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华南理工姚锡凡教授等:走向社会信息物理生产系统

已有 574 次阅读 2019-5-16 17:28 |系统分类:博客资讯





  

信息物理系统(Cyber-physical systemCPS是指:在广泛的时空维度中,将信息空间与物理空间的实体进行网络化的深度融合,通常由传感-执行系统来采集和执行物理信息,通过信息网络系统进行信息的处理和传递,通过计算控制系统进行综合决策,实现物理系统到信息系统的映射和信息系统对物理系统的控制决策。美国自然科学基金会 (National Science FoundationNSF)最早定义CPS为:与网络部件密切协作的物理感知系统,可以实现3Ccomputation, communication, control功能,从而提供广泛的网络服务


信息物理生产系统Cyber-physical production systemCPPS指:CPS应用于制造系统,形成集合计算机科学、通信技术和自动化制造于一体的5Cconnection, conversion, cyber, cognitive, configuration)架构,由低到高分别实现环境感知、自我感知、同辈感知、优化决策和弹性控制它将企业规划层、工厂管理层、过程控制层和部分设备控制层的金字塔式层级结构离散化,从而实现制造系统的智能自主分布式控制

 

信息物理生产系统由传感执行层、信息网络层和计算控制层组成。传感执行层负责生产系统的物理执行过程和信息感知过程;信息网络层负责物理数据的采集、数据的预处理、数据的网络传输和传感执行层与计算控制层之间的信息交互;计算控制层负责对来自生产系统的大数据进行挖掘和分析,结合人工智能技术将庞杂的数据转化为知识模型,并通过云技术形成云服务,共享于生产系统中,提高各个子系统的协同能力。制造系统的物理功能具体表现在传感执行层,但同时与信息网络层和计算控制层的参与密不可分。制造系统的物理功能分为企业内部和企业外部两部分,企业内部主要进行企业资源计划、生产执行管理和各部门之间的协调管理,企业外部主要进行客户关系管理Customer relationship managementCRM和供应商关系管理Supplement relationship managementSRM。信息物理生产系统的示意图如图1所示。

1 信息物理生产系统的示意图

信息革命引发的核反应在物理系统中连续释放出惊人的能量。信息空间与物理空间的交互速度、交互范围、交互深度、交互密度急剧增加,借助大数据科学,信息物理系统向着知识密集型的万物智能互联方向发展;信息的激增使人际交互更加密切,信息物理系统的最终服务对象是人类社会,面向服务的架构更适应于竞争激烈的网络信息化市场,借助虚拟化技术和云雾计算等架构,信息物理系统向着务联化的方向发展;随着智能移动设备人均保有量的迅速提高,信息的人均保有量、流通量、透明度增大,借助万物互联网络和面向服务的架构体系,人类的社会特性将逐渐渗透信息物理系统,使信息物理系统向着广义互联的社会化方向发展。图2 CPS的社会化发展趋势。

 

2 CPS的社会化发展趋势

社会化是CPS发展的必然趋势最终形成社会信息物理系统(Social CPSSCPS3为社会信息物理系统的演进历程。嵌入式系统(Embedded systemES)和智能体系统(Agent)可以认为是CPS的早期形式,但它们的专用性较强,交互范围有限。信息通讯技术(Information communication technology, ICT)的发展使CPS的覆盖范围迅速扩张,引发数据井喷,数据量的激增形如一把双刃剑,一方面促进了大数据科学的发展,使CPS由浅层信息密集系统升级为深层知识密集系统,有助于建立完整可靠的数字孪生(Digital twin)系统;另一方面,复杂的孪生系统给建模和控制带来了技术困难,与此同时,庞杂的数据量也引起了IT资源的匮乏。

基于模块化建模和网络化控制形成的离散控制系统(Discrete control systemDCS)可以改善复杂系统的建模和控制问题,结合人工智能技术形成的多智能体系统(Multi agent systemMAS)具有更好的自适应性和自组织性。但随着移动设备和可穿戴智能设备人均保有量的快速增长,人联网(Internet of peopleIoP)已逐渐融入物联网的脉络中,MAS结合人的柔性经验形成的人机交互系统(Human machine interactionHMI)具有更好的复杂任务处理能力和作业鲁棒性。基于无线触感网、无线传感执行网等网络技术,形成了复杂的社会化物联网(Internet of things, IoT)。

