智能系统 第5章 信息物理系统

7 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 6. 虚实映射
5.1 信息物理系统概述
信息物理系统构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够 实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。其以物理实体建模产生的静 态模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实 体的工作状态和工作进展（如采集测量结果、追溯信息等），将物理空 间中的物理实体在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决 策、执行能力的数字孪生（也称为数字化映射、数字镜像、数字双胞 胎）；同时借助信息空间对数据综合分析处理的能力，形成对外部复杂 环境变化的有效决策，并通过虚控实的方式作用到物理实体。在这一过 程中，物理实体与信息虚体之间交互联动，虚实映射，共同作用提升资 源优化配置效率。
6 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述
5.1.2 信息物理系统的特征
5. 泛在连接
网络通信是信息物理系统的基础保障，能够实现信息物理系统内部 单元之间及与其他信息物理系统之间的互联互通。应用到工业生产场景 时，信息物理系统对网络连接的时延、可靠性等网络性能和组网灵活性、 功耗都有特殊要求，还必须解决异构网络融合、业务支撑的高效性和智 能性等挑战。随着无线宽带、射频识别、信息传感及网络业务等信息通 信技术的发展，网络通信将会更加全面深入地融合信息空间与物理空间， 表现出明显的泛在连接特征，实现任何时间、任何地点、任何人、任何 物都能顺畅通信。构成信息物理系统的各器件、模块、单元、企业等实 体都要具备泛在连接能力，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现跨网络、跨行业、异构多技术的融合 与协同，从而保障数据在系统内的自由流动。泛在连接通过对物理世界 状态的实时采集、传输，以及信息世界控制指令的实时反馈下达，提供 无处不在的优化决策和智能服务。
3 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 2.感知
5.1 信息物理系统概述
感知在信息物理系统中十分重要。自然界中物理量的变化基本上是连 续的，是模拟量，而信息空间数据则具有离散性的特征。从物理空间到信 息空间的信息流转，首先必须通过传感器将物理量转换成模拟量，再通过 A/D（模拟/数字）转换器转换成数字量，成为信息空间所能识别的数据 格式。基于此，传感器网络也可作为信息物理系统的组成部分。
5 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 4. 软件定义
5.1 信息物理系统概述
软件正和芯片、传感与控制设备等一起对传统的网络、存储、设备等 进行定义，并正在从IT领域向工业领域延伸。工业软件对各类工业生产环 节规律进行代码化，支撑了绝大多数的生产制造过程。作为面向制造业 的信息物理系统，软件就成了实现信息物理系统功能的核心载体之一。 从生产流程的角度看，信息物理系统会全面应用到研发设计、生产制造、 管理服务等方方面面，通过对人、机、物、法、环全面的感知和控制， 实现各类资源的优化配置。这一过程需要依靠对工业技术模块化、代码 化、数字化并不断软件化来被广泛利用。从产品装备的角度看，一些产 品和装备本身就是信息物理系统。软件不但可以控制产品和装备运行， 而且可以把产品和装备运行的状态实时展现出来，通过分析、优化，作 用到产品、装备的运行，甚至是设计环节，实现迭代优化。
4 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1.2 信息物理系统的特征 3. 数据驱动
5.1 信息物理系统概述
数据存在于生产制造的各领域，大量的数据是隐性的，没有被充分 利用并发挥其价值。信息物理系统通过构建“状态感知—实时分析—科 学决策—精准执行”的数据自动流转闭环赋能体系，将数据从物理空间 中的隐性形态转换为信息空间的显性形态，并不断迭代优化，形成知识 库。在此过程中，状态感知的结果、实时分析的对象、科学决策的基础 及精准执行的输出都是数据。因此，数据是信息物理系统的核心所在， 数据在自动生成、自动流转、自动分析、自动执行及不断迭代优化中累 积，不断产生更为优化的数据，实现对外部环境的资源优化配置。
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述 5.2 信息物理系统的实现 5.3 研究展望 5.4 案例 5.5 实验 习题
1 of 31
5.1 信息物理系统概述 5.1.1信息物理系统的概念
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述
信息物理系统是集计算、通信与控制于一体的智能系统，信息物理系 统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，通过网络空间以远程的、可 靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。在实际应用中， 信息物理系统是构建网络空间与物理空间之间基于数据自动流转的状态感 知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环系统，可以解决生产制造、应 用过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化， 提高生产效率，提升产能。其中，状态感知通过传感器感知系统中设备的 运行状态，实时分析通过软件系统实现数据可视化，科学决策通过大数据 平台实现异构系统数据的流转并以数据支撑决策，精准执行通过控制器、 执行器等硬件实现对决策的响应，这些功能的实现依赖于一个实时、可靠、 安全的网络。人们把这一闭环系统概括为“一硬”（感知和自动控制）、 “一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和 智能服务平台）。
2 of 31
5.1 信息物理系统概述
第五章 信息物理系统
5.1 信息物理系统概述 5.1.2 信息物理系统的特征
1.海量运算
海量运算是信息物理系统接入设备的基本特征，因此接入设备通常具 有强大的计算能力。从计算性能的角度出发，一些高端的信息物理系统应 用要求较高的计算能力，物联网中的终端设备不具备控制和自治能力，通 信大都发生在终端设备与服务器之间，终端设备之间无法进行协同，因此 物联网可以看作信息物理系统的一种简约应用。在物联网中，采用短距离 通信技术（如蓝牙）或远距离通信技术（如NB-IoT）实现终端设备和平 台之间的通信。