工業網絡系統

工業網絡系統是融合工業控制和信息通信的多維動態系統。這類系統將自動控制技術、計算機技術、通信網絡技術等先進技術進行高度融合，通過網絡實現了信息系統與工業物理過程的協同，達到生產的最優化、流程的最簡化、效率的最大化，對促進工業制造的數字化、網絡化和智能化融合發展至關重要。

工業網絡系統集泛在感知、適變傳輸、協同控制等功能為一體，具有結構網絡化、控制現場化、功能分散化等突出優點，是實現工業信息物理系統智能化和互聯化的核心。然而，感知-通信-控制一體化設計面臨諸多挑戰。例如：

1）感知：資源受限條件下的異構終端難以融合；

2）傳輸：復雜多變的通信環境，時間確定性與傳輸可靠性要求高；

3）控制：網絡環境下信息和控制交互耦合；

……

面對這些挑戰，系統的分析與設計必須滿足工業系統對實時可靠泛在通信和敏捷精確協同控制的需求，綜合利用控制、通信、感知、計算理論,將控制優化理論與通信網絡設計方法相結合，形成具有自適應于系統動態和網絡能力的新一代工業網絡系統。

要實現一體化設計，必須清晰地表示感知、傳輸、控制三者之間相輔相成、相互制約的耦合關系，為揭示三者間的相互作用和提升工業網絡系統整體性能奠定基礎。如圖1所示，本文圍繞一體化框架，在簡述了工業網絡系統的內涵和主要特征的基礎上，分析了“感知-傳輸-控制一體化”面臨的挑戰和關鍵問題。從非理想通信下異構網絡分布式融合估計、面向感知和控制的適變傳輸、網絡環境下的復雜系統協同控制等三個方面，綜述了國內外的研究現狀和進展。

圖1工業網絡系統的感知-傳輸-控制一體化框架

如何實現工業網絡系統感知-傳輸-控制聯合設計？傳統控制理論通常考慮如何利用反饋信息來達到特定的控制目標，假設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到終端，并不十分關注所傳輸信息的內容和用途。這導致在過去，控制和通信的機制和算法采用獨立分離設計，約束了網絡系統整體性能的提升。然而，惡劣工業環境下導致一些系統狀態不可測，部分信息在傳輸過程丟失或超時，不完整信息影響控制性能等問題。為解決此問題，聯合設計是一種有效途徑。

本文初步探索了感知-通信-控制的一體化設計，提出了如圖2所示的工業網絡系統的分層架構。底層部署邊緣估計終端，負責對原始感知數據的預處理和信息轉發。目的是減少直接傳送感知數據到融合中心所消耗的能量和通信資源，降低沖突和碰撞，進而提高信息交互的可靠性和實時性。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性較高，根據地理位置將終端進行分簇，并且為每個簇部署一個邊緣估計終端。此外，所有邊緣估計終端構成中間層，利用邊緣計算技術對接收到的原始感知數據進行信息過濾、提取與融合，以去除冗余信息，提高感知精度，并將局部估計值傳遞到融合中心。基于此架構，可以最小化工業網絡系統的感知-傳輸-控制總代價，開展資源受限的自適應網絡資源調度與控制律等的聯合設計。

圖2工業網路系統的分層架構

感知-通信-控制的一體化設計使得感知過程為控制提供信息支撐，傳輸過程負責實現感知信息實時可靠的交互，控制過程為保證系統穩定高效運行提供控制決策，進而提升工業網絡系統的協同感知/控制能力。

目前，聯合設計方面的研究尚處于探索階段。隨著控制科學、通信科學、計算科學的快速發展，交叉學科不斷取得新的進展，工業網絡系統也將得到快速發展。新的“感知-傳輸-控制一體化”范式會不斷涌現，協同優化控制的方法和實現方式也會越來越豐富，應用范圍將不斷擴大。可以預見，通過網絡控制系統各個環節的優化與協調來實現工業系統的優化控制，將成為一個重要的研究方向，而且工業網絡系統在生產過程智能化和信息化中將發揮越來越重要的作用！

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