信息物理系统参考架构

信息物理系统参考架构

国家标准 GB/T40020一2021 信息物理系统参考架构 Cyber-physiealsystems一 Referencearchitecture 2021-04-30发布 2021-11-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花管理委员会国家标准
GB/T40020一2021 目 次 前言 范围 2 规范性引用文件 术语,定义和缩略语 CPS参考架构概述 共同关注点 6 用户视图 功能视图 参考文献
GB/T40020一2021 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 请注意本文件的某些内容可能涉及专利 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 本标准由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口 本标准起草单位:电子技术标准化研究院、西安电子科技大学、北京兰光创新科技有限公司、 北京元工国际科技股份有限公司北京和利时智能技术有限公司、重庆大学、深圳赛西信息技术有 限公司、深圳华龙讯达信息技术股份有限公司、震兑工业智能科技有限公司、重庆邮电大学,北京天泽智 云科技有限公司、江苏极嫡物联科技有限公司、广东工业大学北京航空航天大学、智能云科信息科技有 限公司南瑞集团有限公司、四川长虹智能制造技术有限公司、江苏金陵智造研究院有限公司、广州明珞 汽车装备有限公司、浙江杰芯科技有限公司华东师范大学、湖南大学 本标准主要起草人:于秀明、苏伟、贾超、孔宪光、朱铎先、邱伯华、丁德宇,李天辉、夏晓峰、王程安、 龙小品,罗志男,金超,张星星,程良伦.,陶飞,丁研,黄琳,董拳虎,王祷,焦提兵,张羽,赵杰,陈曦、张晓 白欧.倪明、符欣,党磊、王斌杨大胜、景清,宫思艺、陈铭松、魏同权、李仁发
GB/T40020一2021 信息物理系统参考架构 范围 本标准规定了信息物理系统参考架构,确定了信息物理系统共同关注点、用户视图和功能视图 本标准适用于制造业开展信息物理系统的设计开发、测试验证和实施应用 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 件 GB/T40021一2021信息物理系统术语 术语定义和缩略语 3.1术语和定义 GB/T40021一2021中界定的术语和定义适用于本文件 3.2缩略语 下列缩略语适用于本文件 CPs信息物理系统(eyber-physicalsystenms) VPN虚拟专用网络(irtualprivate network CPs参考架构概述 4.1图例 本标准使用的图例见图1所示 域 角色 子角色 信息流 功能组件 活动 关系流 共同关注点 图1本标准使用的图例
GB/T40020一2021 4.2CPS参考架构框架 CPS参考架构由共同关注点、用户视图和功能视图组成,见图2所示 共同关注虑 角色 域 爬组件 角色 域 功爬组件 子角色 子角色 功能组作 域 动能组件 活动 活动 组件 活动 活动 功能视图 用户视图 图2CPs参考架构框架 S 共同关注点 5.1概述 共同关注点既适用于CPS的用户视图,又适用于CPS的功能视图,包括 价值创造; a 虚实融合; b e 闭环迭代; d)知识决策; e 异构集成; D 容错健壮; 弹性扩展; g h安全可信 5.2价值创造 CPs的建设和使用应能够为相关方带来资本回报、模式创新等直接经济价值或间接经济价值 价值创造主要特性包括 经济性:CPs能够面向不同用户角色,实现例如效率提升,成本降低、资源节约、质量增强、资 a 产保值等方面的有益效果,为相关方带来有效收益; 创新性:CPS能够基于感知、分析、决策、执行的价值创造过程,实现原有工作方式、生产技术、 b 协作关系、金融结构等要素的重新定义,为研发设计、生产制造、产业链协同等环节提供新模 式,新业态 5.3虚实融合 CPS应能够实现制造全流程中人、设备、物料、工艺过程/方法、环境等物理实体与相对应的信息虚 体之间进行映射、反馈,交互、联动等活动
