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信息物理系统 - 快速指南

信息物理系统简介

我们实时与设备交互，但这些设备的物理和计算元素是分开运行的。这个系统可能会出现问题。我们有信息物理系统 (CPS) 来解决这些问题。CPS 将物理系统与计算、传感器等相结合。

CPS 有不同类型的设备，如自动驾驶汽车、医疗保健系统、智能电网、工业自动化等。我们使用传感器和执行器连接这些设备以与物理世界交互。这些设备都使用反馈回路连接。我们可以实时监控 CPS 设备并控制其各种应用程序。

信息物理系统的特征

信息物理系统的一些重要特征如下所列 −

• 集成 − 我们将物理元素(例如机器、传感器)与计算组件(例如处理器、软件)相结合。我们创建一个监控和控制物理过程的系统。
• 实时监控 − 我们使用传感器从其环境中收集数据。我们实时处理这些数据。我们可以使用执行器调整物理过程。
• 反馈回路 − CPS 依赖于反馈回路。传感器收集实时数据。系统对其进行处理。执行器根据分析执行操作。因此，它形成了一个连续的监控和控制循环。
• 网络连接 − CPS 使用先进的网络技术(例如 Wi-Fi、蓝牙、4G/5G)连接不同的组件，以实现设备和系统之间的高效通信。
• 安全性和可靠性 − 有许多 CPS 应用，如自动驾驶汽车和工业自动化。这些应用对安全至关重要，因此我们需要可靠的操作来防止错误和故障。

信息物理系统的架构

信息物理系统的架构分为三层:感知层、传输层和应用层。

• 感知层 − 这是 CPS 架构的第一层。它从环境中收集数据。它有传感器、摄像头、RFID 标签、GPS 设备。它还具有其他智能设备，可以检测物理变化并将其转换为数字信号。
• 传输层 − 传输层充当感知层和应用层之间的通信桥梁。它使用各种技术，如Wi-Fi，Zigbee，4G和Internet协议在组件之间传输数据。
• 应用层 − 此层处理下层收集和传输的信息。它使用智能算法来分析数据并做出决策。然后将它们作为控制命令发送回感知层。该层用于物理过程的运行。

网络物理系统的组件

CPS有各种组件。它们分为以下三个主要类别 −

• 物理组件 −这些设备包括发电机、电动机、阀门和其他硬件。我们用它们来控制物理过程。
• 检测组件 − 该组包括传感器和聚合器。传感器检测并收集实时数据。而聚合器则处理并将这些数据传输到控制系统。
• 控制和通信组件 − 这些设备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) 系统。这些组件控制整个 CPS。因此系统以安全模式运行。

信息物理系统如何工作?

CPS 使用通信网络将物理设备(即传感器和执行器)与计算系统连接起来。感知层从环境中收集数据。然后使用传输层将其传输到应用层进行处理。

根据数据分析，系统使用执行器将控制命令发送回物理设备。它为系统创建了一个连续的反馈循环，以响应实时条件。

信息物理系统的优点和缺点

信息物理系统 (CPS) 有各种优点和缺点。其中一些如下 −

CPS 的优点

• 我们实时控制和做出决策。
• 它提高了物理过程的效率和安全性。
• 我们可以减少人为干预。
• 它具有可靠的数据，可以更好地进行系统管理。
• 它在许多行业中都有各种用途，从医疗保健到交通运输。

CPS 的缺点

• 很难集成。由于物理和数字组件的复杂性和协调性。
• 由于其对网络的依赖，它可能容易受到网络攻击。
• 其实施和维护成本很高。
• 我们需要强大的网络安全策略来保护数据。

信息物理系统与物联网之间的区别

下表比较和对比了信息物理系统和物联网的重要特征 −

结论

信息物理系统 (CPS) 结合了物理和计算系统，例如传感器、计算算法和网络技术。使用 CPS，我们可以实时监控和控制医疗保健、制造业和运输业等各个行业的流程。然而，随着 CPS 技术的发展，它可能引发网络安全问题。

信息物理系统的架构

信息物理系统 (CPS) 结合了物理和计算环境。它用于实时监控和控制数据。CPS 的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。下面简要介绍一下 −

• 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 − 它们从应用层接收命令。执行器执行物理动作，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，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
• 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) 和监控和数据采集 (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 −

• 基于数据驱动分析管理物理过程
• 确保系统高效运行

CPS 中的控制系统与操作系统中的中央处理单元 (CPU) 的工作方式相同。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以进行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
• 支持智能算法进行决策

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，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，其中协议和组件必须相互作用才能确保顺利运行。

信息物理系统的用例

信息物理系统 (CPS) 用于各种行业，将物理设备与计算和通信功能相结合。CPS 确保跨环境高效管理物理过程。我们在制造业、医疗保健、能源和运输等各个领域使用 CPS。在本章中，我们将讨论 CPS 的一些应用。

