（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

CPS研究現(xiàn)狀

賽博物理系統(tǒng)又稱為信息物理融合系統(tǒng)，這個概念首先是在美國被提出的，2006年底，美國國家科學基金會（National Science Foundation,NSF）宣布該系統(tǒng)為國家科研核心課題。

信息物理融合系統(tǒng)被定義為具備物理輸入輸出且由可相互作用的元件組成的網(wǎng)絡(luò)，不同于未聯(lián)網(wǎng)的獨立設(shè)備，也不同于沒有物理輸入輸出的單純的網(wǎng)絡(luò)，它是一個計算過程與物理過程融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其通過計算、通信和控制的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)信息域和物理域的緊密結(jié)合[1-2]。

隨著新的計算、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，賽博物理系統(tǒng)已成為物理設(shè)備系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的發(fā)展的新趨勢[3]。賽博物理系統(tǒng)作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。賽博物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間遠程地、可靠地、實時地、安全地、協(xié)作地操控一個物理實體[4-5]。賽博物理系統(tǒng)是將感控、計算和通信與物理對象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高度集成的新型智能復(fù)雜系統(tǒng)[6]。

目前，賽博物理系統(tǒng)還是一個比較新的研究領(lǐng)域。

文獻[7]對賽博物理系統(tǒng)產(chǎn)生背景進行了描述，賽博物理系統(tǒng)是在計算、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)日趨成熟的背景下得以發(fā)展，并提出了賽博物理系統(tǒng)的核心是通信、控制、計算的三者融合。

文獻[8]提出了一種CPS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，圍繞計算、通信、控制3個要素從系統(tǒng)、功能、技術(shù)3個視圖進行設(shè)計研究。

文獻[9]基于SOA的思想提出了一種將CPS系統(tǒng)中軟硬件資源整合成服務(wù)的形式供各個任務(wù)進行調(diào)用的體系框架。

文獻[10]按照實體到抽象、物理到信息的思想將CPS系統(tǒng)劃分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，并結(jié)合智能交通體系結(jié)構(gòu)對三層結(jié)構(gòu)進行描述，充分體現(xiàn)了CPS系統(tǒng)內(nèi)部各個層次之間協(xié)同合作的特性。

多CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

未來的各個智能體應(yīng)該在現(xiàn)有的單個業(yè)務(wù)系統(tǒng)上加入智能識別模塊，從而升級為帶智能Agent服務(wù)的業(yè)務(wù)模塊，類似于在局域網(wǎng)中注冊一個智能化的消息探頭，各個智能體模塊至少需要具備兩個基本功能，即發(fā)送本智能體正在發(fā)生的事件以及處理其他智能體發(fā)送過來的事件[11-13]。

多CPS系統(tǒng)的智能互聯(lián)是構(gòu)成當今物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)[14]?！爸悄堋焙汀盎ヂ?lián)”將賦予產(chǎn)品一系列新的功能和能力，從邏輯結(jié)構(gòu)上主要分為4類：監(jiān)測、控制、優(yōu)化和自動。

（1）監(jiān)測：通過傳感器和外部數(shù)據(jù)源，智能互聯(lián)產(chǎn)品能對系統(tǒng)運行狀態(tài)和外部環(huán)境進行全面監(jiān)測。在數(shù)據(jù)的幫助下，一旦環(huán)境和運行狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)就會向用戶或相關(guān)方發(fā)出警告。

（2）控制：通過系統(tǒng)內(nèi)置或云服務(wù)中的指令和算法進行遠程控制。算法可以讓系統(tǒng)對狀態(tài)和環(huán)境的特定變化做出反應(yīng)。例如當壓力過高時，自動關(guān)閉閥門，當車庫流量達到一定級別時，打開指示燈。

（3）優(yōu)化：有了豐富的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)流，就可以用數(shù)據(jù)分析的方法實現(xiàn)系統(tǒng)自優(yōu)化，過去由于數(shù)據(jù)缺失或者積累不夠，這些方法大多無法實現(xiàn)。通過對實時數(shù)據(jù)和歷史記錄進行挖掘分析，優(yōu)化系統(tǒng)運行條件，解決和避免系統(tǒng)當前存在的短板問題，從而大幅提高系統(tǒng)的產(chǎn)出比。

