《智慧企业工业互联网平台开发与创新》 ——2.3.2　CPS的定义

2.3.2　CPS的定义

从结构上来看，CPS由以下四个部分组成。

传感器：用于感知物理世界的信息。

控制器或执行器：用于执行对物理实体的操作。

计算部件：可以是集中式的，也可能是分布式的，能够根据物理世界传递的信息进行恰当的处理与分析，并制定控制和执行策略。

通信网络：用于连接以上各个单元以及相关的信息、对象、事件和人。

在实践中，CPS是带有嵌入式软件的系统（可以是设备、建筑、运输工具、运输路线、生产系统、医疗过程、物流过程、管理过程的一部分），它可以实现的功能如下。

使用传感器直接记录物理数据，通过执行器影响物理流程。

评价和保存已记录的数据，主动地或被动地与物理世界或数字世界进行交互。

在全球网络中，通过数字化通信设施（无线或有线，局域网或广域网）相互连接。

使用全局可获得的数据和服务。

具有一套专门的、多种模式的人机界面。

图2-21给出了一个典型的CPS结构。我们可以将CPS抽象为“感”“连”

“知”“控”四个字。其具体含义如下。

“感”是指多传感器协同感知物理世界的状态。

“连”是指连接虚拟世界与物理世界的各种对象。

“知”是指通过对感知数据的认知和推理，正确、深入地认知物理世界。

“控”是指根据认知结果，确定控制策略，发送控制指令，指挥各执行器协同控制物理世界。

图2-21　CPS打通了物理世界与虚拟世界的交互

事实上，CPS并不是一个很容易理解的概念。从英文的角度，cyber和physical是两个形容词，system是名词，因此不少人会认为CPS是一个“网络的物理的系统”，看起来似乎有些矛盾。但实际上，如果把CPS理解为“CS + PS”，也就是“Cyber System + Physical System”，即“信息系统加上物理系统”，就容易理解了。在制造行业，物理系统（PS）通常是指物理世界中的物理资产，它们通过物联网与网络世界中的虚拟资产相映射，即与网络双胞胎或网络映像，或者说是信息系统（CS）相映射。这样一对相互映射、相互映像的物理系统和信息系统的组合，就被称为CPS。在图2-22中，CPS的物理部分通过传感器，与网络部分实现了数据相连；网络部分通过执行器，促使物理部分做出改变。细心的读者不难发现，CPS的概念与今天流行的数字化双胞胎具有极强的关系性。

图2-22　信息物理系统（CPS）实际上是“物理系统（PS）”+“信息系统（CS）”的组合

CPS在实际中的应用已经形成了一种范式（也就是整个行业所共同接受的技术方式），为工业4.0在制造业的应用奠定了基础。如图2-23所示，以制造行业的工厂为例，“物理世界”中的设备或产品被附上了多种传感器，它们将收集到的数据发送到云端。在云端，建立起设备或产品的“虚拟世界”，对设备和产品进行模拟、预测等运算。由于传感器发来的数据量通常很大，无疑这属于大数据的范畴。当然，在云端可以利用的数据往往不仅仅局限于这些传感器数据，同时也要与设备或产品的“交易数据”混合起来，形成“智能大数据”，并据此做出更加全面、及时的决策，由此对设备或产品发出动作指令。与此同时，这种数据收集不仅仅局限于工厂内部，工厂的上下游也会收集数据、发出指令，从而推动整个工厂及其上下游的运行。

图2-23　CPS的应用使工业4.0为制造业的数字化转型提供了新的创新范式