数控机床智能监控CPS构建技术研究

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1、眦阱积。，，未来工厂数控机床智能监控CPS构建技术研究Res昀rch伽Co璐tlmcthlgTedhnolo科ofhltelHgentM伽【ito血gCPSofCNCMadlim中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司李春雷葫刚李汶一黎小华曾国平燕继明黎小华中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司高级工程师，主要研究方向为制造执行系统、作业现场综合数据采集技术及数字化车间整体解决方案等。先后参与多项国防基础科研课题、科技部重点课题及国家科技重大专项课题的研发及工程化应用实施工作，先后负责或参与了军工行业MEs系统．离散制造车间智能化排程及数字化车间整体解决方案的设计、

2、关键技术攻关及实施工作。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(cyberspace)与物理世界(physicalworld)是完全分离的。但在社会需求和技术进步的推动下，赛博空间提出了一种基于服务的数控机床智能监控CPS体系结构框架。在此基础上，对感控层、网络层、资源服务层及决策应用层进行结构划分，对各层功能及涉及的主要技术进行了探讨，最后以一个建设中的数控机床智能监控CPS系统为例，对数控加工智能监控CPS4层体系结构及关键技术解决途径进行了研究oDOI：10．16080／i．issnl671．833x．2015．08．053与物理世界的界限

3、逐步模糊，并将最终实现融合。在此背景下，Cvbe卜PhvsicalSvstem(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Branickv表示。Raikumar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

4、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【2’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。CPS定义和特点1CPS定义Baheti等f31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

5、4l认为：“cPs是计算进程与物理进程的集成和相

6、互影响，即通过嵌入式计算机和网络2015年第8期·航空制造技术53钐论坛嗽uM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”。Raikumar等Ⅲ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嘲：“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陋1认为：“CPS强调‘Cybe卜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

7、，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。”2CPS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

8、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