（4）自動：將檢測、控制和優(yōu)化功能融合到一起，顯著提高系統(tǒng)自動化程度。基于自身運行狀態(tài)和外部環(huán)境進行自適應(yīng)優(yōu)化，系統(tǒng)最終將實現(xiàn)完全自動運行。

在物理結(jié)構(gòu)上，多智能體之間的協(xié)同類似于現(xiàn)在的局域網(wǎng)部署，有兩種結(jié)構(gòu)。

（1）總線型結(jié)構(gòu)：有一個智能體注冊及服務(wù)處理中心，消息都向中心發(fā)送，中心再向其他智能體廣播消息。

（2）星型結(jié)構(gòu)：無智能體服務(wù)中心，通過廣播等手段自動向所有被探知的智能體發(fā)送消息。

總線型結(jié)構(gòu)，采取統(tǒng)一注冊、統(tǒng)一控制，而星型結(jié)構(gòu)無服務(wù)中心，采取自探測、自識別機制?？偩€型統(tǒng)一控制簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，方便接口設(shè)計，易于擴展，同時在系統(tǒng)故障診斷方面具有先天性優(yōu)勢。因此，本文重點研究了總線型結(jié)構(gòu)下多CPS系統(tǒng)協(xié)同處理機制[15]。

協(xié)同處理功能設(shè)計

總線型多CPS系統(tǒng)協(xié)同處理模塊的關(guān)鍵部分在Agent功能設(shè)計，分為Agent客戶端和Agent服務(wù)端兩部分，承擔著多個CPS系統(tǒng)與服務(wù)端消息的發(fā)送、接收和識別功能。功能模塊如圖1所示，其核心為客戶端的消息注冊以及服務(wù)器端的消息處理。其運行機制如圖2所示，其中Agent客戶端是各個CPS系統(tǒng)都應(yīng)具有的消息智能探頭，或者可將公用的Agent客戶端作為消息探頭，完成各個CPS系統(tǒng)與Agent服務(wù)中心的CPS系統(tǒng)注冊、實時消息發(fā)送、接收、識別及處理等功能。Agent服務(wù)中心是消息服務(wù)中心，完成各個CPS系統(tǒng)的認證、注冊、消息的接收、過濾、二次處理及按需轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能。

圖1 總線型多CPS協(xié)同處理模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Function structure diagram of bus type multi-CPS collaborative processing module

圖2 總線型多CPS協(xié)同機制運行示意Fig.2 Schematic diagram of bus type multi-CPS collaborative mechanism

1 Agent客戶端實現(xiàn)

按照上述設(shè)計，客戶端主要完成客戶端CPS應(yīng)用注冊、所關(guān)注的消息類注冊、發(fā)送客戶端事件消息、接受服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過來的感興趣的消息，最后處理所接受的消息。因此，在客戶端實現(xiàn)中，需要一個TIDCPSERVER端口偵聽Agent服務(wù)中心所轉(zhuǎn)發(fā)的消息，同時需要一個IDCPCLIENT，完成與Agent服務(wù)中心的連接、注冊、發(fā)送事件消息[16]。實現(xiàn)上述功能的主要代碼如下：

（1）連接Agent服務(wù)中心并發(fā)送消息。該方法是一個通用方法，供注冊等方法調(diào)用。TfrmMSGClient.tcpsendandRecvmsg（msg:string;var re cvmsg,sErrmsg:string）:BOOLEAN。

（2）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，發(fā)起客戶端的注冊，同時返回本CPS系統(tǒng)的唯一令牌。TfrmMSGClient.ClientRegister（myserverport,mySYSNA ME:STRING）:string。

（3）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，發(fā)起客戶端CPS對感興趣的消息類注冊。TfrmMSGClient.Client Message Register（mytoken:string;recvmsglx:array of string）:BOOLEAN。

（4）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，向Agent服務(wù)中心發(fā)送客戶端CPS的各類的事件消息。TfrmMSGClient.sendClientMessage（sendmsglx:string;m ytoken:string;msgContent:string）:BOOLE AN。

