中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 黎小華 曾國(guó)平 燕繼明李春雷 謝 剛 李汶一

限于當(dāng)前計(jì)算技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的局限性，賽博空間（cyber space）與物理世界（physical world）是完全分離的。但在社會(huì)需求和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，賽博空間與物理世界的界限逐步模糊，并將最終實(shí)現(xiàn)融合。在此背景下，Cyber-Physical System（CPS）的概念應(yīng)運(yùn)而生。在資助CPS研究方面扮演重要角色的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）認(rèn)為，CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來。“如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，CPS將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)?！盢SF計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)和工程總監(jiān)Branicky表示。

Rajkumar等[1]指出：從現(xiàn)在開始將是CPS的時(shí)代，通過在物理系統(tǒng)中深度嵌入計(jì)算智能、通信和控制的能力以及借助新型傳感器、執(zhí)行器，通過主動(dòng)和可重構(gòu)功能組件增強(qiáng)物理系統(tǒng)的自適應(yīng)功能，將極大地提高CPS小到智能家庭網(wǎng)絡(luò)，大到工業(yè)控制系統(tǒng)，乃至智能交通等國(guó)家級(jí)甚至世界級(jí)應(yīng)用的自適應(yīng)能力、自動(dòng)化程度、效率、可靠性、安全性和可用性等。NSF研究報(bào)告[2]指出：當(dāng)前，CPS的發(fā)展已經(jīng)開始顯著地改變?nèi)藗兊纳睿珻PS在智能醫(yī)療，智能電網(wǎng)、智能汽車、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，可使人們得到更靈敏，更精確，更高效的服務(wù)，同時(shí)，在一些具有危險(xiǎn)性、不適合人類參與的工作環(huán)境，CPS技術(shù)支撐的智能裝置已在地震搜救、消防和探險(xiǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

CPS定義和特點(diǎn)

1 CPS定義

Baheti等[3]指出：“CPS系統(tǒng)是各種計(jì)算元素和物理元素緊密結(jié)合并在動(dòng)態(tài)不確定事件作用下相互協(xié)調(diào)的高可靠系統(tǒng)”。Lee[4]認(rèn)為：“CPS是計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的集成和相互影響，即通過嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理進(jìn)程的監(jiān)測(cè)和控制，并通過反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)物理進(jìn)程對(duì)計(jì)算進(jìn)程的影響”。Rajkumar等[1]認(rèn)為：“CPS是通過計(jì)算和通信內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)、控制和集成的物理和工程系統(tǒng)。”

中科院何積豐院士認(rèn)為[5]：“CPS是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)?！蓖瑵?jì)大學(xué)王中杰教授[6]認(rèn)為：“CPS強(qiáng)調(diào)‘Cyber-physical’的交互，涉及未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、不確定信息信號(hào)的實(shí)時(shí)可靠處理與通訊、動(dòng)態(tài)資源與能力的有機(jī)協(xié)調(diào)和自適應(yīng)控制，是具有高度自主感知、自主判斷、自主調(diào)節(jié)和自治能力，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界和實(shí)際物理世界互聯(lián)與協(xié)同的下一代智能系統(tǒng)?！?/p>

2 CPS 特點(diǎn)

CPS由計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物理設(shè)備融合而成，所有設(shè)備相互協(xié)作，共同決定其獨(dú)特的功能和特征。許少倫等[7]對(duì)信息物理融合系統(tǒng)的特征進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為CPS的主要特點(diǎn)如下。

（1）復(fù)雜性與異構(gòu)性：CPS由多種異構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和異質(zhì)的物理設(shè)備構(gòu)成，通過相互融合，使物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治5大功能，是一個(gè)多維度的開放式系統(tǒng)，具有高度的復(fù)雜性，其異構(gòu)性也非常明顯。

（2）融合性：CPS通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合，通過實(shí)時(shí)交互來擴(kuò)展新的功能，每個(gè)物理設(shè)備均深度嵌入了計(jì)算和通信功能。這導(dǎo)致計(jì)算對(duì)象從數(shù)字的變?yōu)槟M的，從離散的變?yōu)檫B續(xù)的，從靜態(tài)的變?yōu)閯?dòng)態(tài)的，是一個(gè)多種類型計(jì)算對(duì)象并存的系統(tǒng)。

（3）自治性與智能性：CPS在融合計(jì)算、控制和物理過程的同時(shí)，具備強(qiáng)大的自治機(jī)能和智能決策能力，使計(jì)算組件和物理環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)更靈活的交互、更智能的協(xié)作，主要體現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)自組織、自適應(yīng)與自我管理。

