系统分析师-信息物理系统分析与设计

物联网（IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，物联网的核心和基础仍然是互联网，其用户端延伸和扩展到了更广泛的物理实体，满足它们之间信息交换和通信的需求。因此，物联网也可以说是，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议将任何物理实体与互联网相连接，满足彼此之间信息交换和通信的要求，以达到对物理实体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理目的的一种网络。

信息处理是物联网的基本功能，具体体现为：信息获取、信息传送、信息处理、信息施效。

物联网的基本特征：整体感知、可靠传输、智能处理。

2. CPS 简介

CPS是将计算资源与物理资源紧密结合的产物，CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，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、实时交互、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。

CPS就是以实时、可靠、安全的网络为支撑，实现一套在信息（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间基于数据流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准控制和执行的闭环赋能体系。

1.3 CPS与物联网的关系

CPS与物联网的关系：CPS与物联网有类似的能力，但CPS更强调循环反馈，要求系统能够在感知物理世界之后通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用。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。

二、信息物理系统架构

2.1 CPS分层架构

CPS可划分三级，即单元级、系统级、系统之系统级（SoS）。它们之间是一种递进、扩展关系。

单元级CPS是具有不可分割性的CPS最小单元。单元级CPS可以是一个部件或一个产品，通过特定硬件和软件构成的"感知- 分析- 决策- 执行"数据闭环系统，具备可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能。单元级典型应用如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。

系统级CPS是由单元级的CPS和跨越不同单元级CPS的网络共同构成的有机组合体，其中多个CPS最小单元（即单元级CPS）通过工业网络连接在一起，实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，以构成智能生产线、智能车间、智能工厂，从而实现多个单元级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。

SoS级CPS是由多个系统级CPS通过CPS智能服务平台有机融合在一起的组合体。换言之，通过CPS智能服务平台对若干系统级CPS的工作状态进行统一监测、实时分析、集中管控，利用数据融合、分布式计算、大数据分析技术对多个系统级CPS的生产计划、运行状态、生命周期估计等进行统一监管，实现企业级远程监测诊断、供应链协同、预防性维护等，通过大数据平台，实现跨系统、跨平台的互联互通和互操作，促成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，以实现更大范围内的资源优化配置，避免资源浪费。

2.2 CPS典型系统构成

CPS由基本功能单元组成，包括传感器、执行器和决策控制单元等。传感器是一种嵌入式设备，能够监测、感知外界信号、物理条件（如光、热）或化学组成（如烟雾等）；执行器是一种嵌入式设备，能够接收控制指令并对受控对象施加控制作用；决策控制单元是一种逻辑控制设备，能够根据用户定义的语义规则生成控制逻辑。

CPS从逻辑上划分为决策层、网络层和物理层。决策层通过语义逻辑运算等方式实现用户、感知和控制系统之间的逻辑耦合；网络层通过网络传输处理等过程连接CPS在不同空间、时间的子系统；物理层是CPS与物理实体的接口，实现感知与控制计算。

2.3 CPS特点

CPS通过打通两大空间（信息空间和物理空间），在数据闭环自动流动的四个过程（状态感知、实时分析、科学决策、精准执行）中实现物理系统的业务功能。

(1)CPS控制系统通常是封闭系统，网络内部各个独立的子系统或者设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，其通信距离很短，通信功能比较弱。
(2)CPS采用分布式应用系统进行构建，通常系统复杂度高，规模庞大。
(3)海量运算是CPS接入设备的普遍特征。接入设备通常具有强大的计算能力。
(4)感知是CPS的基础。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。从物理空间到信息空间的信息流动，需要经过一系列处理，才可被信息空间所接收。
(5)CPS应用广泛性。

CPS具有与传统的实时嵌入式系统和监控与数据采集系统（SCADA）不同的特质：

(1)全局虚拟、局部物理性。局部物理世界发生的感知和操作，可以通过虚拟网络被安全、可靠、实时地观察和控制。
(2)深度嵌入性。嵌入式传感器与执行器，是将计算嵌入物理部件，甚至可能嵌入物质里，使物理设备具备计算、通信、控制、远程协作和自洽等能力，尤其是将计算作为物理对象的一部分。
(3)事件驱动性。物理环境和对象状态的变化构成CPS事件，形成"事件 ↠↠ 感知 ↠↠ 决策 ↠↠ 控制"的闭环过程。
(4)以数据为中心。CPS各个层级的部件与子系统都围绕数据融合向上提供服务，数据沿着从物理世界接口到用户的路径上不断提炼、抽象，用户最终得到全面的、精确的事件信息。
(5)时间关键性。物理世界的时间是不可逆转的，应用可能对CPS的时间性提出严格要求。
(6)安全关键性。CPS的系统规模与复杂性对信息系统安全提出更高要求。
(7)异构性。CPS包含了许多功能与结构各异的子系统，各个子系统之间需要通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
(8)高可信赖性。物理世界不是完全可预测和可控的，对于意想不到的情况，应保证CPS鲁棒性；同时系统应满足可靠性、效率、可扩展性和适应性等要求。
(9)高度自主性。CPS部件与子系统通常具备自组织、自配置、自维护、自优化和自保护能力，支持CPS完成自感知、自决策和自控制。
(10)领域相关性。CPS与领域强相关，与工程应用领域密不可分。