（5）處理所接受到的Agent服務(wù)中心轉(zhuǎn)發(fā)過來的感興趣的消息。TfrmMSGClient.ProcessServerMessage（recvtoken:string;recvmsglx,msg:string）:BOOLEAN。

（6）啟動偵聽服務(wù)，以接受Agent服務(wù)中心轉(zhuǎn)發(fā)過來的所感興趣的消息并調(diào)用消息處理主體。TfrmMSGClient.IdTCPServer1Execute（AThread: TIdPeerThread）。

2 Agent服務(wù)中心實現(xiàn)

服務(wù)端主要接受來自各個CPS客戶端的消息，以實現(xiàn)CPS應(yīng)用注冊、所關(guān)注的消息類注冊，同時接受客戶端的各類消息，并且向各個客戶端轉(zhuǎn)發(fā)、發(fā)送服務(wù)端消息。因此，在服務(wù)端實現(xiàn)中，需要一個TIDTCPSERVER服務(wù)在指定端口以偵聽Agent客戶端所發(fā)送的消息，在接收到消息后，放入到消息隊列中，通過一個線程TTransferMsgThread不斷取出消息，依據(jù)各個CPS客戶端已注冊的消息類，使用IDTCPCLIENT來連接CPS客戶端，實現(xiàn)消息分發(fā)到對應(yīng)的客戶端。

如圖3所示，將上述功能實現(xiàn)的主要代碼如下：

圖3 Agent服務(wù)中心方法調(diào)用關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of agent service center method call

（1）接收到各個CPS客戶端的消息后，通過該轉(zhuǎn)發(fā)線程，執(zhí)行消息分檢及轉(zhuǎn)發(fā)。TTransferMsgThread.Execute。

（2）接受CPS客戶端注冊，并產(chǎn)生客戶端實例。TfrmMsgSrv.Accept Client Register（amyip,amyserver port,amySYSNAME:STRING）:string。

（3）接收CPS客戶端感興趣的消息類注冊。TfrmMsgSrv.Accept Client Message Register（mytoken:string;recvmsglx:string）:BOOLEAN。

（4）依據(jù)各個客戶端注冊的消息類，分發(fā)待發(fā)送消息到各個客戶端實例。TfrmMsgSrv.Transfer Client Message（sendtoken,toTo ken:string;sendmsglx:string;msg:string）:B OOLEAN。

（5）TCP服務(wù)的主體線程代碼，接收并處理客戶端的所有通信。TfrmMsgSrv.IdTCP Server1 Execute（AThread: TIdPeerThread）。

總線型協(xié)同機制驗證

在數(shù)字化車間中，總線型多CPS協(xié)同處理模型將制造車間各個復(fù)雜的制造要素接入到車間層的CPS系統(tǒng)中，將整個制造過程顯性化，依據(jù)該模型能很清晰地知道整個制造過程的瓶頸環(huán)節(jié)，并進行優(yōu)化處理。為了方便理解，下面將對制造過程進行簡化抽象建模，描述各個智能體之間協(xié)作過程及通信原理。

根據(jù)CPS協(xié)同機制的設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)，下面將以總線型結(jié)構(gòu)來描述中航工業(yè)成飛數(shù)控廠未來的航空結(jié)構(gòu)件加工應(yīng)用場景。航空結(jié)構(gòu)件加工車間一般包含有材料站、刀具站、工裝庫、檢驗平臺、工藝知識庫、庫房、測量機房、物流調(diào)度中心、機床等制造要素。車間所有CPS均已注冊，當計劃CPS感知到ERP計劃出現(xiàn)新的制造需求后，就發(fā)送一條新任務(wù)的消息到Agent服務(wù)中心，服務(wù)中心將此消息分發(fā)到各個CPS，材料CPS會發(fā)送材料的消息，工藝CPS會發(fā)送加工程序的消息，設(shè)備CPS會發(fā)送設(shè)備相關(guān)狀態(tài)消息，工裝CPS會發(fā)送工裝狀態(tài)消息，這些消息通過Agent服務(wù)中心消息隊列處理后分發(fā)出去，當調(diào)度CPS接收到各資源狀態(tài)就緒的消息后，向物流發(fā)出加工任務(wù)的消息，物流CPS依據(jù)該消息去材料站取回原材料及相應(yīng)資源，并反饋消息，保證各個制造資源及時到位，物流業(yè)務(wù)完成后發(fā)送加工開始的消息，機床CPS收到加工開始的消息后就可以進行加工了。這樣通過Agent客戶端發(fā)送接收業(yè)務(wù)消息，Agent服務(wù)中心處理并分發(fā)消息后，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)開始加工的業(yè)務(wù)協(xié)同工作。