（4）實(shí)時(shí)性和海量性：CPS需要及時(shí)了解物理設(shè)備的現(xiàn)狀，通過網(wǎng)絡(luò)化控制手段對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行必要的控制和干預(yù)，但由于移動(dòng)設(shè)備的接入會(huì)造成設(shè)備狀態(tài)隨機(jī)變化，所以需要對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重組，這對(duì)計(jì)算過程的時(shí)間確定性和并行性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求都非常高。同時(shí)，CPS進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信息交互時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，因而海量數(shù)據(jù)處理的需求會(huì)變得非常迫切。

3 CPS與嵌入式系統(tǒng)

當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)已成為工業(yè)控制和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心。嵌入式系統(tǒng)作為更大系統(tǒng)的組成部分，主要用來增強(qiáng)產(chǎn)品的功能或提高產(chǎn)品的性能，更注重計(jì)算。由于內(nèi)存、能量等資源有限，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問題是如何實(shí)現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化[8]。何積豐院士認(rèn)為“傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中解決物理系統(tǒng)相關(guān)問題所采用的單點(diǎn)解決方案不再適應(yīng)新一代物理設(shè)備信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需求”，“現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不能滿足新一代物理設(shè)備網(wǎng)絡(luò)可控、可信和可擴(kuò)展的新需求”等原因促進(jìn)了CPS這一新理論的提出。CPS以計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程間的緊密集成和協(xié)調(diào)為主要特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)將物理設(shè)備通過各種網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，從而使物理設(shè)備具有了計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等5大功能[5]。CPS與嵌入式系統(tǒng)的主要區(qū)別見表1。

由此可知，相較傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，CPS具有計(jì)算更實(shí)時(shí)、過程更動(dòng)態(tài)、控制更精確、運(yùn)行更智能、系統(tǒng)組成異質(zhì)性更加明顯等特點(diǎn)。

CPS體系結(jié)構(gòu)

圖1 CPS基本物理組成

表1 CPS與嵌入式系統(tǒng)的比較

通常，CPS的基本物理組件包括感知單元、執(zhí)行單元和決策控制單元。感知單元是一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)被感控對(duì)象物理?xiàng)l件或化學(xué)組成的嵌入式設(shè)備；執(zhí)行單元是一種能夠接收控制指令并對(duì)受控對(duì)象施加控制作用的嵌入式設(shè)備；決策控制單元是一種能夠根據(jù)用戶定義的語義規(guī)則生成控制邏輯的邏輯控制設(shè)備[9]?；疚锢斫M件結(jié)合反饋循環(huán)控制原理，構(gòu)成了執(zhí)行CPS最基本的監(jiān)測(cè)與控制功能的邏輯單元，如圖1所示。

要實(shí)現(xiàn)CPS的信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，首先需要將各種物理實(shí)體抽象到信息系統(tǒng)中。國(guó)內(nèi)外的研究者也紛紛提出不同的信息抽象策略，比如La等[10]從解決嵌入式設(shè)備計(jì)算資源有限的角度出發(fā)，將CPS抽象為包括環(huán)境層、服務(wù)層、控制層的3層結(jié)構(gòu)。綜合來看，CPS的核心是計(jì)算、通信、控制3者的有效協(xié)同，圖2是基于系統(tǒng)視圖的CPS體系結(jié)構(gòu)[11]。

Morrls等[12]從應(yīng)用的角度把能源CPS抽象為包括物理層、傳感器和執(zhí)行器層、本地控制層、低等級(jí)監(jiān)控層、高等級(jí)監(jiān)控層、信息層的6層結(jié)構(gòu)；景博等[13]考慮實(shí)際系統(tǒng)中感知組件與執(zhí)行組件之間存在數(shù)據(jù)交換，提出了包含感控層、網(wǎng)絡(luò)層和決策層的CPS的3層體系架構(gòu)?；谙到y(tǒng)功能的視角，出現(xiàn)了一種CPS層次結(jié)構(gòu)模型。該模型中，物理層是最底層，其功能主要包括物理過程的執(zhí)行、感知和監(jiān)控；通信層則負(fù)責(zé)設(shè)備與不同層之間的數(shù)據(jù)傳遞，并包含數(shù)據(jù)包路由和控制系統(tǒng)拓?fù)涞忍卣?；控制層主要包含一些控制設(shè)備及融合應(yīng)用組件，這些設(shè)備和組件配有健壯、可靠、安全、容錯(cuò)的控制算法。何明等[14]結(jié)合對(duì)CPS工作原理及各項(xiàng)功能的理解，在前人研究基礎(chǔ)上對(duì)基于功能試圖的CPS體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化，形成如圖3所示的3層CPS體系結(jié)構(gòu)。

