知识框架1.信息物理系统概述信息物理系统的定义信息物理系统的特征信息物理系统的发展2.信息物理系统架构CPS架构模型CPS架构层次CPS架构参考模型3.信息物理系统关键技术感知技术通信技术计算机技术控制技术4.信息物理系统设计CPS设计方法CPS设计流程CPS设计原则5.信息物理系统设计CPS实现技术CPS实现平台CPS实现案例6.信息物理系统应用智能制造智能交通智能电网智慧医疗详细知识点解析一.信息物理系统概述1.信息物理系统的定义信息物理系统CPS定义信息物理系统是计算通信和物理过程深度融合的复杂系统通过计算/通信和控制技术的紧密结合实现物理世界和信息世界的交互与协同。CPS的核心要素核心要素核心要素要素计算信息处理和决策通信数据传输和交互控制物理国车过的管理和调节物理过程真实的物理世界cps的核心思想CPS通过3C技术的深度触合实现物理世界和信息世界的无缝集成使物理系统能够感知/计算/通信和控制。1.2 信息物理系统的特征CPS的主要特征特征说明深度融合信息世界与物理世界深度融合实时性能够实时感知和控制物理过程可靠性高可靠性保障系统稳定运行安全性高安全性防止网络攻击和故障自治性具有一定的自主决策能力适应性能够适应环境变化协同性多个CPS系统能够协同工作cps与嵌入式系统的区别CPS与嵌入式系统的区别比较项嵌入式系统cps计算能力有限强大网络连接有限或无广泛连接自主性低高适应性低高复杂性相对简单复杂应用范围特定应用广泛应用1.3信息物理系统的发展CPS的发展历程阶段时间特点萌芽期2000s初期概念提出理论研究成长期2010sji技术发展应用探索成熟期2020s至今应用广泛产业成熟CPS的典型应用应用领域说明智能制造工业4.0智能工厂智能交通自动驾驶智能交通系统智能电网智能电网能源管理智慧医疗远程医疗智能诊疗智能家居智能家居系统智慧城市智慧城市建设二.信息物理系统架构2.1CPS架构模型CPS架构的组成组成部分说明感知层传感器/执行器/负责感知物理世界网络层通信网络负责数据传输计算层计算资源负责数据处理和决策应用服务应用服务提供业务功能CPS的层次架构层次说明技术组件感知执行层感知物理世界执行控制指令传感器执行器数据传输层数据传输和通信有线/无线网络.5G数据处理层数据处理和分析云计算边缘计算决策控制层决策和控制AI,优化算法应用服务层业务应用应用系统服务接口2.2 CPS架构参考模型NIST CPSC参考架构层次说明物理层物理设备和过程网络层通信网络计算层计算资源知识层知识管理和推理决策层决策和控制CPS的5c架构层次说明连接层设备连接和数据采集转换层数据转换和处理网络层网络和信息管理认知层知识推理和决策配置层系统配置和优化CPS架构设计原则原则说明分层设计按层次设计降低复杂度模块化模块化设计提高灵活性开放性支持异构系统集成可扩展性支持系统扩展安全性保证系统安全实时性满足实时性要求三/信息物理系统关键技术3.1 感知技术感知技术的定义感知技术是指通过各种传感器获取物理世界的位置包括温度压力位置图像等。常见传感器类型传感器类型说明温度传感器测量温度压力传感器测量压力位置传感器测量位置和位移加速度传感器测量加速度图像传感器采集图像声音传感器采集声音感知技术的特点特点说明高精度高精度感知实时性实时数据采集多样性多种传感器类型可靠性高可靠性3.2通信技术cps通信技术的类型通信类型说明有线通信以太网CAN总线工业总线无线通信wifi,蓝牙ZigBee,LLORA,NB-IOT移动通信4G,5G工业通信工业以太网工业无线网5g技术在CPS中的应用5g特性cps应用高带宽噶请视频传输ar/VR应用低延迟实时控制自动驾驶大连接大规模设备连接网络切片不同应用的隔离和保障工业通信协议协议说明OPC UA工业通信标准协议Modbus串行通信协议Profinet工业以太网协议EherCAT实时以太网协议3.3计算机技术CPS计算模式计算模式 说明云计算 集中式计算大规模数据处理边缘计算 边缘节点计算低延迟处理雾计算 介于云和边缘之间端计算 终端设备计算边缘计算的定义边缘计算是指在靠近数据源头的地方进行计算减少数据延迟提高实时性。