當工人加工完成某個零件某個工序后，機床CPS向Agent服務(wù)中心自動發(fā)送一條事件信息，告知“某設(shè)備已經(jīng)加工完成了某個質(zhì)量編號的某工序的零件”，Agent服務(wù)中心收到該消息后，向所有注冊的CPS廣播該消息。

當測量CPS收到消息后，檢查FO中測量工藝，發(fā)現(xiàn)該工序需要測量，根據(jù)目前測量機房資源準備情況自動決策，然后向Agent服務(wù)中心自動發(fā)送一條事件信息，告知“某設(shè)備某個質(zhì)量編號的某工序的零件需要到某測量機房的某測量機上測量”，Agent服務(wù)中心收到該消息后，將向所有CPS廣播該消息。

當物流CPS收到測量CPS的消息后，會根據(jù)物流資源使用情況以及該質(zhì)量編號的零件形狀大小，自動決策委派某個物流小車去運送零件。同時向Agent服務(wù)中心發(fā)送“已委派某車輛去某設(shè)備上運送零件到某個測量房”的消息。其他CPS收到消息后，若未注冊對于該類消息的處理服務(wù)，則不對該消息進行處理。機床CPS收到物流智能體及測量CPS的消息后，將等待物流CPS委派的物流小車的到達。

圖4 生產(chǎn)任務(wù)開始加工的多CPS協(xié)同F(xiàn)ig.4 Multi-CPS collaboration of the beginning of production

圖5 生產(chǎn)物流的多CPS協(xié)同F(xiàn)ig.5 Multi-CPS collaboration of production logistics

圖4～5是上述應(yīng)用場景的描繪，各個CPS通過Agent服務(wù)中心將云消息廣播到各個CPS。

以上場景和技術(shù)在中航工業(yè)成飛數(shù)控廠的各個MES子系統(tǒng)（材料站、物流、刀具、調(diào)度）中進行了應(yīng)用驗證，加裝該Agent探頭的各個CPS子系統(tǒng)已經(jīng)能夠充分實現(xiàn)彼此的互聯(lián)互通互動，實現(xiàn)從自動協(xié)同計劃安排、機床加工過程自動監(jiān)控到加工完成自動物流搬運的數(shù)控加工過程全流程協(xié)同，證明了設(shè)計方法的科學性。相對于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)集成的MES子系統(tǒng)，加裝了Agent客戶端探頭的MES子系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率大大提高，從而提高了生產(chǎn)效率，證明了總線型多CPS協(xié)同機制在工程實際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。

綜上，表明未來在CPS的構(gòu)建上，將采取松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)各個Agent的通信，采取可插拔基于SOA的總體技術(shù)架構(gòu)。在該模式下，各個智能體的消息處理服務(wù)同樣是可插拔。各個智能體可以相互獨立地聯(lián)入到車間層的CPS系統(tǒng)中，任何一個智能體從CPS系統(tǒng)中去掉不會影響其他智能體的運作；同時各個智能體之間又能通過消息互聯(lián)互通。

結(jié)束語

以VS2010為開發(fā)工具，實現(xiàn)了基于TCP/IP模式下的各個CPS系統(tǒng)間的協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)并在MES系統(tǒng)中進行了應(yīng)用驗證?？偩€結(jié)構(gòu)的多CPS協(xié)同機制具有消息動態(tài)注冊、消息類動態(tài)擴展、Agent探頭可熱插拔等優(yōu)點，在目前國內(nèi)外對CPS的研究還停留在理論階段的現(xiàn)狀下具有重大實踐意義。

必須指出的是，這是一種通過TCP/IP協(xié)議的Agent來實現(xiàn)各個CPS系統(tǒng)間的協(xié)同方案，該方案適合支持TCP/IP通信的CPS系統(tǒng)協(xié)同，但對有嵌入式系統(tǒng)的CPS不適合。

[1]RAJKUMAR R, LEE I, LUI S, et al.Cyber-physical systems: the next computing revolution[J]. IEEE, 2010:731-736.