王小樂等[15]從面向服務(wù)的角度出發(fā)，將CPS按照實(shí)體到抽象劃分為4層，充分體現(xiàn)了CPS的結(jié)構(gòu)特性和以服務(wù)為資源存在方式的核心思想。CPS抽象結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 基于系統(tǒng)視圖的CPS體系結(jié)構(gòu)

圖3 基于功能視圖的CPS體系結(jié)構(gòu)

圖4 基于服務(wù)視角的CPS 4層抽象結(jié)構(gòu)

CPS節(jié)點(diǎn)與物理世界實(shí)時(shí)交互，通過傳感器單元實(shí)時(shí)感知物理世界的變化，將感知的信息交給信息處理單元或者通過通信單元傳輸給其他節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通信單元接收傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)并交給信息處理單元，信息處理單元將獲取的信息進(jìn)行融合，根據(jù)內(nèi)建的嵌入式算法作出決策，并將結(jié)果傳遞給執(zhí)行器單元，或者通過通信單元發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理過程的影響和控制。該方法對(duì)研究CPS與面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的結(jié)合及CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用[15]。

數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)發(fā)展

1 數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著數(shù)字控制技術(shù)、高性能驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床功能越來越強(qiáng)大，在制造業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、高精化、高效化是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向。隨著數(shù)控機(jī)床功能、性能的提升，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控需求十分迫切。在此背景下，各種類型的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)蓬勃發(fā)展。

基于數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)構(gòu)建的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)數(shù)控機(jī)床加工過程的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工況可以通過監(jiān)控界面直觀了解，設(shè)備故障可以在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，并自動(dòng)通知給相關(guān)的技術(shù)人員。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息、故障信息可以為生產(chǎn)人員、工藝人員及設(shè)備保障人員提供數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程第一手的狀態(tài)信息，遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程作業(yè)調(diào)度及資源調(diào)配、數(shù)控加工過程工藝狀態(tài)評(píng)估成為可能。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和診斷，實(shí)現(xiàn)了“移動(dòng)的是數(shù)據(jù)而不是人”，從而改變?cè)O(shè)備發(fā)生故障時(shí)診斷人員疲于奔命的被動(dòng)局面。全球化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、傳感器技術(shù)的大量應(yīng)用都為數(shù)控加工過程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[16]。

2 當(dāng)前數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)存在問題

（1）傳輸實(shí)時(shí)性低，可靠性差：限于當(dāng)前的技術(shù)手段，數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集過程受數(shù)據(jù)采集器性能，傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性、帶寬及延遲影響，傳輸延遲大，采集頻率低（信號(hào)采集間隔通常高于1s），很難達(dá)到較高的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集過程易受實(shí)際生產(chǎn)過程環(huán)境影響（如異常斷電、網(wǎng)絡(luò)失效等），可靠性較低。

（2）數(shù)據(jù)采集器功能單一，采集參數(shù)少：目前行業(yè)內(nèi)適用于數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)采集解決方案通?；谟布蹇ǖ姆绞?，由于需要兼顧行業(yè)各類不同的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需求，通常在信號(hào)采集功能規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)上高度抽象和集約化，采集器功能比較單一，采集參數(shù)也比較有限，通常只包括機(jī)床開關(guān)機(jī)信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)、NC程序加載、開始運(yùn)行和結(jié)束運(yùn)行時(shí)間等，而對(duì)于表征數(shù)控加工過程有效狀態(tài)的一些重要信號(hào)，如主軸電流、功率、溫度等，以及NC程序運(yùn)行過程的一些關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)（如坐標(biāo)位置、進(jìn)給倍率、轉(zhuǎn)速等信息），采集能力較弱，一定程度上限制了數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用范圍。

