14、核工业中的网络物理系统与使能技术

核工业中的网络物理系统与使能技术

1. 网络物理系统架构

网络物理系统（CPS）可定义为“计算与物理过程的集成”。它通常由通过网络连接的嵌入式计算机组成，可能涉及用于控制物理过程的反馈回路。CPS 的独特之处在于网络世界与物理世界之间的复杂连接，这虽然在实施过程中会带来诸多问题，但也能催生出比以往更强大的先进系统。其潜在应用广泛，涵盖医疗、交通、制造和机器人等多个领域。

根据美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义，CPS 是“将计算、通信、传感和驱动与物理系统集成，以实现对环境（包括人类交互）具有不同程度交互的时间敏感功能的系统”。CPS 有一些关键元素使其区别于传统系统：
- 网络与物理领域的融合及相互连接性。
- 系统之系统（SoS）的范畴。
- 预期的涌现行为。
- 确保互操作性的方法要求。
- 功能超出初始设计范围的可能性。
- 跨领域的关联应用。
- 更强调可信度。
- 可修改的系统架构。
- 广泛的计算模型和通信协议。
- 时间敏感性，延迟和实时操作是关键设计问题。
- 通过与操作环境的交互来表征。

当前的 CPS 概念源于嵌入式系统、相关传感器数量的增加以及当今系统固有的更高连接性。借助大数据、机器学习和人工智能等数据处理的先进概念，可直接从系统收集数据并进行处理，从而洞察系统运行情况，使系统展现出一定的智能水平。

由于 CPS 是一个相对较新的概念，其设计方法和结构仍在不断发展。早期提出的一种用于工业 4.0 应用的 CPS 开发的 5 层架构，此外还有参考架构模型工业 4.0（RAMI4.0）和工业互联网参考架构（IIRA）等。C