三、信息物理系统技术框架

3.2 CPS核心技术

（1）感知和自动控制。是CPS实现的硬件支撑。主要有智能感知技术和虚实融合控制技术。

（2）工业软件。固化了CPS计算和数据流程的规则，是CPS的核心，其主要涉及嵌入式软件技术、MBD技术、CAX/MES/ERP软件技术等。

（3）工业网络。是工业监测和控制数据等在入、机、物之间传输的网络载体，其采用的接入技术主要有现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN等。

（4）工业云和智能服务平台。是CPS数据汇聚和支撑上层应用解决方案的基础，对外提供资源管控和能力服务。其采用的主要技术有边缘计算技术、雾计算技术、大数据分析技术等。

3.3 CPS支撑技术

（1）计算理论与技术，是CPS实现的根本基础。主要的计算技术包括普适计算、嵌入式计算、分布式计算和云计算、移动计算、自律计算和可信计算等。

（2）网络传输技术，以计算机和通信技术为基础的传输网络是实现CPS功能的重要基础设施。

（3）传感器网络与普通感知技术，大量的传感器以无线通信的方式自组织成的网络为无线传感器网络（WSN），以协作方式感知、采集和处理物理对象的信息。此外，在CPS环境下，还出现了一种新的传感器网络技术，即WSAN，传感器和执行器融合的网络技术。既能采集信息，也能操控物理对象。

3.4 协议标准

3.4.1 协议栈模型

∙∙ 典型网络协议栈包括OSI模型（即7层网络协议模型）或5层网络协议模型。（同计算机网络）

3.4.1 CPS相关协议

CPS相关协议分类如表所示

1. RFID

RFID通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的通信技术。其采用微波，工作频率在1- 100GHz范围，适用于短距离识别通信。RFID是一种无接触自动识别技术，能够实现对静止或移动中物品的自动识别。

RFID系统由两个部分组成，即电子标签和阅读器。电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成。阅读器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。根据使用的结构和技术不同，阅读器可以是读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。

2. NFC

NFC是一种新兴通信技术，是由RFID演化而来，基于NFC通信技术的设备（如手机）可在彼此靠近的情况下进行数据交换。具体来说，NFC是一种短距离光的无线电技术，NFCIP- 1标准规定NFC的通信距离为10cm以内，运行频率为13.56MHz，传输速度有106kb/s、212kb/s、424kb/s三种。

NFC工作模式分为被动模式和主动模式。

被动模式中NFC发起设备（也称为主设备）需要供电设备，主设备利用供电设备的能量来提供射频场，并将数据发送到NFC目标设备（也称作从设备）。从设备不产生射频场，所以可以不需要供电设备，接收主设备发送的数据，并且利用负载调制技术，以相同的速度将从设备数据传回主设备。因为此工作模式下从设备不产生射频场，而是被动接收主设备产生的射频场，所以被称作被动模式。

主动模式中，发起设备和目标设备在向对方发送数据时，都必须主动产生射频场，所以称为主动模式。

这种通信模式是对等网络通信的标准模式，可以获得非常快速的连接速率。

NFC系统工作形态主要有点对点形式、读卡器形式和模拟卡片形式。

3. Bluetooth 和 BLE

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术，它采用短波长、超高频无线电波进行通信，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4- 2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波），主要用于音频流，同时也是许多无线互连设备通信的重要手段。

低能耗蓝牙（BLE）是为低功耗IoT设备互连而优化的蓝牙升级版。

4. ZigBee

ZigBee也被称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或fireFly无线电技术。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，其通信距离可从标准的75m，延伸到几百米，乃至几公里。ZigBee网络适用于工业现场自动化控制数据传输，具有组网简单、使用方便、工作可靠、价格低等特点。

实际应用中，每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，即对其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中继其他网络节点转发来的数据。此外，ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络数据中继任务的孤立节点建立无线连接。