（3）缺乏直觀、高效的加工狀態(tài)復(fù)現(xiàn)技術(shù)：實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集僅僅是整個(gè)監(jiān)控過程的第一步，如何建立高效、直觀的虛擬監(jiān)控可視化界面，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。目前，針對(duì)數(shù)控加工過程虛擬可視化監(jiān)控的主要做法仍是在對(duì)實(shí)際車間生產(chǎn)布局調(diào)研的基礎(chǔ)上，繪制虛擬車間二維布局圖，對(duì)數(shù)控機(jī)床物理位置與二維布局圖的邏輯位置進(jìn)行抽象描繪，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)C/S或B/S架構(gòu)的數(shù)控機(jī)床監(jiān)控可視化界面，融合數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集器的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的三色燈狀態(tài)顯示。而針對(duì)具體數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控，則缺乏有效的狀態(tài)復(fù)現(xiàn)手段，通常仍以定制開發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口為主，對(duì)實(shí)際加工過程三維運(yùn)動(dòng)軌跡、機(jī)床相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件位置、狀態(tài)等的顯示仍缺乏有效手段。

（4）僅單向的數(shù)據(jù)采集，缺乏雙向控制能力：傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面向制造過程數(shù)據(jù)的采集，而隨著新一代制造裝備技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床越來越呈現(xiàn)自動(dòng)化、自主化和智能化的特征。這些設(shè)備的裝備和應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的“管控”需求，即不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)，也要求能夠在一定程度上對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和響應(yīng)，并能夠在必要情況下發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的行為控制，這對(duì)數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1 數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS參考體系結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS定義

數(shù)控加工智能監(jiān)控CPS定義：根據(jù)數(shù)控機(jī)床實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控需求，以數(shù)控機(jī)床本體建模和運(yùn)動(dòng)特征抽象、數(shù)控加工過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)感知和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，融合數(shù)控加工過程三維實(shí)時(shí)復(fù)現(xiàn)、智能數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估、異常預(yù)警和自主化智能控制能力的，通過分布式網(wǎng)絡(luò)融合形成的計(jì)算更實(shí)時(shí)、過程更動(dòng)態(tài)、控制更精確、運(yùn)行更智能，具備高度自治性的數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS體系結(jié)構(gòu)

本文參照基于服務(wù)角度的CPS 4層抽象架構(gòu)，結(jié)合數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS的實(shí)際特點(diǎn)，提出了一個(gè)面向服務(wù)的數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

（1）感控層。

數(shù)控加工智能監(jiān)控CPS的感控節(jié)點(diǎn)層是CPS與數(shù)控機(jī)床實(shí)際物理過程的交互點(diǎn)，包含了CPS的物理元素，如數(shù)控機(jī)床實(shí)體，運(yùn)動(dòng)部件，傳感器，各類物理的控制器、驅(qū)動(dòng)器和數(shù)控加工物理對(duì)象及資源（如刀具、工裝等）等，主要涉及控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、感知技術(shù)、通信技術(shù)等。

數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心是感知功能的構(gòu)建和感知網(wǎng)絡(luò)的融合。通過在數(shù)控機(jī)床物理實(shí)體加裝相應(yīng)傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能部件，并與數(shù)控加工物理對(duì)象（刀具、工裝、毛坯等）交聯(lián)耦合，形成具有感知、控制執(zhí)行與自主決策功能的CPS感控節(jié)點(diǎn)，并以數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集器和控制網(wǎng)絡(luò)的形式實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用自主開發(fā)的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集器與傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的方式，構(gòu)建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由采集層、處理層、服務(wù)層和應(yīng)用層4層組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。

在實(shí)際數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS中，網(wǎng)絡(luò)通信層面臨的最大挑戰(zhàn)是如何保證虛擬空間與物理空間之間大容量、高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的高可靠性、低延遲傳輸；同時(shí)，隨著智能設(shè)備和智能感知設(shè)備的大量普及，未來作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入需求將成幾何級(jí)數(shù)增加。鑒于現(xiàn)有作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)在傳輸可靠性和傳輸性能方面的實(shí)際情況，采用分布式數(shù)據(jù)采集體系的設(shè)計(jì)，在感知層和處理層優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理策略，采用“分步+冗余”的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理機(jī)制，可有效降低實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理過程對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、實(shí)時(shí)性和高帶寬要求。

但隨著后續(xù)數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)的大規(guī)模工程化應(yīng)用，仍迫切需要采用新一代具有充足帶寬、接入能力強(qiáng)、超低時(shí)延的下一代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，應(yīng)充分關(guān)注具備較高可靠性、較低時(shí)延、較大接入容量的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，以滿足未來作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛的移動(dòng)接入需求。

（3）資源服務(wù)層。

圖5 數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖6 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