GB/T40020一2021 虚实融合主要特性包括: 时间同步:CPs具有软件与硬件间时钟校准并符合统一时间标度的能力 a b 双向反锁.Cps具有物理实体与信息虚体间数据、状态、行为的双向信息传输能力 5.4闭环迭代 CPsS应能够面向产品全生命周期,通过感知、分析、决策、执行闭环逻辑的重复施行,实现信息虚体 对物理实体的优化与改进 5.5知识决策 CPS应能够基于数据资源、算法资源,模型资源等多源信息资源的分析处理,协助进行商业级、组 织级、操作级等级别的优化决策 5.6异构集成 CPS应能够通过异构组件间的兼容和适配实现异构组件间的信息共享和透明访问 异构集成主要特性包括: 兼容性;CPs具有硬件之间、软件之间或软硬件组合系统之间相互协调工作的能力 aa b)互操作性:CPS能够实现异构组件间的信息共享与交互 5.7容错健壮 CPS应具有一定的抗干扰、处理异常情况的能力,在出现一般级别外部影响时仍能正确执行预定 的功能,是衡量CPS能否在出错条件下恢复原有能力的一种测度 容错健壮主要特性包括: a)可靠性CPS的每个组件具备足够低的失效率使得CPS总体能够达到稳定的状态 b)可用性;CPs具备在一定限制条件内正确执行其功能的能力 5.8弹性扩展 CPS应具有功能组件灵活定制并可便捷扩展系统功能的能力 弹性扩展主要特性是扩展性.CPs允许已部署或者正在运行的系统在低成本、,简易化操作情况下 加人新的功能或者组件,能够实现系统结构和所提供服务的动态调整 5.9安全可信 CPS应具备提供物理安全、基础安全、业务安全、安全管理以及可信保障的能力 主要特性包括: 安全性:CPs具备环境安全防护能力;具备网络、数据、应用、互操作等基础及业务安全防护能 a 力;具备功能安全防护能力,并能够制定相应的安全策略 b 可信性:CPs在开展资源访问、系统交互,业务协同等活动时应具备一定保障机制,确保其活 动过程可以信赖 用户视图 6. 概述 用户视图包括用户方、提供方关联方三种角色及相关活动,见图3所示
GB/T40020一202 关联方 用户方 管理者 使用者 咨询服务者 业务决策 过程管控 研发设计 生产制造 建议指导 绩效评估 运维服务 经营管理 运维者 产业链协同 运行维护 测试评估者 牌 共供方 开发者 资源提供者 提供硬件 提供软件 需求分析 规划设计 安全测评 提供网络 提供平台 开发实现 提供安全 测试验证 提供知识 服务 项目监理者 集成者 运营者 执行监理 集成设计 部署实炮 经营管理 维管理 图3用户视图角色与相关活动 用户方、提供方,关联方之间的关系包括 a 用户方负责向提供方提出CPS业务需求和使用中、故障后的信息反馈,并向关联方提出CPs 咨询服务和建设过程监理需求 b 提供方根据用户方需求,完成CPS设计,实施和优化,并交付给用户方使用,同时配合关联方 完成CPS建设的监理工作; 关联方负责为用户方和提供方提供咨询、监理、测试评估服务 c CPS用户视图各角色间关系见图4所示 用户方 艺 e 章 暑 5 s " 咨询、监理、测试评估需求 关联方 提供方 许谢、监理、渊试评姑服务 图4用户视图角色