ZigBee可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，它的传输距离通常为10- 75m。

ZigBee优势：低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全。

5. LoRa 和 LoRaWAN

长距离通信协议LoRa是一种专用于无线电调制解调的技术，LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，它本身是一种非蜂窝无线通信技术，提供长距离通信能力，同时具备低功耗、安全数据传输能力。

在LoRaWAN网络中所有设备可以是异步的，并在只有可用数据时才进行传输。针对不同应用场景，LoRaWAN定义了三种节点运行模式，分别是ClassA（ALL）、ClassB（Beacon）、ClassC（Continuously Listening）。

ClassA模式主要提供低功耗上行连接，处于ClassA模式的节点可以在任意时间发起上行数据传输，并只在传输结束时打开两个下行接收窗口，此时接收来自网关的确认信息。ClassA模式下，网关无法主动连接到节点，当无数据传输时，节点处于休眠状态，因此该模式下节点能耗最低。
ClassB模式采用的是节点与网关的周期性连接，LoRa网关节点周期性向普通LoRa节点广播信标帧，保持节点与网关时间同步。
ClassC模式采用的是节点与网关的持续性连接，LoRa节点始终处于唤醒状态，因此能耗最高。

LoRa作为广泛使用的低功耗广域网技术（Low Power Wide Area Network, LPWAN），为低功耗物联网设备提供了可靠的连接方案，LoRa具有低数据率、远距离和低功耗的性质，因此非常适合与室外的传感器及其他物联网设备进行通信或数据交互。

6. LPWAN

LPWAN是低功耗广域网，其特点在于极低功耗，长距离以及海量连接，适用于物联网万物互联的场景。

LPWAN填补了常见通信技术的空白，即通信距离长、能耗低、通信速率低。LPWAN虽然通信速率不高，但是依然能够满足大部分CPS通信的需求，其超低功耗的特点是它得以青的原因。

LPWAN兼具短距离无线网络低功耗和蜂窝网络超大覆盖范围的优点，覆盖范围广、通信能耗低。因此，对于分布在大范围区域内的低功耗物联网设备来说，LPWAN是最佳的连接选择。

7. 蜂窝移动通信

蜂窝移动通信是众所周知且应用最广的一种物联网应用通信手段。它可为物联网设备提供远距离的通信。所有的蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间建立无线通道，实现移动用户之间或移动用户和数据网络之间的通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游的能力。蜂窝移动通信经历了2G、3G、4G、5G等几个阶段

2G的出现标志着数字通信的开始，2G又叫GSM，即全球移动通信系统。通过2G网络，用户可以打电话，发短信，之后就是GPRS，又称为2.5G，传输速率有提升。

蜂窝通信发展到3G，用户的数据传输速率更高。3G标准有CDMA2000、WCDMA和TD-SCDM。

4G 数据传输速率就更高了，用户可以用手机进行看视频、听音乐等一系列多媒体业务。

5G网络是第五代移动通信网络，5G的理论峰值速率可以达到10Gb/s。同时5G定义了三大应用场景：增强型移动互联网业务（eMBB）对应的就是10Gb/s的速率，海量连接的物联网业务（mMTC）对应的是每平方公里1百万设备连接数，超高可靠性与超低时延业务（uRLLC）对应的是1ms时延。

8. Ethernet

Ethernet在1980年由IEEE组织完成标准的制定，即形成IEEE802.3标准。此Ethernet标准规范定义了数据传输协议，以及Ethernet产品（如接口卡、线缆等规格等）建造技术细节等。

传输速率方面，早期典型Ethernet支持10Mb/s传输速率，随后发展至支持FastEthernet（最高支100Mb/s传输速率）、GigabitEthernet（最高支持1Gb/s传输速率）等更高传输速率的标准。

9. RS-232

RS-232是一种串行通信标准，通常用于两个互连设备的异步通信。它定义了设备之间通信链路的电气和物理特性。通常RS- 232接口以9个引脚（DB- 9）或25个引脚（DB- 25）的形态出现。

10. RS-485

RS-485是一种差分总线通信协议，允许多个设备共享同一通信链路，支持双向全双工数据收发机制，提供更高通信速率，且抗干扰能力强，支持长达1200m距离的通信，使得使用该标准的通信设备可在远距离以及复杂电子噪声环境下进行有效通信。

11. USB

USB是一种通用串行总线协议标准，通常用作计算机和周边设备之间互连的协议。USB传输速率可高达480Mb/s（USB2.0）或5Gb/s（USB3.0）。相对传统的串口速率有质的飞跃。USB接口支持即插即用和热插拔功能。扩展性强，可通过USB集线器将一个USB接口扩展成多个接口。另外，USB的低功耗设计有效降低设备功耗，更加环保。