由于數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)中針對(duì)物理環(huán)境的感知、監(jiān)測(cè)和分析決策處理過程有大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、分析、控制決策處理需求，而感控層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理能力是有限的。因此，對(duì)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，從海量數(shù)據(jù)中分析、提取有用信息，是資源服務(wù)層的主要功能。數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控CPS系統(tǒng)的資源服務(wù)層作為系統(tǒng)運(yùn)行的支撐平臺(tái)，向上，為決策及應(yīng)用層提供各類數(shù)據(jù)分析、圖形運(yùn)算、大數(shù)據(jù)處理能力支持；向下，為感控層提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)支持；同時(shí)，對(duì)感控層的感知組件及執(zhí)行器進(jìn)行抽象建模，形成虛擬空間與物理空間融合交互的服務(wù)中間件，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)報(bào)告、監(jiān)控指令、機(jī)床操作控制指令的集成功能。

（4）決策應(yīng)用層。

決策應(yīng)用層是面向應(yīng)用和操作者的，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程的可視化監(jiān)測(cè)和自主化、智能化控制。一方面，決策應(yīng)用層作為操作者的功能增強(qiáng)裝備，能夠?yàn)椴僮髡咛峁└鼘?shí)時(shí)、更全面、具備決策參考價(jià)值的數(shù)控加工過程工況信息和智能分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，以提高操作者對(duì)整個(gè)數(shù)控加工過程的感知、控制能力；另一方面，作為具備高度自主性的智能監(jiān)控系統(tǒng)，決策應(yīng)用層利用內(nèi)嵌的大數(shù)據(jù)計(jì)算、智能數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)實(shí)際加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估，可實(shí)現(xiàn)智能化的加工過程預(yù)測(cè)、異常報(bào)警和智能防錯(cuò)控制，這使數(shù)控加工過程進(jìn)一步向智能化、少人化甚至無人化方向演進(jìn)成為可能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件精確建模及數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制機(jī)制、各組坐標(biāo)軸耦合關(guān)系的動(dòng)態(tài)解析，在自主開發(fā)的三維仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)加載和交互式控制。同時(shí)，結(jié)合對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工過程原點(diǎn)設(shè)置、刀具參數(shù)的采集及工裝、毛坯狀態(tài)的自動(dòng)檢查，自動(dòng)構(gòu)建數(shù)控機(jī)床虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境，通過數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集器采集的高實(shí)時(shí)度（毫秒級(jí)）的機(jī)床實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工過程的超低延時(shí)、高仿真度的加工過程三維可視化復(fù)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖7所示。

系統(tǒng)基于“感知-分析-決策-控制-反饋-評(píng)估”的閉環(huán)控制機(jī)制，在準(zhǔn)確評(píng)估數(shù)控加工過程運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，智能提取數(shù)控加工過程的異常和例外信息，結(jié)合已經(jīng)建立的數(shù)控加工過程異常狀態(tài)響應(yīng)和處理規(guī)則，研究并突破了加工時(shí)間智能預(yù)測(cè)、加工狀態(tài)智能評(píng)估、異常狀態(tài)自動(dòng)預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)。目前，系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)評(píng)估規(guī)則和預(yù)定義操作流程的NC程序加載控制、原點(diǎn)校驗(yàn)、刀具參數(shù)及刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，并可對(duì)數(shù)控加工過程主軸負(fù)載異常、功率突變等狀態(tài)進(jìn)行有效識(shí)別和報(bào)警，有效提高了數(shù)控加工過程的智能化監(jiān)控水平。

圖7 數(shù)控加工過程三維可視化復(fù)現(xiàn)程序運(yùn)行界面

結(jié)束語

當(dāng)前，美國(guó)、德國(guó)等西方先進(jìn)工業(yè)國(guó)家大力推進(jìn)智能制造技術(shù)研究及應(yīng)用，我國(guó)“兩化”深度融合也在深入推進(jìn)，CPS作為智能制造領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界優(yōu)先研究和發(fā)展的重要領(lǐng)域。為了更好地實(shí)現(xiàn)CPS在制造業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用，需要突破現(xiàn)有的計(jì)算模式、物理架構(gòu)、控制方法和通信環(huán)境的束縛。當(dāng)前制造業(yè)CPS的研究重點(diǎn)包括：CPS相關(guān)共性技術(shù)研究（如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、實(shí)時(shí)計(jì)算、智能控制理論等），CPS關(guān)鍵支撐技術(shù)研究（如面向CPS的下一代通信技術(shù)、智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)、異構(gòu)異質(zhì)系統(tǒng)集成、新一代仿真技術(shù)及融合控制技術(shù)等）。推進(jìn)CPS在制造業(yè)的有效落地和應(yīng)用，需要學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界共同努力，以逐步開啟制造業(yè)CPS研究及應(yīng)用的新局面。

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