GB/T40020一2021 6.2CPs用户方 6.2.1子角色 CPS用户方包括管理者、使用者和运维者三个子角色 管理者负责CPs业务决策,对CPs使用者和运维者的活动进行过程管控、绩效评估; aa 使用者负责提出业务需求,使用CPs开展相关业务的执行、反馈; b 运维者负责保证CPS正常运行,为CPs使用者提供相关的技术支撑 6.2.2活动 6.2.2.1管理者相关活动 管理者相关活动包括: 业务决策,综合考虑成本、效率、,质量等因素,结合企业业务现状和目标,根据CPS数据和状态 开展相关诀策活动; 过程管控;对CPs使用者、运维者的活动进行监督与控制 b 绩效评估;围绕CPS应用的过程及结果制定绩效指标,并对CPS使用者,运维者开展评价 使用者相关活动 6.2.2.2 使用者相关活动包括: 研发设计;基于产品在制造、使用、售后和回收拆解环节采集的用户反馈和生产反馈信息,构建 a 真实数据与设计环节之间的信息交互平台,实现试验、制造、装配等环节在虚拟空间中的仿真 以及迭代、优化和改进; 生产制造;基于生产过程中人、机、物的状态数据和事件信息,构建数字化制程模型,实现生产 b 过程监控、生产资源管理与调度; 运维服务;通过对装备/产品上传的运行参数、维保、用户使用等数据进行挖掘分析,实现故障 的快速解决,减少停机时间并降低维修成本; 经营管理;通过数据挖掘、模型计算等手段对客户特征进行分析,实现满足客户需求的精准营 销,并挖掘客户新的需求,实现企业经营的辅助管理 产业链协同;基于平台上的产能模型,供应商评价模型等,自动生成产业链上下游企业的生产 作业计划,并支持企业间生产作业计划的统一调度,实现制造能力跨区域、跨界的整合 6.2.2.3运维者相关活动 基于收集到的系统状态监测数据,构建系统运行模型和故障知识库,给出预测性维护解决方案,实 现基于设备运行状态的定期巡检、问题发现故障解决、维护保养闭环管理 6.3cPs提供方 6.3.1 子角色 CPS提供方包括开发者,资源提供者,集成者和运营者四个子角色: 开发者负责确保CPs相关设计和开发过程满足需求 a b)资源提供者负责为CPS提供相关基础资源;
GB/T40020一202 集成者负责开展CPS集成规划,搭建完整集成架构,满足CPS全业务活动集成需求; c 运营者负责确保CPs业务服务满足运营目标 d 6.3.2活动 6.3.2.1开发者相关活动 开发者相关活动包括 需求分析:基于数据挖掘、模型计算等手段科学分析客户特征,获取客户目标用户,适用场景、 a 行为路径等信息,为规划设计提供依据,实现客户需求信息的精准挖掘 b 规划设计:基于客户需求信息,结合企业自身发展现状与目标,对具体技术架构、资源配给、建 设周期、人员支持、目标考核进行合理规划,开展CPS架构设计、功能设计,应用场景设计,实 现CPs功能模块合理划分,满足CPs应用要求; 开发实现:基于开发工具和软硬件资源,搭建CPS开发环境,并结合实际业务场景需求,对系 统、软件进行针对性修改或功能扩展,实现开发人员对不同行业,不同场景特定应用的快速开 发与部署; 测试验证:对CPS的开发、设计和实现中的关键要素以及不同场景、不同行业的CPSs实现过程 d 与方法进行测试验证,实现CPs性能与功能的有效验证 6.3.2.2 资源提供者相关活动 资源提供者相关活动包括: a) 提供硬件提供满足CPS运行的基础硬件设备; 提供软件:提供满足CPS运行的开发环境、工业软件、开发集成工具、中间件等; b 提供网络;提供满足CPs信息互通传递的网络环境,包括;基础网络架构、基础网络硬件、软件 以及所分配网络资源的管理权限 提供平台:提供满足CPs开发与部署过程中处理、存储等能力的计算资源,以及对所分配计算 d 资源的管理权限; 提供知识服务;提供满足CPS全生命周期的知识库,实现满足客户需求的精准服务， e 提供安全服务;提供确保CPs安全运行的防护措施 f 6.3.2.3集成者相关活动 集成者相关活动包括 集成设计:基于各类组件之间的接口及协议情况,提供CPs集成规划,构建完整的CPS集成 a 架构 b)部署实施;基于集成规划,利用中间件工具、数据接口、集成平台等手段,开展部署与实施工作 6.3.2.4 运营者相关活动 运营者相关活动包括 运维管理;基于故障诊断以及系统升级等手段,对CPS运行故障进行及时处理,保障CPS的稳 a 定运行,实现CPS在速度、质量、安全、人机友好性等方面的迭代优化 b 经营管理;基于用户管理、营销管理、订单管理、计费计量、客服管理等手段构建CPs经营管 理机制,实现CPS经营活动的正常运行