边缘计算的优点优点 说明低延迟 就近计算降低延迟带宽节省 本地处理减少数据传输可靠性 本地计算提高可靠性隐私保护 数据本地处理保护隐私云计算vs边缘计算比较项 云计算 边缘计算计算位置 云端 边缘节点延迟 较高 较低带宽消耗 较高 较低计算能力 强 有限适用场景 大数据处理 实时处理3.4 控制技术CPS 控制技术控制类型 说明反馈控制 根据反馈信息调整控制前馈控制 根据预测信息提前控制自适应控制 根据环境变化自适应调整预测控制 基于模型的预测控制控制系统的组成组成部分 说明控制器 计算控制指令执行器 执行控制指令传感器 反馈系统状态被控对象 被控制的物理过程实时控制的要求要求 说明实时性 控制指令及时执行可靠性 控制系统可靠运行准确性 控制精度高稳定性 控制系统稳定四.信息物理系统设计4.1 CPS设计方法方法 说明模型驱动设计 基于模型进行设计和验证组件化设计 基于组件进行设计协同设计 软硬件协同设计迭代设计 迭代优化设计模型驱动设计步骤 说明1.建立模型 建立系统模2.模型仿真 仿真验证模型3.代码生成 从模型生成代码4.部署测试 部署和测试4.2 CPS设计流程CPS设计流程步骤 说明1.需求分析 分析系统需求2.架构设计 设计系统架构3.详细设计 设计各模块详细方案4.实现开发 开发实现5.测试验证 测试和验证6.部署运维 部署和运维4.3cps设计原则原则 说明安全第一 安全性优先实时性保证 满足实时性要求可靠性设计 高可靠性设计模块化设计 模块化可扩展标准化 采用标准协议 和接口五/信息物理系统实现5.1 CPS实现技术CPS实现技术栈层次 技术栈感知层 传感器/执行器/嵌入式系统网络层 5G/WIFI/工业以太网计算层 云计算/边缘计算/AI应用层 应用系统/可视化/服务接口5.2 CPS实现平台cps实现平台平台类型 说明工业互联网平台 工业CPS应用平台物联网平台 物联网CPS应用平台边缘计算平台 边缘计算框架云平台 云计算平台5.3CPS实现案例典型案例案例 说明智能工厂 工业4.0智能工厂智能电网 智能电网管理系统自动驾驶 自动驾驶系统远程医疗 远程医疗系统六.信息物理系统应用6.1 智能制造智能制造的定义智能制造是指将信息技术自动化技术和制造技术深度融合实现制造过程的智能化。智能制造的特点特点 说明数字化 制造过程数字化网络化 设备互联互通智能化 智能决策和控制柔性化 柔性生产工业4.0 核心技术 说明CPS 信息物理系统物联网 设备互联大数据 数据驱动人工智能 智能决策6.2 智能交通智能交通系统ITS:应用 说明智能交通管理 交通流量管理信号控制自动驾驶 自动驾驶汽车智能停车 智能停车系统车联网 车辆互联互通车联网v2x:类型 说明v2v 车与车通信v21 车与基础设施通信V2P 车与行人通信v2N 车与网络通信6.3智能电网智能电网的定义智能电网是指里哟个信息技术实现电网的智能化管理和运行。智能电网的特点特点 说明自愈能力 自动检测和修复故障高可靠性 高可靠性供电高效率 高效率运行兼容性 兼容分布式能源6.4智慧医疗智慧医疗应用应用 说明远程医疗 远程诊断和治疗智能诊疗 AI辅助诊断健康监测 可穿戴设备健康检测医疗物联网 医疗设备互联互通