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数控机床智能监控CPS构建技术《资讯》

发布时间:2020-08-17 12:38:32 阅读: 来源:排屑器厂家

2016-12-12 13:48:30来源: 贤集网

限于当前计算技术、控制技术和计算机信息技术的局限性,赛博空间(cyber space)与物理世界(physical world)是完全分离的。但在社会需求和技术进步的推动下,赛博空间与物理世界的界限逐步模糊,并将最终实现融合。在此背景下,Cyber-Physical System(CPS)的概念应运而生。在资助CPS研究方面扮演重要角色的美国国家科学基金会(NSF)认为,CPS将让整个世界互联起来。“如同互联网改变了人与人的互动一样,CPS将会改变我们与物理世界的互动。”NSF计算机与信息科学和工程总监Branicky表示。

Rajkumar等指出:从现在开始将是CPS的时代,通过在物理系统中深度嵌入计算智能、通信和控制的能力以及借助新型传感器、执行器,通过主动和可重构功能组件增强物理系统的自适应功能,将极大地提高CPS小到智能家庭网络,大到工业控制系统,乃至智能交通等国家级甚至世界级应用的自适应能力、自动化程度、效率、可靠性、安全性和可用性等。NSF研究报告指出:当前,CPS的发展已经开始显著地改变人们的生活,CPS在智能医疗,智能电网、智能汽车、智能交通等领域的应用,可使人们得到更灵敏,更精确,更高效的服务,同时,在一些具有危险性、不适合人类参与的工作环境,CPS技术支撑的智能装置已在地震搜救、消防和探险等领域得到应用。

1、CPS定义

Baheti等指出:“CPS系统是各种计算元素和物理元素紧密结合并在动态不确定事件作用下相互协调的高可靠系统”。Lee认为:“CPS是计算进程与物理进程的集成和相互影响,即通过嵌入式计算机和网络实现对物理进程的监测和控制,并通过反馈循环实现物理进程对计算进程的影响”。Rajkumar等[1]认为:“CPS是通过计算和通信内核实现了监测、协调、控制和集成的物理和工程系统。”

中科院何积丰院士认为:“CPS是一个在环境感知的基础上,深度融合了计算、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。”同济大学王中杰教授认为:“CPS强调‘Cyber-physical’的交互,涉及未来网络环境下海量异构数据的融合、不确定信息信号的实时可靠处理与通讯、动态资源与能力的有机协调和自适应控制,是具有高度自主感知、自主判断、自主调节和自治能力,能够实现虚拟世界和实际物理世界互联与协同的下一代智能系统。”

2、CPS 特点

CPS由计算设备、网络设备、物理设备融合而成,所有设备相互协作,共同决定其独特的功能和特征。许少伦等对信息物理融合系统的特征进行了总结,认为CPS的主要特点如下。

(1)复杂性与异构性:CPS由多种异构的通信网络、计算系统、控制系统和异质的物理设备构成,通过相互融合,使物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治5大功能,是一个多维度的开放式系统,具有高度的复杂性,其异构性也非常明显。

(2)融合性:CPS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,通过实时交互来扩展新的功能,每个物理设备均深度嵌入了计算和通信功能。这导致计算对象从数字的变为模拟的,从离散的变为连续的,从静态的变为动态的,是一个多种类型计算对象并存的系统。

(3)自治性与智能性:CPS在融合计算、控制和物理过程的同时,具备强大的自治机能和智能决策能力,使计算组件和物理环境之间实现更灵活的交互、更智能的协作,主要体现在可以实现自组织、自适应与自我管理。

(4)实时性和海量性:CPS需要及时了解物理设备的现状,通过网络化控制手段对物理设备进行必要的控制和干预,但由于移动设备的接入会造成设备状态随机变化,所以需要对物理设备进行实时动态重组,这对计算过程的时间确定性和并行性,对网络实时性要求都非常高。同时,CPS进行实时数据采集和信息交互时会产生巨大的数据量,因而海量数据处理的需求会变得非常迫切。

3、CPS与嵌入式系统

当前,嵌入式系统已成为工业控制和自动化控制系统的核心。嵌入式系统作为更大系统的组成部分,主要用来增强产品的功能或提高产品的性能,更注重计算。由于内存、能量等资源有限,传统嵌入式系统面临的关键问题是如何实现资源利用的最优化。何积丰院士认为“传统嵌入式系统中解决物理系统相关问题所采用的单点解决方案不再适应新一代物理设备信息化和网络化的需求”,“现有各种网络技术不能满足新一代物理设备网络可控、可信和可扩展的新需求”等原因促进了CPS这一新理论的提出。CPS以计算进程与物理进程间的紧密集成和协调为主要特点,强调将物理设备通过各种网络手段实现互联互通,从而使物理设备具有了计算、通信、精确控制、远程协调和自治等5大功能。CPS与嵌入式系统的主要区别见表1。

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由此可知,相较传统的嵌入式系统,CPS具有计算更实时、过程更动态、控制更精确、运行更智能、系统组成异质性更加明显等特点。

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