针对IT资源匮乏问题,人们把目光投向了虚拟化技术(Virtualized machineVM),结合面向服务的架构(Service-oriented architectureSOA)模式,形成云(Cloud)服务,实现硬件与应用的逻辑分离,从而有效提高IT资源的利用率。由于服务不能脱离人类社会,资源相较集中的云计算架构已经不能满足信息物理系统的地理分散性、时效性、移动性、社会性、节能性和安全性等要求,因此需要将计算单元扩展到网络边缘,边缘计算(Edge computing)、雾计算(Fog computing)、移动计算(5G)可以提供高性能的务联网(Internet of service, IoS)架构,有效平衡服务质量和服务体验感之间的矛盾,特别是随着信息透明度和共享性的增加,安全隐私和信任危机等问题日渐严峻,区块链技术可以实现去中心化、去信任化、共享化和可编程智能化,由此提高信息网络空间的安全性和可靠性,成为分布式计算架构的核心支撑技术。

物联网人联网务联网三网交织叠加,使物与物、人与人、人与物形成的信息物理融合系统具有广义互联的社会化特点。研究信息物理系统的社会化特点,有助于指导信息物理系统在社会生产中的应用。

3社会信息物理系统的演进历程

 

社会信息物理生产系统( Social Cyber-physical Production Systems SCPPS)由物理层、信息层和社会层组成。物理层实现真实的物理生产交互,通过泛在传感采集物理交互信息,并传输到信息层中。信息层可以实现虚拟化的生产交互,人际交互形成的人联网可以实现信息化的客户关系管理、供应商关系管理和人力资源管理;智能体交互形成的物联网可以实现智能化的制造执行系统、企业资源管理和市场资源配置;人机交互形成的务联网结合人联网和物联网的优势,通过泛在计算和大数据科学形成知识密集型的智能制造体系。社会层基于CPS的社会化交互,结合人的柔性经验和智能体的理性高效,形成具有组织规则的广义互联社会,进而影响信息物理生产系统中的个体行为,因此,需要对CPS的社会化特征进行研究,并用于指导CPPS在社会生产中的应用,形成智慧制造系统。如图4所示。

4 社会信息物理生产系统

为了进一步研究社会化的信息物理系统在制造系统中的应用,首先对广义互联社会的基本信息物理交互模式进行总结。如图5所示,有7种基本信息物理交互模式。

5(a)表示人在物理空间,通过感官获取物的信息并对物执行物理操作的过程,它是最原始的人与物的交互模式;图5(b)表示在信息空间构建物的虚拟模型,使物具有感知、控制和执行能力,实现人机在物理空间的信息和行为交互,它是人与智能体在物理环境下的交互模式;图5(c)表示在信息空间建立物体的信息模型,通过物理传感得到物理交互信息,并在信息空间进行处理,输出各自的执行信息,从而完成在物理空间的行为交互,它在信息空间构建了智能体的完整数字模型,因此属于数字孪生交互模式;图5(d)表示在信息空间构建物的虚拟模型,在虚拟空间与虚拟物体进行信息交互,通过虚拟信息控制物体的物理行为,它通常用于物体物理交互行为的模拟仿真;图5(e)表示在信息空间构建人得虚拟信息,将人沉浸在虚拟空间中与虚拟物体进行信息交互,通过虚拟信息控制人的物理感受和行为,它属于虚拟现实的交互模式;图5(f)表示将信息空间虚拟构造的物体映射于物理空间,在物理空间与人进行信息交互,并且可以通过人的物理操作改变物理化虚拟物体的状态,它属于增强现实的人机交互模式;图5(g) 表示将信息空间虚拟构造的物体映射于物理空间,在物理空间与智能体交互,并且可以通过智能体的物理操作改变物理化虚拟物体的状态,它属于增强现实的智能体交互模式。

5 种基本信息物理交互模式

信息物理生产系统的社会化不但可以提高生产系统的经济效益、形成良好的社会生产体制、促进和谐平衡的社会生产氛围,还可以充分发掘广大群众的创造潜能和生产热情,从而有力推进SCPPS的发展。然而在信息物理生产系统在社会化的进程中还存在诸多挑战。

1社会信息物理生产系统的标准化

2社会信息物理生产系统的人性化

3社会信息物理生产系统的安全问题

4另外,人工智能研究的伦理道德安全问题将成为SCPPS未来发展的一个严峻挑战 

 

 引用格式:景轩, 姚锡凡. 走向社会信息物理生产系统. 自动化学报, 2019, 45(4): 637-656. 


链接:http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-4-637.htm


作者简介:


景 轩 华南理工大学机械与汽车工程学院博士研究生。主要研究方向为智能制造系统。E-mail.bingguoyouling@163.com


 

姚锡凡 华南理工大学机械与汽车工程学院教授。主要研究方向为数字制造与计算机控制,智能制造。本文通信作者。 E-mail:mexfyao@scut.edu.cn

 




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