CPS技术及在航空工业中的应用

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1、航空工业中的应用张伦彦(中航工业信息技术中心，北京100028)[摘要】从系统的视角分析CPS的演进和发展，提出CPS呈现出系统之系统的架构新趋势；对CPS的5C架构进行了逐层分析，剖析CPS的内涵和特征；从系统要素和业务分层两个维度分析航空CPS的架构，指出提炼业务智能和制造智能是实施航空CPS的核心；提出架构方法和系统工程方法是实施航空CPS的核心方法；基于对航空CPS应用现状的分析，对航空工业CPS云的架构和规划进行了展望。关键词：CPS；智能制造；架构；系统工程DoI：10．16080／j．issnl671—833

2、x．2016．13．062航空制造业具有技术密集度高、产业关联范围广、两化融合程度深的特点，处于装备制造业的高端位置。在新一轮工业革命浪潮下，各国普遍将航空制造行业列入重点应用领域⋯。赛博物理系统(Cyber—PhysicalSystems，CPS)技术作为新一轮工业革命的核心技术，正在有力地推动在协同开发、智能生产、敏捷服务等领域形成新型集成化应用范式，引起了工业界的广泛关注和研究。在这种大背景下，加强CPS技术在航空工业应用的分析和研究显得尤为重要。中航工业信息技术中心副总工程CPS是工业4．0的核心技术坚i燃梨盖喜喜

3、嚣缝砉；km,_lkl腼u工业4．o，N?Rm,_Ik要从事智能制造、企业信息化、数字化1‘U刘—L业叶’u，制造等方面的研究工作。革命的背后都有一项核心使能技术：第1次是蒸汽机；第2次是电气化；第3次是电子和信息技术；第4次则是CPS技术[210CPS技术本质上是一种集成创新技术：多项新兴技术融人到1个复杂系统后，系62航空制造技术·2016年第13期统产生了新的技术特征，具备了更强大的创新驱动力。互联网+的应用、智能产品和服务等都是这种集成创新模式最先取得的应用成果。这种由从要素创新过渡到集成创新的发展方式，正是第4次

4、工业革命和前3次工业革命的最大区别。CPS的演进和发展CPS的概念最早源自于几十年前的嵌人式系统f3】。在工业4．0的背景下，用系统之系统的视角重新审视CPS的演进和发展，将会得到更加深刻的认识。图l描述了CPS的演进过程：从嵌入式系统到机械系统、机电一体化，再到现在的网络化CPS。在CPS的每次演进中，系统都增加了新的元素，这使得系统产生了新的特征，带来了生产力的巨大提升。如今的CPS呈现出了网络化的新趋势，这些CPS可能是异域、异类和异构的，多个CPs通过网络连接为1个新的CPS，形成了系统之系统(SystemsofS

5、ystems。SoS)的全新架构，使得系统具备了网络通信、全部或部分的自治能力。CPS的5C架构和特征分析CPS是使技术系统具有智能特征的核心所在。智能本来是人的固有特征，技术系统如果要具备智能特征，就必须具有辨识、适应和执行的能力。围绕技术系统的智能化特征，结合如图2所示的CPS的5c架构f4】，对CPS的内涵进行如下分析。连接层(Connection)：着重突出灵巧的特点，能够按照SOA的思想，实现设备的即插即用；被连接的对象包括设备、人、物料和软件服务等，能够借助无线和传感网络，实现对它们的自动连接和自动感知。转化层

6、(Conversion)：能够从大量的制造数据中，分析和提取出有价值的信息，其背后的支撑技术是数据挖掘和数据分析技术；可以建立起万物的信息关联模型，用于分析和预测设备健康、产品性能等。赛博层(Cyber)：最重要的是建立系统中每个组件的数字双胞胎，其核心技术是基于模型的技术；当物理世界发生变化时，数字模型也能够跟随变化，这需要连接层和转化层提供支撑。认知层(Cognition)：能够基于仿真和综合推理，诊断出系统中的潜在风险环节，并提供决策支持和参考；能够通过远程可视化，提供协同工作环境，快速发现系统中的问题。配置层(Co

7、nfigration)：系统和系统中的组件能够针对外界的变化做出快速和自主的调整，具体体现为面向弹性的自配置、面向变化的自调整、面向干扰的自优化。航空工业CPS的架构分析CPS由物理空间和赛博空间组成。从系统的组成来看，CPS必须依托1个物理实体(或业务层次)存在，即在物理实体(或业务层次)上增加了一些新的要素。物理实体(或业务层次)是1个分层的结构，每个层次都对应1个CPS，上层的CPS由下层的CPS构成，这些CPS可以是异域、异类、异构的。从系统的组成元素来看，CPS包含4个基本要素：计算单元、总线单元、传感器、驱动器

8、，其中计算单元和总线单元构成了赛博空间，传感器和驱动器构成了物理空间。图3给出了航空工业CPS的详细解读。在中航工业智能制造的架构中，定义了企业联盟层、企业管理层、生产管理层、控制执行层共4个层次，每个层次都可以看作1个CPS，前两层重点是要提取业务智能，后两层重点是要提取制造智能。在企业联盟层，计算单