信息物理融合系统及其在航空制造业应用展望

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1、OVERVIEW综述信息物理融合系统及其在航空制造业应用展望AnalysisonCyber-PhysicalSystemandItsApplicationinAeronauticalManufacturingIndustry中航工业北京航空制造工程研究所侯志霞邹方吕瑞强王湘念[摘要】信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)是当前国内外研究的热点，是实施智能化制造的核心技术。阐述了CPS的定义、原理和特点，并就CPS在航空制造业的应用前景和发展路线进行了分析。关键词：信息物理融合系统工业4．0智能化制造lABSTRACTlCybe卜Physica

2、lSystem(CPS)hasbecomeaworldwidehotissue．Itisakeytechnologyintheprocessofimplementingintelligentmanufacturing．Thedefinition，principlesandcharacteristicsofCPSisintro—duced，anditsapplicationtrendanddevelopmentsugges—tionsinaeronauticalmanufacturingisanalyzed．Keywords：Cybe卜PhysicalSystemIndus

3、-try4．0InteHigentmanufacturing近来，关于新一轮工业革命的讨论持续升温，继美国的未来学者杰里米·里夫金发布了专著《第三次工业革命》后，德国人在2013年的汉诺威工业博览会上提出了“工业4．0”的概念。德国学术界和产业界认为，未来10年，基于信息物理融合系统的智能化，将使人类步人以智能制造为主导的第4次工业革命。“工业4．0”将使得工业生产过程更加灵活、坚强，发展出全新的商业模式和合作模式；带来工作方式和环境的全新变化，将促进形成全新的信息物理系统平台。“工业4．0”战略的核心就是通过CPS网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流，从

4、而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，规模效应不再是工业生产的关键因素；产品由趋同向个性的转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造；用户由部分参与向全程参与转变，用户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。“工业4．0”可以看作是CPS的特殊应用，其CPS应用平台，将提供全面、快捷、安全可靠的服务和应用业务流程，支持移动终端设备和业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程等⋯。未来制造业将向着高度信息化、自动化、智能化的方向发展。在提高产品设计效率的同时

5、，要综合应用计算机技术、网络通信技术、控制技术和传感技术，使工艺装备成为信息物理融合系统的一部分；在经营管理中充分运用信息技术实现企业纵向和横向的集成，实现管理模式和业务流程的创新，提高经营决策的科学性；在生产制造方面实现智能制造、绿色制造，提高生产的柔性，提高资源的利用率。1信息物理融合系统(CPS)信息物理融合系统的概念最早由美国国家科学基金会(NSF)的HelenGill提出。关于CPS的定义有多个版本，具有一定的代表性的有：2008年加州大学的LeeE从信息学的角度将CPS定义为“CPS是一系列计算进程和物理进程组件的紧密集成，通过计算核心来监控物理实体的运行，而

6、物理实体又借助于网络和计算组件实现对环境的感知和控制”。2011年KarlHenfikKohansson从自动化学科的角度给出了CPS的定义’‘‘CPS是通过将云计算与通讯芯片在物理环境下嵌入机械系统，以达到对机器运行的检测与控制”【2】。CPS可理解为基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制及组件自主协调等方面的能力”l。CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C(Computation,Communication，Contr01)技术14l于一体的智能

7、技术。CPS的基本功能单元包括驱动执行单元、检测感知单元以及决策控制单元。如图l所示，传感器与执行器是物理和计算世界的接口，决策控制单元根据控制规则部署监测任务；传感器将感知信息反馈给决策控制单元，作为控制规则算法的输入经过计算得到控制指令；执行器根据控制指令操控物理对象【5l。CPS具有高可靠性、实时性和自主性等特点。CPS的应用涵盖了小到纳米级生物机器人，大到全球能源协调与管理系统等涉及人类基础设施建设的复杂大系统构建，系统的稳定性和可靠性是首要要求；CPS是对实时性要求较为严格的系统，需要在每段规定的时间内2014年第2