12. AMQP

高级消息队列协议（AMQP），是一种开放的标准协议，更多用于面向消息的中间件。通过它可实现系统之间消息互操作要求，同时兼具安全性和可靠性。AMQP是一个二进制协议，具有多信道、协商式、异步、安全、跨平台、中立、高效等特点。AMQP通常分为三层，即模型层、会话层和传输层。模型层定义了一套命令，客户端应用可以利用这些命令来实现其业务功能；会话层负责将命令从客户端应用传递给服务器，再将服务器应答回传至客户端应用，会话层为这个传递过程提供可靠性、同步机制和错误处理；传输层提供帧处理、信道复用、错误检测和数据表示。

13. CoAP

受限应用协议（CoAP）是基于HTTP的IoT设备通信协议。CoAP利用UDP建立安全通信连接，支持数据在多节点之间传送。CoAP更适用于物联网环境中受限设备之间的通信。这些设备通常具有低带宽、低可用性，甚至低功耗等特点。

CoAP具有如下特点： ① 采用Web协议架构实现M2M通信需求； ② 基于UDP通信，具有可选的可靠性保证能力，支持单播和组播方式信息交互； ③ 采用异步消息交换； ④ 轻量级头部设计，解析复杂度低； ⑤ 支持URI和Content- Type； ⑥ 支持简单的数据缓存和代理功能； ⑦ 采用无状态的HTTP映射； ⑧ 支持DTLS协议。

14. DDS

DDS是对象管理组织（OMG）为实时系统开发的一种数据分发服务。OMG把DDS看作是以数据为中心互连的中间件协议和API标准。它集成系统部件，提供低延时数据互连，同时具有极高可靠性和可伸缩能力，以满足关键业务或任务的IoT应用需要。DDS是一种以数据为中心建立连接的中间件协议。它把系统的部件集中在一起，提供一种低时延、高可靠、可扩展的数据互通服务架构。DDS给出了面向分布式应用通信和集成的以数据中心化为特征的订阅发布模型。

15. LwM2M

LwM2M是一种轻量机器间通信协议，用于传感器网络/M2M通信环境的设备管理。此通信协议特别适用于远程设备管理，IoT或M2M应用环境中的遥感服务，尤其是对于那些处理能力和存储能力有限的低功耗设备来说，此通信协议是极佳选择。LwM2M提供设备管理和服务使能的能力以实现对Cellular IoT网络中设备的管控。

16. MQTT

消息队列遥测传输协议（MQTT）是一种C/S模式的发布/订阅消息传输协议。MQTT起初是一种专门为M2M、移动应用通信而设计的协议，后来成为物联网主流开源协议。其简单的报文发送机制方便受限设备之间通信，特别适合低带宽环境，或者是网络质量不高的通信场景。

MQTT采用开放型架构设计，具有协议简单易实现，支持基于QoS的数据传送机制，具有占用较小软件空间（轻量化）、开销低节省传输带宽、承载的数据无关性、耗电量低等特点，同时支持持续会话感知能力等。

MQTT消息采用二进制消息格式进行编码，减少通信数据长度，提升通信效率。MQTT消息通信模型是基于主题和订阅来建立。主题是发布消息和订阅消息的字符串，采用分层结构，可包含多级。订阅用来指定哪个客户关注并接收哪个主题的消息。如图所示。

MQTT还提供通配符选项，也就是在订阅时采用通配符可一次订阅多个主题。主题通配符包含两类：单级通配符，多级通配符。

关于消息持久性能力，MQTT提供三类消息持久性选项，即非持久性、队列型持久性和确认型持久性。非持久性选项，即消息不在系统中缓存。队列型持久性选项，即在消息无法通知到订阅者时进行队列缓存，以便随后再通知。确认型持久性选项，即发送给订阅者的消息需得到其确认。

在安全性上，MQTT支持TLS加密体制来保证消息在MQTT客户和消息中介之间传递的安全性。

17. Wi-Fi

Wi-Fi属于IEEE802.11标准的无线局域网技术。它提供数据快速传输，大数据量处理能力。它特别适用于短、中距离LAN环境。

就Wi-Fi网络来说，可有两种组网模式，分别是基础结构模式和组织模式。在基础结构模式中，至少包含一个无线接入点（AP）和若干无线终端设备（STA），它们组成基本服务集合（BSS）。自组织模式是无中心的，又称为点到点模式，整个网络无固定基础结构，每个节点或终端设备都是移动的，可以理解为临时组成的网络，彼此都能以任意方式动态保持与其他节点或终端设备的联系，不同终端设备之间可以直接通信。