[2]周興社，楊亞磊，楊剛. 信息-物理融合系統(tǒng)動態(tài)行為模型構(gòu)建方法[J]. 計算機學報，2014, 37(6):1411-1423.ZHOU Xingshe, YANG Yalei, YANG Gang. Modeling methods for dynamic behaviors of cyber-physical system[J]. Journal of Computer Science， 2014, 37(6):1411-1423.

[3]譚朋柳，舒堅，吳振華. 一種信息-物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[J]. 計算機研究與發(fā)展 , 2010, 47(S2)：312-316.TAN Pengliu, SHU Jian, WU Zhenhua.A cyber physical fusion system[J]. Journal of Computer Research and Development, 2010, 47(S2):312-316.

[4]LUI S, GOPALAKRISHNAN S,XUE L, et al. Cyber-physical systems: a new frontier[M]//Machine Learning in Cyber Trust.Springer, 2009:3-13.

[5]張彩霞，程良倫，王向東. 基于信息物理融合系統(tǒng)的智能制造架構(gòu)研究[J]. 計算機科學，2013, 40(S1):37-40.ZHANG Caixia, CHENG Lianglun,WANG Xiangdong. Research on architecture of intelligent manufacturing based on cyberphysical system[J]. Computer Science, 2013,40(S1):37-40.

[6]景博，周偉，黃以鋒，等. 信息物理融合系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 空軍工程大學學報（自然科學版），2014, 15(2):1-6.JING Bo, ZHOU Wei, HUANG Yi Feng,et al. Reserch of cyber-physical systems and its application[J]. Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition), 2014,15(2):1-6.

[7]林峰, 舒少龍. 賽博物理系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].同濟大學學報(自然科學版)， 2010,38(8):1243-1248.LIN Feng, SHU Shaolong. A review on cyber-physical systems[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2010, 38(8):1243-1248.

[8]何明，梁文輝，陳希亮，等. CPS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計研究[J]. 計算機科學，2013,40(11):18-22.HE Ming, LIANG Wenhui, CHEN Xiliang,et al. Research on top level design of architecture for cyber-physical systems[J]. Computer Science,2013, 40(11):18-22.

[9]DILLON T S , ZHUGE H, WU C, et al .Web-of-things framework for cyber-physical systems[J]. Concurrency &Computation Practice & Experience, 2011,23(9):905–923.

[10]陳麗娜, 王小樂, 鄧蘇. CPS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 計算機科學, 2011, 38(5):295-300.CHEN Lina, WANG Xiaole, DENG Su. CPS system structure design[J]. Computer Science,2011, 38(5):295-300.

[11]OLFATI-SABER R, FAX A,MURRAY R M. Consensus and cooperation in networked multi-agent systems[J]. IEEE, 2007,95(1):215-233.

[12]BONABEAU E. Agent-based modeling: methods and techniques for simulating human systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002,99(S3):7280-7287.

[13]FERBER J. Multi-agent systems: an introduction to distributed artificial intelligence[J].Mathematics & Computer Education, 2005,39(1):213-219.

[14]PARKER D C, MANSON S M,JANSSEN M A, et al. Multi-agent systems for the simulation of land-use and land-cover change: a review[J]. Annals of the Association of American Geographers, 2003, 93(2):314–337.

[15]NEDIC A, OZDAGLAR A.Distributed subgradient methods for multi-agent optimization[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2009,54(1):48-61.

[16]HUNTBACH M M, RINGWOOD G A. Agent-oriented programming[J]. Artificial Intelligent, 1993, 60(1):51-92.