小白聊智慧制造：一文读懂信息物理系统（CPS）附《CPS典型应用案例集》电子版

提到智能制造，就不能不了解CPS（Cyber-Physcial System，信息物理系统）。

随着计算技术、通信技术和智能控制技术的迅速发展，信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）一经提出便引起学术界及产业界的广泛重视并保持快速发展。

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。

Cyber-PhysicalSystems(CPSs)即信息物理系统，它是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，信息物理系统这个概念与物联网概念相似，但与物联网相比，信息物理系统更注重强调控制。

抛开学术的角度看CPS（推荐大家看工信部信软司的《信息物理系统白皮书（2017）》、李杰等著《CPS：新一代的工业智能》李杰等著），概括起来很好理解，就是3C:Computation(计算）、Communication(通信）、Control(控制）。

了解了CPS的基本概念，我们再来分析一下CPS的技术体系，概括来说就是:"一硬，一软，一网，一平台。"

通俗的来讲，如果说"一硬"是骨骼，那么"一软"就是肌肉，如果"一网"是心脏和血管，那么"一平台"就是大脑。

总而言之CPS可以让一个系统像人一样感知、思考、行动和创造。

其实，CPS并不是一个新事物。

1898年，特斯拉注册了无线控制技术（在纽约中央公园的湖里进行了遥控自动化小艇的实验，取得极大成功），这是CPS的早期应用实例。

他在“远程自动化”中讲道：“当无线被完美应用时，我们的地球将会变成一个大脑，事实上就是通过仪器我们能实现一些惊人的事情，就如同像现在我们使用电话一样，比如一个人可以将任何东西放在他的口袋里”，这其实是对CPS的早期预言。

按现在普遍的观点信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是由信息世界-Cyber和物理世界实体的世界-physical组成的系统。

在制造领域，信息世界-Cyber是指工业软件和管理软件、工业设计、互联网和移动互联网等；物理世界是指能源环境、人、工作环境、工厂以及机器设备、原料与产品等。

这两者一个属于实体世界，一个属于虚拟世界；一个属于物理世界，一个属于数字世界。将两者实现一一对应和相互映射的是物联网，因其是物联网在工业中的应用，我们又称之为工业物联网。我们通常又将其等同于美国提出的工业互联网。

从本质上来说，CPS和工业互联网（工业物联网）以及我国的“中国制造2025”并无本质的区别，只是表述的角度不同而已，其根本的目的就是智慧制造。

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一个世纪以来，无线电技术发展，开创了一个与物理世界并行的无线世界。

我们周围存在大量的无线电波，包括模拟的、数字的。这些电子世界通过各类接收装备、终端与我们人类相连。但长期以来，信息与物理对象之间存在“狭缝”。

举个例子说，我们想用“意念”控制房间的灯，但事实上“意念”不能直接连接灯具的控制回路中，我们还需要通过“手动操作开关电路”来完成。

今天，我们想通过信息化去控制一切为我们服务的物理对象，包括工厂、装备、飞机、汽车等，都需要一个介于“我们”与“物理对象”之间的”开关电路”，才能实现物理对象按我们的要求动作。

这种实现物理对象与信息空间之间进行信息交换、能量交换、语义翻译的中间系统，打通实体与信息空间阴阳两界的系统，可以称之为CPS。换句话说，今天的两化融合，如果没有CPS为中介，就无法实现融合。

CPS的基本功能有哪些？

要实现信息空间与物理对象的融合，实现在信息空间状态变化与物理对象状态变化的同步，就需要采集（Acquisition）、分析（Analysis）、调整（Adjustment）、执行（Automation）4个A。举个例子。

无人机与操作器、人之间存在一个看不见的CPS系统，实现人对无人机之间的信息交换、精确控制。

CPS需要采集及测量。通过各类传感器，包括地磁、速度等。如无人机接收GPS信号用于导航，并实现过远在数百米外的人员对无人机环境的了解。

在飞行过程中，无人机可以利用采集的信号进行分析，并确定自身的位置和采取合适的执行，如无人机的自动避障。

无人机通过CPS精确执行给定的指令或通过信息采集，自动计算出引导飞行路径。如自动返航、掌控及降落。

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CPS的特点主要包括了：嵌入式系统、实时系统、有线或者无线的网络和控制理论等。

嵌入式系统：嵌入式系统是CPS最普遍的特征之一，这些计算机通常直接与物理世界相连接（传感器、控制器和执行器），且只执行一些特定的操作。

这类计算机并不需要传统计算机那样的计算能力，因此它们的资源往往是有限的。其中一些嵌入式系统甚至不运行操作系统，而只是在固件上运行一个特定的软件，以此来提供对设备和硬件的低级控制，像这样的没有操作系统的设备也被称作为裸金属系统（裸机电脑）。

即使嵌入式系统有一个操作系统，它们运行的操作系统通常也仅仅是一个精简版系统，用以支持平台所需的最小工具。

实时系统：对于功能安全来说，为了确保系统的正确性，执行计算的时间是很重要的。

实时编程语言可以帮助开发人员为他们的系统指定时间以满足时间要求，而实时操作系统可以保证接受和完成应用程序任务的时间。

网络连接：虽然目前许多关键基础设施（如电力系统）在其SCADA系统中使用了串行通信来监控远程操作，但越来越多的嵌入式系统通过与IP兼容的网络进行通信。

系统不同部分之间的信息交换在过去的20年才开始从串行通信迁移到IP兼容的网络。例如：Modicon于1979年发布的串行通信协议Modbus，随后串行协议在20世纪90年代有了更多功能的IEC 60870-5-101和DNP3。

虽然大部分的远距离通信是通过有线网络进行的，但无线网络也是CPS的一个特点，在消费者嵌入式领域，蓝牙就是一种流行的无线协议。

控制性：大多数的CPS观察并控制物理世界中的变量。

反馈控制系统已经存在了两个世纪，早在1788年，就有蒸汽调速器这样的技术。大多数控制理论采用微分方程建立一个物理模型，然后设计一个控制器以满足一组期望的特性，如稳定性和效率。

控制系统最初设计有模拟传感和模拟控制。随着计算机网络的使用，数字控制器远离了传感器和执行器（如泵、阀门等），这样就产生了一种网络控制系统。

目前还在研究的是将传统的物理系统模型（如微分方程）和计算模型（如有限状态机）结合起来，封装在一个混合系统内，称之为混合系统。

由于CPS是多种多样的，包括工业系统、现代车辆、医疗设备等，这些系统都有不同的特点，上述特点为CPS的一般特点，并不能适用于所有的CPS中。

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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涵盖了小到智能家庭网络，大到工业控制系统乃至智能交通系统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、工业自动化、健康/医疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。”中国科学院院士何积丰表示，“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边界条件来处理问题，而计算则建立在离散数学的基础上;控制对时间和空间都十分敏感，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”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革。

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元工赛博物理系统CPS