GB/T40020一2021 6.4Cs关联方 6.4.1子角色 CPS关联方包括咨询服务者、测试评估者、项目监理者三个子角色 咨询服务者负责为CPS用户方、提供方提供咨询服务 a 测试评估者负责为CPS用户方、提供方提供功能、性能等关键因素测试和评估服务 b 项目监理者负责为cPS用户方,提供方提供成本,进度,质量等监督管理服务 6.4.2活动 6.4.2.1咨询服务者相关活动 咨询服务者主要活动为建议指导 基于客户需求信息,综合考虑使用过程中的成本、效益因素,给 出技术、工程和管理等方面的合理化建议,实现CPs开发,部署、应用的精准指导 6.4.2.2测试评估者相关活动 测试评估者主要活动为对CPS相关功能、性能和安全指标进行测试或评估,判断是否满足与业务 相关的功能、性能以及安全性需求 6.4.2.3项目监理者相关活动 项目监理者主要活动为执行监理 通过对CPS成本,效率质量的监督管理,保障CPS建设的高 效实施 功能视图 7.1概述 功能视图包括业务域、融合域、支撑域、安全域四种功能域及相关功能组件(见图5) 业务域负责执行CPs使用者相关活动,包含研发设计、生产制造、运维服务、经营管理、产业链 a 协同功能组件; 融合域基于感知、分析、决策、执行的闭环功能体系,负责实现信息空间与物理空间的融合应 b 用包含物理空间、信息空间、数字孪生服务、数字主线、数字孪生体以及感知、分析、决策、执行 等功能组件; 支撑域负责为CPS提供所需的资源,包含网络、数据和集成功能组件; c 安全域负责保障各功能域的安全,包含业务安全,基础安全、物理安全和安全管理功能组件 d
GB/T40020一2021 业务域 安全域 研发设计 生产制造 运维服务 经营管理 产业链协同 融合域 们息空间 业务安全 数空生服务 预测 数主线 数生体 教字模型 基础安全 机理建 业务建 知 空生数握 决策 分 行 感知 物理安全 物理空间 传K器 执行器 物体人、机、料、、 支撑域 集成 网络 数据 安全管理 互联 采集 工业有线 存储 互通 工业无线 外理 操作 图5CPS功能视图架构 7.2业务域 业务域具体功能描述见6.2.2.2 7.3融合域 7.3.1物理空间功能组件 物理空间功能组件包括传感器、执行器以及制造全流程中人、设备、物料、工艺过程/方法、环境等物 理实体,是完成制造任务的关键组成要素 7.3.2信息空间功能组件 信息空间功能组件负责将物理实体的身份、几何、功能、机理、运行状态等信息进行数字化描述与建 模,形成数字孪生体,基于数字主线对物理实体提供映射、监测、诊断、预测、仿真、优化等功能服务,信息 空间包括数字李生体、数字主线、数字李生服务功能组件 7.3.3数字孪生体功能组件 数字孪生体功能组件能够将物理实体的各项参数进行映射,具备与物理实体交互、决策的能力,由 李生数据与数字模型组成 李生数据能够通过传感器更新、运行历史、物理模型等将物理空间显性、隐性数据在信息空间集中 汇聚,呈现,是构建数字李生体的核心要素 数字模型能够在信息空间再现物理实体的物理属性、功能、行为和性能等,支撑数字孪生体完成相 关服务,数字模型包括:
