信息物理系统的架构

信息物理系统 (CPS) 结合了物理环境和计算环境。它用于实时监控和控制数据。CPS 具有分层架构，就像计算机网络中的 OSI 模型一样。但 CPS 只有三层，而不是 7 层:感知层、传输层和应用层。

这些层中的每一层都有自己的功能和组件。在本章中，我们将讨论 CPS 架构的各个组件和层，包括以下 −;

• 感知层
• 传输层
• 应用层
• CPS 设备(传感器和执行器)
• 通信接口
• 控制系统
• 数据处理和存储
• 反馈回路
• 安全系统

现在让我们详细讨论其中的每一个。

感知层

它是 CPS 架构中的第一层。此层中有传感器等设备。这些设备从各种来源收集实时数据。有各种各样的设备，如传感器、RFID 标签、摄像头、GPS、激光器等。我们使用这些设备来检测和监控物理条件，如温度、位置、压力等。这些设备还可以将数字信号转换为数据以供系统处理。

感知层的功能包括以下内容 −

• 实时检测变化
• 收集和传输数据以供分析
• 将物理信号转换为信号

传输层

传输层是 CPS 架构中的第二层。我们使用此层在感知层和应用层之间进行通信。传输层传输数据。我们从传感器等设备收集这些数据并将其传输到应用层。我们在应用层处理和分析这些数据。

我们使用通信工具来传输数据。这些工具的示例包括:以太网、Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、4G/5G、互联网协议等。

传输层的功能如下 −

• 它在各层之间进行通信
• 在此层管理网络协议和数据路由
• 数据在此层准确安全地到达目的地

此层的工作与计算机网络 OSI 模型的传输层相同。

应用层

这是 CPS 架构的最后一层。我们在此层做出决策。我们在此层处理和分析数据。我们使用智能算法和软件从传输层获取数据。应用层根据此分析向物理设备发送命令。我们在此层实时控制系统。

应用层的一些功能如下 −

• 在此层处理和分析数据
• 从该层向物理设备发送控制信号
• 优化系统性能

此层的工作原理与计算机网络 OSI 模型的应用层相同。

CPS 设备(传感器和执行器)

我们使用各种类型的数字设备，如传感器和执行器。我们将这些设备用作与环境交互的物理组件。这些设备是 CPS 运行所必需的。这些内容如下简要说明 −

• 传感器 − 传感器位于感知层。传感器检测环境变化，如温度、光线和运动。我们收集数据并将其发送到传输层，以便使用传感器进行处理。
• 执行器 − 这些从应用层接收命令。执行器执行物理动作，例如调节阀门、启动电机和控制机械。执行器将数字指令转换为物理运动。因此，CPS 可以根据需要与其环境进行交互。

这些设备是 CPS 的构建块。它们就像计算机网络中的硬件组件。

通信接口

我们使用通信接口在各个 CPS 层和组件之间传输数据。这些接口支持标准化通信协议，例如 MQTT、CoAP 和 HTTP。您可以在不同制造商的设备之间使用这些接口。

通信接口的功能包括以下内容 −

• 在 CPS 层和设备之间传输数据
• 确保数据传输的安全通道

这些接口的功能类似于软件定义网络 (SDN) 中的开放接口。

控制系统

控制系统是 CPS 架构的中央管理单元。它包括可编程逻辑控制器 (PLC)、分布式控制系统 (DCS) 和监控与数据采集 (SCADA) 等系统。我们监控来自传感器的实时数据，并根据使用这些系统的数据分析向执行器发送指令。

控制系统的功能包括以下内容 −

• 基于数据驱动的分析管理物理过程
• 确保系统高效运行

CPS 中的控制系统的工作方式与操作系统中的中央处理单元 (CPU) 相同。它协调整个系统的控制。

数据处理和存储

存储和处理数据在 CPS 架构中起着重要作用。我们从传感器获取数据。这些数据用于各种洞察。存储系统获取这些数据用于历史分析和未来决策。

此组件的功能如下 −

• 分析实时数据以立即采取行动
• 存储数据以供将来参考和学习
• 支持智能决策算法

此组件与操作系统中的内存管理完全相同。

反馈循环

我们使用反馈循环创建一个连续的数据收集周期。传感器收集数据，系统处理数据，然后执行器做出响应。结果再次受到监控，因此形成了一个动态循环，使系统能够适应实时变化。

反馈循环的功能包括以下内容 −

• 监控和控制实时数据
• 根据环境变化调整系统
• 通过持续更新确保最佳性能

这些循环与操作系统中的中断处理机制相同。

安全系统

安全是 CPS 架构的重要组成部分。我们与物理环境和网络交互。因此，我们需要强大的安全措施，例如加密协议、防火墙和入侵检测系统。我们保护系统免受网络威胁和未经授权的访问。

安全系统的功能包括以下内容 −

• 在传输和存储过程中保护数据
• 监控和检测网络威胁
• 确保物理设备和网络组件的安全运行

这些安全措施与操作系统中的安全管理系统相同。

结论

信息物理系统用于实时监控和控制。CPS 将其功能分布在不同层上，以实现通信、高效数据处理和对物理过程的精确控制。

CPS 结合了传感器、执行器、控制系统和通信接口。CPS 弥合了物理过程和数字智能之间的差距。CPS 就像计算机网络一样，其中协议和组件必须相互作用才能确保顺利运行。