典型Wi-Fi网络通常由基本服务单元、分配系统（DS）、扩展服务单元（ESS）等组成。

就协议来讲，IEEE802.11只负责终端设备所使用的无线介质上的寻址。另外，IEEE802.11不直接涉及分配系统，只约定了分配系统应提供的服务。针对Wi-Fi无线局域网，定义了9种服务。其中，5种服务属于分配系统的任务，它们分别是建立关联、取消关联、分配、集成和再关联；4种服务属于终端设备或站点（STA）的任务，它们分别是鉴权、取消鉴权、隐私和MAC数据传输。

18. XMPP

可扩展消息传送和存在状态协议（XMPP）基于TCP，采用XML消息提供服务，在XML流内采用异步通信机制。一个XML流就如同一个信封，封装两个实体之间交互的XML信息。XML流承载XML段，每个XML段包含要交互的具体信息。XMPP支持基本XML流层处理；支持通道TLS方式加密；支持基于SASL的强认证模式；支持消息中内嵌网络可用性信息；支持Presence订阅的双向授权；支持提供在线联系者列表服务；XMPP支持结构化可扩展数据在网络中多实体之间实时传送。

XMPP协议（RFC3920）类似SMTP协议，提供不同设备之间的通信服务。

作为一种简单的通信方式，基于XMPP协议工作的设备充当客户端，以唯一名字与其他设备（客户端）通信。它们之间需要通过XMPP服务器提供中转路由服务。

还有另外一种复杂的通信架构，即在不同设备（如XMPP客户端、SMS客户端、SMTP客户端等）之间加入XMPP网关，实现不同类型设备互联互通。

19. Z-Ware

Z-Ware是一种基于低功耗无线频率技术构建的无线Mesh网络通信协议，通过网状网络和消息确认机制实现双向通信。

Z-Wave设备分为主控设备（Controller）和从设备（Slave）两类。

Z-Ware主控设备可作为一个中心点（Hub），负责以下工作： ① 建立和维护Z-Wave网络； ② 在Z-Wave网络内增加或去配对Z-Wave节点设备； ③ 控制外部设备与Z-Wave节点设备之间的通信。需要说明的是，Z-Wave网络仅允许指派一个主控制节点。

Z-Wave从设备是实际的Z-Wave兼容设备，如智能恒温控制器、运动传感器、智能门锁、智能开关、可视门铃等。Z-Wave中每个设备均可作为终端节点或中转（路由）节点来为其他设备转发数据。通过采用Mesh技术架构，使得Z-Wave网络的通信范围由点到点扩展到更大范围，从而使得数据从一个节点分发至另一节点，甚至多个中间节点，最终到达目标节点。

20. MBus

MBus（Meter Bus）是一种仪表总线技术协议，其主要特点是经由两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据，主要用于工业、市政、家庭等场景。利用MBus系统，可大大简化系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高等优点。

MBus常用于各类仪表或装置的能耗等计量类智能管理系统。基于MBus构成的智能管理系统通常由主机（主站）、MBus总线、从机（终端数据或信号采集子站）等组成。MBus系统的主机或主站（Master）最多可读取250个从机或子站（计量设备）的数据。这些计量设备包括热力表、水表、电表、燃气表等。

MBus系统一般由主机、从机、集中器和两线制总线等组成，通过总线连接主机和各类仪表或装置，实现仪表或装置的数据采集功能。MBus采用主从式半双工通信方式通信，即主叫/应答方式通信，只有处于中心位置的主机发出询问后，从机才可向主机传输数据。通过此方式实现主机对从机数据的采集。

四、信息物理系统开发技术

CPS关键技术涉及感知和自动控制、工业软件、工业网络，以及工业云和智能服务平台诸多方面。

4.1 感知和控制相关技术

感知和自动控制技术主要包括智能感知技术和虚实融合控制技术

CPS系统主要使用的智能感知技术是传感器技术。如RFID，一般由电子标签、读写器、计算机网络及数据处理系统三大部分组成。

CPS虚实融合控制是建立在状态感知的基础上，采用一种多层"感知- 分析- 决策- 执行"循环模型实现对物理实体的控制。虚实融合控制分层结构由底到上如下：

(1)嵌入控制。主要针对物理实体进行控制。通过嵌入式软件，从传感器、仪器、仪表或在线测量设备采集被控对象和环境的参数信息而实现"感知"，通过数据处理来"分析"被控对象和环境状态，通过控制目标、控制规则或模型计算而"决策"，向执行器发出控制指令而"执行"。
(2)虚体控制。是指在信息空间进行的控制计算，主要针对信息虚体进行控制。一是在嵌入式软硬件中实现复杂计算不如在"大"计算环境（如云计算）成本低、效率高；二是需要同步跟踪物理实体的状态（感知信息），通过控制目标、控制逻辑或模型计算而向嵌入控制层发出控制指令
(3)集控控制。在物理空间，一个生产系统往往由多个物理实体构成。在信息空间内，主要通过CPS总线方式实现信息虚体的集成和控制。
(4)目标控制。对于生产而言，从实际生产的测量结果或追溯信息中收集产品数据，通过即时比对研判生产是否达标。

