工业网络系统是融合工业控制和信息通信的多维动态系统. 这类系统将自动控制技术、 计算机技术、 通信网络技术等先进技术进行高度融合, 通过网络实现了信息系统与工业物理过程的协同, 达到生产的最优化、流程的最简化、 效率的最大化, 对促进工业制造的数字化、网络化和智能化融合发展至关重要.

工业网络系统集泛在感知、适变传输、协同控制等功能为一体, 具有结构网络化、控制现场化、功能分散化等突出优点, 是实现工业信息物理系统智能化和互联化的核心. 然而，感知-通信-控制一体化设计面临诸多挑战。例如：

1）感知：资源受限条件下的异构终端难以融合；

2）传输：复杂多变的通信环境，时间确定性与传输可靠性要求高；

3）控制：网络环境下信息和控制交互耦合

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面对这些挑战，系统的分析与设计必须满足工业系统对实时可靠泛在通信和敏捷精确协同控制的需求, 综合利用控制、通信、感知、计算理论, 将控制优化理论与通信网络设计方法相结合, 形成具有自适应于系统动态和网络能力的新一代工业网络系统.

要实现一体化设计，必须清晰地表示感知、传输、控制三者之间相辅相成、相互制约的耦合关系, 为揭示三者间的相互作用和提升工业网络系统整体性能奠定基础. 如图1所示, 本文围绕一体化框架，在简述了工业网络系统的内涵和主要特征的基础上, 分析了“感知-传输-控制一体化”面临的挑战和关键问题。从非理想通信下异构网络分布式融合估计、面向感知和控制的适变传输、网络环境下的复杂系统协同控制等三个方面，综述了国内外的研究现状和进展.

图1 工业网络系统的感知-传输-控制一体化框架

如何实现工业网络系统感知-传输-控制联合设计？传统控制理论通常考虑如何利用反馈信息来达到特定的控制目标, 假设通信与信息传输是完美的，或是符合某些特定传输模型的; 而通信理论主要考虑如何把信息从源端可靠快速地传输到终端, 并不十分关注所传输信息的内容和用途. 这导致在过去, 控制和通信的机制和算法采用独立分离设计，约束了网络系统整体性能的提升. 然而, 恶劣工业环境下导致一些系统状态不可测, 部分信息在传输过程丢失或超时, 不完整信息影响控制性能等问题. 为解决此问题，联合设计是一种有效途径。

本文初步探索了感知-通信-控制的一体化设计, 提出了如图2所示的工业网络系统的分层架构. 底层部署边缘估计终端, 负责对原始感知数据的预处理和信息转发. 目的是减少直接传送感知数据到融合中心所消耗的能量和通信资源, 降低冲突和碰撞, 进而提高信息交互的可靠性和实时性. 由于感知终端的感知范围有限且相邻终端的感知信息相关性较高, 根据地理位置将终端进行分簇, 并且为每个簇部署一个边缘估计终端. 此外, 所有边缘估计终端构成中间层, 利用边缘计算技术对接收到的原始感知数据进行信息过滤、提取与融合, 以去除冗余信息, 提高感知精度, 并将局部估计值传递到融合中心. 基于此架构，可以最小化工业网络系统的感知-传输-控制总代价, 开展资源受限的自适应网络资源调度与控制律等的联合设计.

图2 工业网路系统的分层架构

感知-通信-控制的一体化设计使得感知过程为控制提供信息支撑, 传输过程负责实现感知信息实时可靠的交互, 控制过程为保证系统稳定高效运行提供控制决策，进而提升工业网络系统的协同感知/控制能力.

目前，联合设计方面的研究尚处于探索阶段。随着控制科学、通信科学、计算科学的快速发展, 交叉学科不断取得新的进展, 工业网络系统也将得到快速发展. 新的“感知-传输-控制一体化”范式会不断涌现, 协同优化控制的方法和实现方式也会越来越丰富, 应用范围将不断扩大. 可以预见, 通过网络控制系统各个环节的优化与协调来实现工业系统的优化控制，将成为一个重要的研究方向, 而且工业网络系统在生产过程智能化和信息化中将发挥越来越重要的作用！

引用格式：关新平, 陈彩莲, 杨博, 华长春, 吕玲, 朱善迎. 工业网络系统的感知-传输-控制一体化:挑战和进展. 自动化学报, 2019, 45(1): 25-36. 

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-1-25.htm

作者简介：

关新平, IEEE/CAA Fellow. 上海交通大学讲席教授, “系统控制与信息处理教育部”重点实验室主任. 国家杰出青年基金获得者, 教育部长江学者特聘教授，国家百千万人才国家级人选. 主要研究方向为工业网络系统设计、控制与优化, 智能工厂工业物联网及应用. E-mail: xpguan@sjtu.edu.cn

陈彩莲, 上海交通大学自动化系教授, 教育部青年长江学者，国家优秀青年科学基金获得者. 主要研究方向为网络系统的分布式感知和控制、计算智能等. E-mail: cailianchen@sjtu.edu.cn

杨博, 上海交通大学自动化系教授. 主要研究方向为能源网络系统的调度和优化. E-mail: bo.yang@sjtu.edu.cn.  

华长春, 燕山大学电气工程学院教授, 长江学者特聘教授. 主要研究方向网络化控制系统的分析与综合, 基于数据驱动的故障诊断和容错控制, 网络化遥操作系统的控制. E-mail: cch@ysu.edu.cn

吕玲, 上海交通大学自动化系博士研究生. 主要研究方向为无线传感器-执行器网络中可靠传输, 融合估计, 协调控制及在工业网络的应用. E-mail: sjtulvling@sjtu.edu.cn

朱善迎, 上海交通大学自动化系副教授. 主要研究方向为工业多机器人系统协调控制, 无线网络的分布式估计和优化及在工业网络的应用. E-mail: shyzhu@sjtu.edu.cn