GB/T40020一2021 机理建模;提供展现系统行为模型或规则的功能 根据物理、化学等原理,或根据领域知识与 a 经验,将物理实体映射到信息空间,汇聚分散在各封闭组织内的数据,从数据中发掘工业机理 和规律; 业务建模;负责对业务流程、业务关系、几何原理等进行数学建模,汇聚业务应用数据,在信息 b 的流动中实现业务优化 知识封装;提供可持续地积累知识的功能,包括知识结构建立、知识生命周期管理等， d 数据挖掘;通过对数据的处理,分析,发掘数据中隐藏的规律与具有潜在价值的信息,为系统提 供行为预测模型; 其他模型 7.3.4数字主线功能组件 数字主线功能组件负责以统一的模型为核心,构建包含产品全生命周期与全价值链的数据流,疏通 信息孤岛,驱动知识生成,建立统一的数据、信息、知识的传递和访问规则 7.3.5数字孪生服务功能组件 基于数字主线完成物理实体在信息空间的模型映射,并基于传感监测和数据传递实现对物理实体 的诊断,预测,仿真,优化 数字孪生服务功能组件包括: 映射;负责建立物理实体在信息空间中的数字化特征模型,完成信息虚体映射,从而反映相对 a 应的物理实体全生命周期过程 监测;通过各类传感器感知内外部的数据,负责完成物理实体数据向数字化表征的传递,完成 在信息空间中对相应物理实体的观察活动 诊断.通过对历史信息,实时信息的综合处理,负责将信息空间的信息转化为知识,实现对物理 实体状态的评估 预测;基于诊断评估的结果,负责实现数字化模型对物理实体的未来预测,提供更全面的决策 支持 仿真;负责基于虚拟仿真、,多学科仿真,半物理仿真等仿真模型,充分模拟产品性能指标、产品 使用状况、生产线运行状态、试验测试等行为 优化;负责基于监测、诊断、预测和更新的不断迭代,实现物理实体中相应资源的持续动态 优化 7.3.6感知功能组件 感知功能组件负责将各类传感器技术应用至物理空间,实现物理实体身份、几何.功能,机理、运行 状态等多源数据的全方位实时采集 7.3.7分析功能组件 分析功能组件负责结合环境、工况、事件等信息,对物理空间感知数据进行分析计算,实现对物理实 体的识别诊断、预测与分析,为决策提供依据 7.3.8决策功能组件 决策功能组件负责根据物理空间感知数据分析结果,结合约束条件与优化目标,利用领域知识建立 数学模型,实现决策优化
GB/T40020一2021 7.3.9执行功能组件 执行功能组件负责根据决策指令生成行为控制逻辑,利用控制器与执行器,实现对人、设备、物料、 工艺过程,环境的控制 7.4支撑域 7.4.1网络功能组件 网络功能组件为CPS提供网络基础,构建信息交互的网络通道 工业有线:负责利用工业以太网、VPN等有线网络互联融合技术,构建可靠接人的工业有线网 a 络,实现多源异构数据传输 b 工业无线;负责应用无线传感网冗余工业无线网、窄带物联网、蜂窝通信等异构无线网络连接 技术,构建泛在接人的工业无线网络,实现多源异构数据传输 7.4.2数据功能组件 数据功能组件负责为CPS提供数据的采集,存储和处理功能,为数据分析提供支撑 数据采集;利用传感网,物联网等泛在感知技术.,以及实时以太网,.时间敏感网络,高迷协议转 a 换网关等网络传输技术,将蕴含在物理实体、异构系统的数据不断传递并汇聚到信息空间,实 现泛在、可靠、实时、高效的数据收集 数据存储;利用数据库、数据字典等技术,建立可以运行在云端或中心服务器的数据存储系统， b 实现对采集数据的记录 数据处理,利用数据预处理中的数据分割、数据平滑、数据过滤等算法,建立可以运行在云端或 中心服务器,以及分布式节点或边缘端的数据处理系统,实现有效数据处理 7.4.3集成功能组件 集成功能组件为CPS提供各物理实体的互联、互通和互操作: 互联;两个组件间应至少存在一条传输链路,为两个组件间的数据交换提供物质基础和可 a 能性 b) 互通;两个或多个组件之间能够通过协议兼容实现组件间的数据交换 互操作;两个或多个组件之间应具有透明访问对方资源的能力 c 7.5安全域 7.5.1业务安全功能组件 业务安全功能组件包括 互操作安全:利用安全认证、访问控制、安全散列等技术,实现CPS方法互用、数据互用中的身 a 份鉴别、权限配置、数据完整性保护 协同安全:利用安全认证、访问控制、数字证书等技术,实现CPS业务协同流程中的身份鉴别、 b 动态授权、身份融合、跨域授权 人工智能安全:针对CPS系统中应用相关人工智能技术而引发的算法模型安全、伦理道德风 险等问题,利用技术,制度等方式方法,确保CPS业务中人工智能相关技术应用的安全 7.5.2基础安全功能组件 基础安全功能组件包括: 10