4.2 工业化相关技术

工业软件是指专用于工业领域，为提高工业企业研发、制造、生产、服务与管理水平以及工业产品使用价值的软件。CPS涉及的工业软件技术主要有嵌入式软件技术、MBD技术、CAX/MES/ERP软件技术等。

基于模型定义技术(MBD)是采用一种集成的全三维数字化产品描述方法来完整表达产品的结构信息、几何形状信息、三维尺寸标注和制造工艺信息等的技术。它将三维实体模型作为生产制造过程的依据，改变传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。

CAX是CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI等各项技术统称。CAX实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来，彼此协同工作，从产品研发、设计、生产、流通等各个环节对产品全生命周期进行管理，实现对生产和管理过程的智能化、网络化管理和控制。

MES是满足大规模定制需求，实现柔性排程和调度的关键，其主要操作对象是CPS信息虚体。通过对信息虚体的操控，以网络化和扁平化的形式对企业生产计划进行"再计划"，"指示"生产设备"协同"或"同步"动作，对产品生产过程进行及时响应；基于当前实时状态数据对生产过程进行即时调整、更改或干预等实现生产过程智能化管控。与此同时，信息虚体的相关数据通过MES收集整合形成工厂的业务数据，再通过工业大数据的分析整合，使其在全产业链可视，进而达到企业生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化和质量最优化的目的。

4.3 网络相关技术

CPS中的工业网络技术将颠覆传统的分层模型的自动化控制层级，取而代之的是基于分布式的全新范式。设备可以相互连接，彼此对外提供网络服务，每层都拥有更多的嵌入式智能/响应式控制的预测分析，每层都可以使用虚拟化控制功能的云计算技术。

CPS网络的实现，在接入技术上，采用有线网络、无线网络和基于有线无线网络形成的柔性灵活的工厂网络。从网络类型来分，既有各种智能设备组成的专用协议局域网，也有基于通用TCP/IP的公共互联网。

现场总线技术。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数据传递，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
工业以太网技术。当前广泛使用的工业以太网技术有十余种，如EtherCAT、EthernetPowerlink等。这些工业以太网技术，基本上都是各家厂商基于IEEE802.3（Ethernet）百兆网增加实时特性来实现的。工业以太网提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
无线技术。由于其节省线路布放与维护成本，组网简单（常支持自组织组网，而且无须考虑线长、节点数等限制），被广泛应用于工业生产场景中，尤其是在某些不适宜有线布放环境（如高温、腐蚀环境）下，无线几乎是唯一选择。
SDN。为了适应柔性生产需求，单元级CPS需要进行灵活重构。基于软件定义网络（SDN）采用管理平面与业务平面分离，可以提供网络资源灵活编排。

4.4 服务平台相关技术

服务平台通过边缘计算技术、雾计算技术、大数据分析技术等进行数据加工处理。

边缘计算是指基于融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，在靠近物或数据源头的网络边缘就近提供智能服务，进而实现行业数字化在敏捷连接、实时业务处理、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

雾计算，可理解为一种分布式计算。通过雾计算，可将数据、数据处理和应用程序集中在网络边缘设备中，数据存储及处理仅依赖本地设备，而非远端服务器。在CPS中应用雾计算，通过智能路由器等设备和技术手段，在不同设备之间构建数据传输带，有效减少大范围网络流量，缓解数据中心的计算负荷。雾计算不仅可以解决联网设备自动化问题，更关键的是，还能有效降低网络数据传输带宽要求。

工业大数据的典型应用有产品创新、产品故障诊断与预测、工业企业供应链优化和产品精准营销等诸多方面。工业云和智能服务平台可以通过大数据分析来实现上述创新。

五、控制系统与网络通信

在CPS系统中，自动控制无处不在。而控制过程的执行，往往又离不开通信的支撑。

自动控制，即通过自动化方法实现对特定工业领域或企业组织的生产或业务过程、设备、系统的控制。其主要控制功能包括物理量测量、测量结果比较、对测量误差和预期误差的计算，以及为避免后续误差而采取的过程校正能力等。

