1.2.2　体系结构

信息物理系统通常包含若干个构件（例如物联网、云计算和多代理系统等），这些元素以及它们的特性如图1-1所示^[25]。

图1-1　信息物理系统

图1-1中的内容分为三部分：物理系统部分、特性部分和衍生部分。物理系统部分包含了常见的硬件、软件和技术，例如路由器、传感器、执行器、机械手、RFID、无线传感器网络和可编程逻辑控制器等。特性部分包含了传统信息系统具有的特征，例如计算、通信、自治、模块化、交互、协作和可伸缩性等。衍生部分包含了由物理系统部分和特性部分进行混合得到的新兴事物，根据两者混合的不同程度，所产生事物的功能与特点也不同。

当前，信息物理系统的体系结构主要还是基于传统的构件和技术。而在未来，信息物理系统中将包含更多的智能构件。因此，信息物理系统应当具有适应内部构件和外部环境改变的能力。文献[26]指出信息物理系统与传统机械系统的不同点是其具有智能特性和提供跨设备信息交互的功能。此外，信息物理系统能够根据不同的环境进行动态配置，这类功能可以通过基于云计算技术的虚拟环境来实现^[27]。

文献[28]将信息物理系统的体系结构划分为5层，该体系结构为工业应用中信息物理系统的开发提供了指引。总体上来说，该体系结构由两大部分组成：1）高性能的连通机制，该机制确保了从物理世界到虚拟世界的实时数据流以及从虚拟世界到物理世界的反馈；2）构成虚拟世界的智能化数据分析。具体来说，该体系结构包含连接层（connection）、数据–信息转换层（data-to-information conversion）、信息网络层（cyber）、认知层（cognition）和配置层（configuration），详情如图1-2所示。

图1-2　信息物理系统的体系结构

连接层用非接触式技术对数据获取系统和流线（streamline）进行管理，并将所获取的数据传输至中心服务器。本层的数据源和传输协议（例如MTConnect^[29]）对整个信息物理系统至关重要，直接影响着后续层中知识发现类系统的性能。

数据–信息转换层的核心是对数据进行分析并将其转换为有价值的知识；基于大量现有的智能算法和数据挖掘技术，将来自不同数据源的机械性原始数据和过程性数据转换为企业能够管理的商业性数据。

信息网络层是整个5层体系结构的数据交换中心。信息从众多源头推送到信息网络层，由信息网络层负责构建虚拟世界。当收集到海量信息后，需要进行特定的分析来提取能够展现当前智能工厂物理世界状态的重要信息。

认知层为信息物理系统提供了监测功能所需的所有知识。设计优良的认知层能够很好地呈现所获得的知识，并为人员做出正确的决策提供支持。

配置层使用来自虚拟世界的反馈对物理世界进行调整和优化，作为管理控制机制使机器实现自配置（self-configuration）和自适应（self-adaption）。