GB/T40020一2021 网络安全;利用拓扑安全检测、访问边界控制、协议验证、内容检测等措施,保护CPs网络资源 a 的完整性、可用性等重要安全属性 b 主机安全:利用身份鉴别访问控制、加密、人侵检测、行为审计等措施,保护主机对象的机密 性、完整性、可用性等重要安全属性 应用安全;利用身份鉴别访问控制、沙箱检测,策略验证等措施,解决应用权限冲突,保护应用 对象的完整性,可用性、行为抗抵赖性等重要安全属性 d 数据安全;采取加密、泛化、加噪,备份等措施,保护数据对象的机密性、隐私性、可恢复等重要 安全属性,同时通过数据脱敏等技术,确保CPS系统相关用户个人隐私数据的安全 7.5.3物理安全功能组件 物理安全功能组件包括: 环境安全:利用物理访问控制、防盗窃和防破坏、防雷击、防火、防水和防潮、温湿度控制和电力 供应等环境防护措施,保护信息物理系统运行环境安全 b 设备安全利用故障检测技术,事件树分析,危险与可操作性分析等功能安全防护技术,结合信 息安全风险分析技术,防止因误操作、网络攻击等造成随机硬件失效和系统性功能失效,使 CPS保持设备受控状态,保护CPS物理安全 7.5.4安全管理功能组件 针对CPs建设、运行、维护过程中相关参与单位及组织机构,建立安全管理制度及机制重点开展 安全规划及供应链安全管理、人员管理、资产安全管理等,实现现实世界与虚拟世界交互运行等活动中 物理实体及虚拟信息的安全 11
GB/T40020一2021 参 考文献 [1]IsO/IEc/IEEE.42010;:2011Systems andsoftwareengineering- -ArchitectureDeseription. [2]CPssteeringGroup,Cyber-PhysiealsystemsExeutiveSsummaryJanuary,inscienceand y,2008. Tehmadogy. [[3]Framew workforCyber-PhysicalSystems,CyberPhysicalSystemsPwG,Sep.2015 [[4]胡虎、赵敏、宁振波等.三体智能革命[M].机械工业出版社,2016. [5]李必信,周颖信息物理融合系统导论[M].科学出版社,2014 12

信息物理系统参考架构GB/T40020-2021介绍

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是指由计算机、通信和控制等技术组成的复杂系统，能够实时响应环境变化并协同完成任务。信息物理系统广泛应用于智能交通、智能制造、智慧城市等领域，已经成为推动现代化社会发展的重要引擎。

GB/T40020-2021是我国信息物理系统参考架构的最新版本，该标准从整体上规划了信息物理系统的组成结构、功能框架和技术路线。具体来说，GB/T40020-2021标准主要包括以下内容：

• 信息物理系统的定义、特点和应用领域；
• 信息物理系统的组成结构和功能模块，包括感知层、网络层、平台层和应用层；
• 信息物理系统的技术路线，包括各层的关键技术和标准；
• 信息物理系统的应用案例和发展趋势。

在实际应用中，GB/T40020-2021为信息物理系统的设计、开发和运维提供了重要的指导和参考。同时，该标准也为我国信息物理系统产业的发展奠定了基础，有望促进我国在智能制造、智慧交通等领域的核心竞争力。

总之，GB/T40020-2021是我国信息物理系统领域的重要标准，对于推动信息化与工业化深度融合、加快经济转型升级具有重要意义。

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