自动控制系统行为模式包括以下几个方面：

(1) 开环控制。其显著特点是对控制的输出缺乏反馈，此控制模式，通常适用于对控制的输出无特别要求，或者是控制的输出结果如何对过程整体执行无特别影响或可容忍的场合等。
(2) 闭环控制。其特点是对过程的控制带有反馈能力。此控制方式，是通过感知过程输出，如对输出过程进行测量，并将测量结果反馈至控制器来实现的。
(3) 顺序控制。即按照固定的顺序逐步执行的过程，或按照既定的逻辑有序执行的过程。
(4) 批量控制。即批处理过程，是指利用一个或以上设备，对输入的有限数量的材料按照事先预定的处理行为进行加工的控制过程。

自动控制系统中的通信可以从两方面来刻画，即周期性和确定性。最常见的有周期性、确定性通信，非周期性、确定性通信，非确定性通信三种。

周期性是指通信数据的传输间隔是重复的。

非周期传输，比如由某一突发事件触发的数据传输，此类事件可以是控制系统或用户定义的任何事件。∙∙ 通常有如下几种事件类型：过程事件、诊断事件、维护事件。

确定性通信是指消息发送和接收之间的延时时间是稳定的或在一定范围内。即通信时延限制在一个给定的阈值内。

整体来看，在工业应用环境中主要有三种典型的业务类型或通信模式：

(1) 确定性周期通信，即周期性通信，并对传输时间有严苛要求。
(2) 确定性非周期通信。通信未预设确定的发送时间，如事件驱动的行为指令下发。
(3) 非确定性通信。除了上述两种类型通信之外的其他通信，如周期性非实时、非周期非实时的通信。

六、CPS应用分析与设计

6.1 工业设计系统

1. 需求分析

通常在产品及工艺设计、生产线或工厂设计过程中，借助仿真分析手段来提高设计精度。需要建立实际应用与设计之间的信息交互平台，使得在设计过程中可以直接提取真实数据，通过对数据进行分析处理来直接指导设计与仿真，最后形成更优化的设计方案，提高设计精度，降低研制成本。

2. 解决方案设计

随着CPS不断发展，在产品及工艺设计、生产线或工厂设计过程中，企业流程正在发生深刻变化，研发设计过程中的试验、制造、装配都可以在虚拟空间中进行仿真，并实现迭代、优化和改进。

1）产品及工艺设计。通常为了更好地满足设计目标，需要通过基于产品应用环境进行产品使用性能的仿真。为了使产品的制造工艺设计更加精准、高效，需要对实际制造工艺的具体参数进行采集，在软件系统或平台中将工艺参数、工艺设计方案、工艺模型等进行信息组织和融合，并考虑不同的工艺参数对产品制造质量/效率、产品制造设备可承受力等方面的影响来建立关联模型，进而基于模型并依据工艺设计目标和制造现场实际条件，以及已有工艺方案、工艺规范，以实时采集的工艺数据进行仿真，最终形成制造工艺优化方案。

2）生产线设计。首先建立产品生产线初步方案，初步形成产品的制造工艺路线，基于此工艺路线，采集实际和试验所生成的工时数据、物流运输数据、工装和工具配送数据等信息，并在软件系统中基于工艺路线建立生产线中的人、机械、物料等生产要素与生产线产能之间的信息模型。建立生产线生产模型，进行生产线生产仿真，依据仿真结果优化生产线的。

6.2 生产制造系统

1. 需求分析

生产过程的管理和控制缺乏数据信息等决策依据，就可能导致管理者决策出现偏差和任务执行欠妥当等问题发生。这样会造成资源调度和生产规划的不合理，并阻碍生产制造效率和质量的提高。为解决上述问题，可利用CPS打破生产过程的信息孤岛，通过不同设备互联互通，对生产过程进行监控，有序管理和调度各种生产资源，达到资源和制造协同，实现"制造"到"智造"的升级。

2. 解决方案设计

CPS从生产制造环节的应用需求出发，对生产制造环节进行优化，解决资源优化配置问题。CPS通过软硬件配合完成物理实体与环境、物理实体(包括设备、人等)之间的感知、分析、决策和执行的协同互动。