智能制造中的 CPS

您可以在智能制造中使用 CPS。CPS 将机器与数字流程相结合，因此可以提高生产效率。您可以利用智能制造中的物联网设备和传感器。您可以实时监控生产线。

我们使用连接的设备从机器收集数据，因此您可以动态调整流程。例如，如果生产线检测到异常，则 CPS 可以重新路由资源并重置。这与SDN控制器根据流量状况动态分配带宽相同。

CPS在智能制造中的优势包括以下几点−

• 实时监控生产线中的控制数据
• 工作流程可以减少人工干预
• 它可以为制造流程提供灵活性

医疗保健和医疗系统中的CPS

您可以在医疗保健和医疗系统中使用CPS。您可以使用CPS优化患者护理，就像SDN优化网络性能一样。CPS将医疗设备与计算系统相结合，用于监控患者护理、自动诊断等。

例如，CPS使用医疗物联网(IoMT)设备。这些设备实时收集和分析患者数据。因此医务人员可以据此做出决定。同样，远程医疗平台使用CPS将医疗保健专业人员与患者远程连接起来。这样人们就可以获得医疗服务。

CPS 在医疗保健系统中的好处包括以下几点 −

• 使用联网设备监控患者
• 自动化诊断过程，加快医疗服务交付速度
• 远程访问医疗保健，从而降低成本

智能电网中的 CPS

您可以在智能电网中使用 CPS，例如在能源和公用事业领域。CPS 将能源基础设施与通信系统相结合。它的工作原理就像 SDN 集中控制 WAN(广域网)。智能电网使用传感器和控制系统来监控配电、能源消耗和电网稳定性。

您可以使用 CPS 根据智能电网中的实时数据调整电力流、检测故障和管理能源需求。例如，如果发生电源故障，CPS 可以重新路由能源分配。它还会激活替代能源来平衡负载。它的工作原理就像 SDN 动态重新路由流量以避免网络拥塞一样。

在智能电网中使用 CPS 的优势包括以下几点 −

• 实时监控能源分布和消耗
• 自动检测和纠正故障以保持电网稳定性
• 它具有需求响应功能，可实现高效的能源管理

自动驾驶汽车和运输系统中的 CPS

您可以在运输领域为车辆和智能交通系统使用 CPS。它的工作原理就像 SDN 使用网络传输数据一样。它使用车辆、传感器和通信系统。您可以监控交通状况、车辆导航等。

您可以将传感器数据与 AI 算法相结合。因此，车辆可以在没有人工干预的情况下导航道路。您可以实时监控交通和速度以确保安全运输。智能交通管理系统使用 CPS 来控制交通信号灯和监控道路状况。因此它可以动态优化交通流量。

交通运输中 CPS 的优势包括以下几点 −

• 使用自动导航确保车辆安全
• 实时管理交通；减少拥堵和延误
• 使用 AI 算法进行预测和自适应响应

工业控制系统 (ICS) 中的 CPS

您可以在工业控制系统 (ICS) 和其他工业部门中使用 CPS。它的工作原理与 SDN 集中网络控制平面的方式相同。您可以使用设备控制系统来自动化工业流程。

CPS 使用硬件和软件来控制机器以优化生产流程。它还管理水厂和发电厂等基础设施。例如，可编程逻辑控制器 (PLC) 从传感器收集数据。它根据这些数据调整机械操作以确保安全操作。

工业控制系统中 CPS 的优势包括以下几点 −

• 控制工业系统的集中系统
• 出于安全目的自动化关键流程
• 实时监控系统以响应运营变化

智慧城市中的 CPS

智慧城市中的 CPS 可以管理移动性、基础设施、能源和公共安全。CPS 使用物联网传感器、人工智能和通信网络来控制城市系统。

例如，CPS 可以自动化街道照明。CPS 还可以根据车辆流量调整交通信号。您可以从各种来源收集数据。您可以就资源分配和城市规划做出明智的决策，以提高居民的生活质量。

在智慧城市中拥有 CPS 的好处包括以下几点 −

• 实时管理城市地区的安全和能源需求。
• 使用 AI 和 IoT 技术自动控制城市资源。

农业和耕作中的 CPS

您可以在农业行业中使用 CPS 进行精准耕作。它的工作原理与 SDN 根据流量数据优化网络运营的方式相同。CPS 使用农业设备、传感器和数据分析来提高农作物产量。

您可以实时监测土壤状况、作物健康状况和天气模式。自动拖拉机和无人机会自动响应以优化种植、浇水和收割活动。例如，配备传感器的无人机可以检测田地中需要关注的区域。然后系统就可以相应地引导资源。

