入式系统+网络+控制功能。

    CPS系统也可以称作为一个“网络-实体系统”，即：从实体空间对象、环境、活动大数据的采集、存储、建模、分析、挖掘、评估、预测、优化、协同，并与对象的设计、测试和运行性能表征相结合，产生与实体空间深度融合、实时交互、互相耦合、互相更新的网络空间；进而通过自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构和智能支持促进工业资产的全面智能化。所以，CPS系统是智能化的核心关键技术。

    CPS系统可以被看作升级版的物联网。与物联网相比，CPS更强调数字世界对于物理世界的控制，CPS可通过互联网，以可靠并且安全的方式，实时和自治地操控一个物理实体和系统。CPS将使得数字世界不再仅仅是物理世界的虚拟映象，而将是物理世界的控制者。

    CPS集成了感知系统、计算系统、控制系统与网络系统，它主要着眼于信息世界与物理世界的协同和统一。