1)设备管理。CPS将无处不在的传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、信息终端、生产装置通过不同接入方式(如串口、以太网、工业总线等接口)连接成一个智能网络，进而构建起设备网络平台或云平台
2)生产管理。基于CPS对生产过程进行重构，在生产管理过程中集成工业软件，构建工业云平台对生产过程数据进行管理，打通生产管理人员、设备之间信息通信通道，将车间人员生产活动、设备运行状态等转换为实时数据信息，再对这些数据信息进行收集和传输，以及对这些信息进行实时处理分析，最后形成对生产制造环节的智能决策，并根据决策信息和管理层意志形成反馈及时调优制造过程。
3)柔性制造。柔性制造的要求就是能够根据快速变化的需求变更生产，因此，CPS契合了柔性制造的要求为企业柔性制造提供了有力的支撑。

6.3 产品服务系统

1. 需求分析

庞大多样智能装备和产品融入企业生产中，必然会产生各类海量的多样化、碎片化信息，并且分散到各环节，这必然会给传统制造模式下运营管理、维护等方面带来严峻挑战。企业的智能化服务要求，促使传统企业管理转型，企业需要保证装备在协同优化、健康管理、远程诊断、智能维护、共享服务等方面高效应用。为满足这些需求，可利用CPS数据驱动、虚实映射、系统自治等能力来为企业赋能。

2. 解决方案设计

通过在装备自身或相关要素搭载具有感知、分析、控制能力的智能系统，采用适合频度对人、机、物等数据进行感知、分析和控制，运用工业大数据、机器学习、PHM(Prognostic HealthManagement)、人工智能等技术手段，帮助企业解决装备健康监测、预防维护等问题，实现"隐形数据-显性数据-信息-知识"的循环优化。

1)健康管理。将CPS与装备管理相结合，通过应用建模、仿真测试、验证等技术手段建立装备健康评估模型，在数据融合的基础上搭建具备感知网络的智能应用平台，实现装备虚拟健康管理。
2)智能维护。装备智能维护CPS系统通过采集装备各种实时运行数据，并将相关的多源数据加以融合，基于此再进行装备性能、安全、状态等特性分析，预测装备潜在的异常状态，并提前对异常状态采取恰当的预测性维护。
3)远程征兆性诊断。在CPS应用下，当装备发生故障时，远程专家可以调取装备的报警信息、日志文件等数据，在虚拟的设备健康诊断模型中进行故障推演，实现远程的故障诊断并及时快速地解决故障，从而减少停机时间并降低维修成本。
4)协同优化。CPS通过搭建感知网络和智能云分析平台，构建装备的全生命周期核心信息模型，并按照既定的能效、安全、效率、健康度等目标，通过对核心部件和过程特征等在虚拟空间进行预测推演，为装备使用提供辅助决策以实现装备的最佳应用。
5)共享服务。通过在云端构建一个面向群体装备的工业数据分析与信息服务平台，将单一智能装备的信息与知识进行共享，处于运行状态的智能装备可以利用自身的感知和运算能力帮助其他智能装备进行分析运算，智能装备可依据云端群体知识进行活动优化。

6.4 产业链协同系统

1. 需求分析

工业体系产业链上，设计者、生产者和使用者相互之间密不可分，生产者为使用者提供符合设计者要求的产品，三者之间既合作又竞争。如何能在三者之间进行平衡，照顾到各自的关切，是亟待解决的问题。

2. 解决方案设计

通过运用感知和自动控制硬件及工业软件，将传统产业链中设计者、生产者和使用者的装备、人和环境等接入工业网络。再通过工业网络实现装备设计数据、装备生产数据、装备运行数据、设计活动数据、生产活动数据、使用活动数据、内环境和外环境数据的异构融合，形成工业大数据，再将工业大数据按安全性和隐私性要求存储在私有工业云或公有工业云中，作为后续数据分析、策略制定的依据。

通过CPS的能力建设，实现制造业全产业链的信息融合和价值共创，将设计者、生产者和使用者的单调角色转变为新价值创造的共同参与者，并通过新型价值链的创建推动传统产业链转型，这样从根本上调动生产流程中各个参与者的积极性和创造力。

1)无人装备。如图所示，通过装备状态感知和实时计算，学习装备操控过程知识，并通过行为认知和启发认知不断地迭代，增强决策正确率，逐渐实现物的智能代替人的智慧。建立无人智能设备，同时构建CPS智能子系统，在同类型的装备上如法炮制，实现设备智能化规模效应。

2)产业链互动。在以市场需求为导向的产业链中，需要设计者、生产者共同参与到使用者的活动之中，利用工业网络构建融合设计、生产和使用的信息空间，并通过机器学习和群体认知等手段，快速分析产品的使用状况，预测用户的需求变化和市场趋势，提供设计修改建议和生产维修计划辅助决策知识，智能优化配置资源，及时处理用户需求。基于CPS的产业链联动系统如图所示：