在农业中使用 CPS 的优势包括以下 −

• 监测农作物和土壤的生长精度
• 自动化种植等农业活动
• 确保有效管理水、肥料和能源等资源

航空航天和国防中的 CPS

您可以在航空航天和国防工业中使用 CPS 来执行飞行系统。您可以自动化无人机执行关键操作。CPS 使用传感器、AI 和通信技术来确保航空航天系统的安全。

例如，您可以实时监控飞机状况。您可以自动化飞行控制系统，并协助飞行员了解情况。您可以使用无人机导航。它会根据传感器数据调整其路径和动作。

在航空航天和国防中使用 CPS 的好处包括以下 −

• 使用自动化系统控制飞行以确保安全。
• 自动化无人机导航以进行监视和防御行动
• 实时提供关键任务支持

信息物理系统中的系统集成

信息物理系统将物理设备与计算能力和通信技术连接起来。这些系统协同工作以有效地管理不同的过程，因此设备、软件和控制系统之间将进行通信。

在本章中，我们将重点介绍 CPS 系统集成的一些关键领域。

CPS 中的硬件集成

CPS 中的硬件集成将传感器、执行器和机器等物理设备直接连接到计算系统。物理设备与计算系统通信以传输数据。

例如，传感器在智能制造中实时监控生产过程。这些传感器收集数据并将其发送到控制系统进行分析。当机器发生故障时，CPS 会触发操作的自动调整。这与 SDN 控制器实时管理网络流量的方式相同。

CPS 中硬件集成的优势包括以下几点 −

• 物理设备与计算系统传输实时数据。
• CPS 使用传感器数据自动进行调整，以实现高效运行。
• 它监控硬件，因此系统具有可靠性。

CPS 中的软件集成

CPS 中的软件集成连接不同的软件组件来控制和分析物理系统。这会实时处理来自传感器的数据。因此，CPS 可以动态优化操作。

例如，CPS 软件从医疗设备和患者监测系统收集数据。它处理这些数据，并将其提供给医疗保健专业人员，提供有关患者健康状况的宝贵见解。 CPS 使用软件来自动执行诊断和监控等任务。

CPS 中软件集成的好处包括以下几点 −

• 您可以处理来自多个来源的实时数据以了解见解。
• 智能算法可自动控制过程。
• 由于您可以动态调整，因此您可以灵活地进行系统操作。

CPS 中的通信集成

CPS 中的通信集成连接不同的组件。因此这些组件可以有效地通信。CPS 使用以太网、Wi-Fi、蓝牙、5G 等通信协议。您可以使用协议在设备和控制系统之间进行通信。例如，能源基础设施不断向控制中心发送实时数据。它将有助于实时信息流供系统进行调整。它可以防止断电，就像 SDN 如何重新路由流量以避免网络拥塞一样。

CPS 中的通信集成的好处包括以下几点 −

• 您可以在设备和控制系统之间进行实时通信。
• 它具有跨不同环境的可靠数据传输。
• 您可以通过持续的数据交换来优化系统性能。

CPS 中的数据集成

CPS 中的数据集成收集、处理和分析来自多个来源的数据以查看系统性能。CPS 结合了来自设备和传感器的数据。因此，您可以做出明智的决策并实时优化操作。

例如，CPS 从监测农业中土壤湿度、温度和作物健康状况的传感器收集数据。它优化了灌溉和耕作实践。

CPS 中的数据集成的优势包括以下内容 –

• 您可以从多个来源收集数据进行分析。
• 它可以根据集成的数据洞察实时做出决策。
• 它可以提高运营效率，因为它可以识别趋势和异常。

CPS 中的安全集成

CPS 中的安全集成可保护系统免受网络威胁和未经授权的访问。CPS 实施安全协议和加密来保护数据和物理过程。例如，CPS 可保护自动驾驶汽车免受网络攻击，因为它可以保护交通运输中的传感器和通信系统。因此，它可以确保乘客和车辆的安全。

CPS 中的安全集成的好处包括以下内容 –

• 它可以保护系统组件免受网络威胁和未经授权的访问。
• 它在设备和控制系统之间具有安全的数据传输。
• 它为您提供物理过程的安全操作。

CPS 中的控制集成

CPS 中的控制集成结合了管理物理设备和过程的控制系统。这种集成集中控制所有系统组件以高效工作。CPS 使工业控制系统 (ICS) 中的机械和基础设施操作自动化。

可编程逻辑控制器 (PLC) 从传感器收集数据并实时调整机器设置。它的工作原理类似于 SDN 集中控制以优化网络流量。

CPS 中的控制集成的优势包括以下内容 −

• 它集中控制物理系统，以实现高效运行。
• 您可以使用实时数据自动调整系统组件。
• 它为您提供关键流程的安全性和可靠性。

CPS 中的反馈回路集成

CPS 中的反馈回路集成创建了一个连续的数据收集、分析和响应周期。它监控物理过程。它还会实时调整以保持最佳性能。

例如，CPS 使用飞行系统中的反馈回路来跟踪航空航天中的飞机性能。它还会根据需要调整控制。如果飞机遇到湍流。 CPS 会立即改变飞行路径，就像 SDN 重新路由流量以防止拥堵一样。

CPS 中反馈回路集成的好处包括以下几点 −

• 监控和调整流程以实现最佳性能
• 对环境变化提供动态响应
• 使用实时反馈提高系统可靠性

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