工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是融合工業(yè)控制和信息通信的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。這類系統(tǒng)將自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行高度融合，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)與工業(yè)物理過程的協(xié)同，達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化、流程的最簡化、效率的最大化，對促進(jìn)工業(yè)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化融合發(fā)展至關(guān)重要。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集泛在感知、適變傳輸、協(xié)同控制等功能為一體，具有結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、控制現(xiàn)場化、功能分散化等突出優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息物理系統(tǒng)智能化和互聯(lián)化的核心。然而，感知-通信-控制一體化設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)。例如：

1）感知：資源受限條件下的異構(gòu)終端難以融合；

2）傳輸：復(fù)雜多變的通信環(huán)境，時(shí)間確定性與傳輸可靠性要求高；

3）控制：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息和控制交互耦合；

……

面對這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)必須滿足工業(yè)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)可靠泛在通信和敏捷精確協(xié)同控制的需求，綜合利用控制、通信、感知、計(jì)算理論,將控制優(yōu)化理論與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，形成具有自適應(yīng)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和網(wǎng)絡(luò)能力的新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

要實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，必須清晰地表示感知、傳輸、控制三者之間相輔相成、相互制約的耦合關(guān)系，為揭示三者間的相互作用和提升工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能奠定基礎(chǔ)。如圖1所示，本文圍繞一體化框架，在簡述了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)涵和主要特征的基礎(chǔ)上，分析了“感知-傳輸-控制一體化”面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題。從非理想通信下異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分布式融合估計(jì)、面向感知和控制的適變傳輸、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同控制等三個(gè)方面，綜述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。

圖1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的感知-傳輸-控制一體化框架

如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感知-傳輸-控制聯(lián)合設(shè)計(jì)？傳統(tǒng)控制理論通?？紤]如何利用反饋信息來達(dá)到特定的控制目標(biāo)，假設(shè)通信與信息傳輸是完美的，或是符合某些特定傳輸模型的;而通信理論主要考慮如何把信息從源端可靠快速地傳輸?shù)浇K端，并不十分關(guān)注所傳輸信息的內(nèi)容和用途。這導(dǎo)致在過去，控制和通信的機(jī)制和算法采用獨(dú)立分離設(shè)計(jì)，約束了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能的提升。然而，惡劣工業(yè)環(huán)境下導(dǎo)致一些系統(tǒng)狀態(tài)不可測，部分信息在傳輸過程丟失或超時(shí)，不完整信息影響控制性能等問題。為解決此問題，聯(lián)合設(shè)計(jì)是一種有效途徑。

本文初步探索了感知-通信-控制的一體化設(shè)計(jì)，提出了如圖2所示的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分層架構(gòu)。底層部署邊緣估計(jì)終端，負(fù)責(zé)對原始感知數(shù)據(jù)的預(yù)處理和信息轉(zhuǎn)發(fā)。目的是減少直接傳送感知數(shù)據(jù)到融合中心所消耗的能量和通信資源，降低沖突和碰撞，進(jìn)而提高信息交互的可靠性和實(shí)時(shí)性。由于感知終端的感知范圍有限且相鄰終端的感知信息相關(guān)性較高，根據(jù)地理位置將終端進(jìn)行分簇，并且為每個(gè)簇部署一個(gè)邊緣估計(jì)終端。此外，所有邊緣估計(jì)終端構(gòu)成中間層，利用邊緣計(jì)算技術(shù)對接收到的原始感知數(shù)據(jù)進(jìn)行信息過濾、提取與融合，以去除冗余信息，提高感知精度，并將局部估計(jì)值傳遞到融合中心?；诖思軜?gòu)，可以最小化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的感知-傳輸-控制總代價(jià)，開展資源受限的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與控制律等的聯(lián)合設(shè)計(jì)。

圖2工業(yè)網(wǎng)路系統(tǒng)的分層架構(gòu)

感知-通信-控制的一體化設(shè)計(jì)使得感知過程為控制提供信息支撐，傳輸過程負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)感知信息實(shí)時(shí)可靠的交互，控制過程為保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行提供控制決策，進(jìn)而提升工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)同感知/控制能力。

目前，聯(lián)合設(shè)計(jì)方面的研究尚處于探索階段。隨著控制科學(xué)、通信科學(xué)、計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，交叉學(xué)科不斷取得新的進(jìn)展，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也將得到快速發(fā)展。新的“感知-傳輸-控制一體化”范式會(huì)不斷涌現(xiàn)，協(xié)同優(yōu)化控制的方法和實(shí)現(xiàn)方式也會(huì)越來越豐富，應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大?？梢灶A(yù)見，通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化與協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，將成為一個(gè)重要的研究方向，而且工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程智能化和信息化中將發(fā)揮越來越重要的作用！

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