CPS核心技术要素分析

CPS 包含“智能感知技术”“虚实融合控制技术”“工业软件”“工业网络”这四大核心技术要素。

1.智能感知技术

CPS 主要使用的智能感知技术是传感器技术。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。RFID 是最常用的一种传感器，即射频识别传感器，主要包括感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签和电子条码等。RFID 系统一般由电子标签、读写器和计算机网络及数据处理系统三大部分组成。

2.虚实融合控制技术

虚实融合控制技术是“感知—分析—决策—执行”的循环，其建立在状态感知的基础上。虚实融合控制技术包括物理实体、嵌入控制、虚体控制、集控控制和目标控制五个层次，如图4.1所示。

图4.1　虚实融合控制技术

3.工业软件

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。工业软件通过应用集成能够使机械化、电气化、自动化的生产系统具备数字化、网络化、智能化的特征，从而为工业领域提供一个面向产品生命周期的网络化、协同化、开放式的产品设计、制造和服务环境。CPS 应用的工业软件技术主要包括嵌入式软件技术、MBD（Model Based Definition）技术和CAX 技术。

（1）嵌入式软件技术。嵌入式软件技术是指把软件嵌入在工业装备或工业产品之中。这些软件可细分为操作系统、嵌入式数据库和开发工具、应用软件等，它们被植入硬件产品或生产设备的嵌入式系统之中，达到自动化、智能化地控制、监测、管理各种设备和系统运行的目的，体现采集、控制、通信、显示等功能。嵌入式软件技术是实现CPS 功能的载体，其紧密结合在CPS 的控制、通信、计算和感知等各个环节。如图4.2所示为嵌入式软件技术在单元级CPS 中的作用。

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图4.2　嵌入式软件技术在单元级CPS 中的作用

（2）MBD 技术。MBD 技术是指采用一个集成的全三维数字化产品描述方法来完整地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，将三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主，以三维实体模型为辅的制造方法。MBD 技术支撑了CPS 的产品数据在制造各环节的流动。

在MBD 技术的模式下，产品工艺数据、检验检测数据的形式与类型，发生了很大的变化。通过MBD 技术，产品模型串联起了工业软件。工艺部门通过三维数字化工艺设计与仿真，依据基于MBD 的三维产品设计数模建立三维工艺模型，生成零件加工、部件装配动画等多媒体工艺数据。检验部门通过三维数字化检验，依据基于MBD 的三维产品设计数模、三维工艺模型，建立三维检验模型和检验计划。

（3）CAX 技术。CAX 技术是CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI 等各项技术的综合称谓。CAX 技术实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来协调地进行工作，从产品研发、产品设计、产品生产和流通等各个环节对产品全生命周期进行管理，实现生产和管理过程的智能化、网络化管理和控制。

4.工业网络

经典的工业控制网络金字塔模式（自动化金字塔结构）如图4.3（a）所示，展示了定义明晰的层级结构，信息从现场层，向上经由多个层级流入企业层。尽管这一模式得到广泛认可，但其中的数据流动并不顺畅。由于自动化金字塔结构中每层有不同的要求，这就导致了各层往往采用不同的网络技术，使得不同层级之间的兼容性较差。此外，由于CPS 对开放互联和灵活性的要求更高，因此自动化金字塔结构越来越受到诟病。

CPS 中的工业网络技术将颠覆自动化金字塔结构的自动化控制层级，取而代之的是基于CPS 的自动化网状结构，如图4.3（b）所示。由于各种智能设备的引入，设备可以相互连接从而形成一个网络。每一个层面，都拥有更多的嵌入式智能和响应式控制的预测分析；每一个层面，都可以使用虚拟化控制和工程功能的云计算技术。与传统工业控制系统严格的分层结构不同，高层次的CPS 是由低层次的CPS 互连集成的。

图4.3　自动化金字塔结构到自动化网状结构的转变

（a）自动化金字塔结构；（b）基于CPS 的自动化网状结构