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Steps Toward Industry 5.0:Building“6S”Parallel Industries With Cyber-Physical-Social Intelligence

IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2023年第8期10卷 1692-1703页

作者： Xingxia Wang Jing Yang Yutong Wang Qinghai Miao Fei-Yue Wang Aijun Zhao Jian-Ling Deng Lingxi Li Xiaoxiang Na Ljubo Vlacic School of Artificial Intelligence University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China State Key Laboratory of Multimodal Artificial Intelligence Systems Institute of AutomationChinese Academy of SciencesBeijing 100190China IEEE Macao University of Science and Technology Macao 999078China Beijing Engineering Research Center of Intelligent Systems and Technology Chinese Academy of SciencesBeijing 100098 State Key Laboratory for Management and Control of Complex Systems Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China North Automatic Control Technology Institute Taiyuan 030006China China Huaneng Group Co. Ltd.Beijing 100031China Department of Electrical and Computer Engineering Indiana University-Purdue University Indianapolis(IUPUI)IndianapolisIN 46202 USA Department of Engineering University of CambridgeCambridgeCB21PZUK School of Engineering and Built Environment Griffith UniversityGold CoastQLD 4222Australia

Very recently,intensive discussions and studies on Industry 5.0 have sprung up and caused the attention of researchers,entrepreneurs,and policymakers from various sectors around the world.However,there is no consensus on why and what is Industry 5.0 yet.In this paper,we define Industry 5.0from its philosophical and historical origin and evolution,emphasize its new thinking on virtual-real duality and human-machine interaction,and introduce its new theory and technology based on parallel intelligence(PI),artificial societies,computational experiments,and parallel execution(the ACP method),and cyber-physical-social systems(CPSS).Case studies and applications of Industry 5.0 over the last decade have been briefly summarized and analyzed with suggestions for its future development.We believe that Industry 5.0 of virtual-real interactive parallel industries has great potentials and is critical for building smart societies.Steps are outlined to ensure a roadmap that would lead to a smooth transition from CPS-based Industry 4.0 to CPSS-based Industry 5.0 for a better world which is Safe in physical spaces,S ecure in cyberspaces,Sustainable in ecology,Sensitive in individual privacy and rights,Service for all,and Smartness of all.

关键词： ACP artificial intelligence CPS CPSS Industry 4.0 Industry 5.0 parallel industries parallel intelligence

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Simulation-oriented model reuse in cyber-physical systems: A method based on constrained directed graph

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International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing 2022年第2期13卷 91-110页

作者： Wenzheng Liu Heming Zhang Chao Tang Shuangfei Wu Hongguang Zhu National CIMS Engineering Research Center Tsinghua University Beijing 100084P.R.China Gridsum Holding Inc.Beijing 100086P.R.China Center of Intelligent Control and Telescience Tsinghua Shenzhen International Graduate School Shenzhen 518055 P.R.China Institute of Computing Technology China Academy of Railway Sciences Corporation Limited Beijing 100084 P.R.China

Modeling and Simulation of Cyber-Physical Systems(MSCPS)is demanding in terms of immediate response to dynamic and complex changes of CPS.Simulation-oriented model reuse can be used to build a whole CPS model by reusing developed models in a new sim-ulation application,which avoid repeated modeling and thus reduce the redevelopment of submodels.Model composition,one of the important methods,enables model reuse by selecting and adopting diversified integration solutions of simulation components to meet the requirements of simulation application systems.In this paper,a real-time model integration approach for global CPS modeling is proposed,which reuses devel-oped submodels by compositing submodel nodes.Specifically,a constrained directed graph of submodels for the whole system which can meet the simulation requirements is constructed by reverse matching.Submodel properties,including co-simulation distance between submodel nodes,reuse benefit and simulation performance of model nodes,are quantified.Based on the properties,the model-integrated solution for the whole CPS simulation is retrieved throughout the model constrained digraph by the Genetic Algo-rithm(GA).In the experiment,the proposed method is applied to a typical model integrated computing scenario containing multiple model-integration solutions,among which the Pareto optimal solutions are retrieved.Results show that the effectiveness of the model integration method proposed in this paper is verified.

关键词： CPS model reuse model composition co-simulation distance multi-objective genetic algorithm

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某种专业制造过程中间产品数据模型及CPS研究

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机械设计与研究 2024年第2期40卷 20-28页

作者：张澳圆胡小锋张亚辉上海交通大学机械与动力工程学院智能制造与信息工程研究所上海200240 上海交通大学海洋装备研究院上海200240

针对船舶小组立装焊作业过程信息数据繁杂,数据关系模糊,数据不完备,导致调度计划难度大,生产现场管理混乱,生产效率低下的问题,首先,采用系统建模语言(Systems Modeling Language, SysML),从需求、结构、行为、参数四个方面建立船舶小... 详细信息

针对船舶小组立装焊作业过程信息数据繁杂,数据关系模糊,数据不完备,导致调度计划难度大,生产现场管理混乱,生产效率低下的问题,首先,采用系统建模语言(Systems Modeling Language, SysML),从需求、结构、行为、参数四个方面建立船舶小组立生产过程的数据模型,对繁多、异构、多源的非结构化数据进行统一结构化描述;其次,提出面向船舶制造系统的综合评价方法,梳理人、机、料、法、环等生产要素之间的关联关系,挖掘关键要素及指标;最后,通过物联网技术搭建生产现场、数据模型和应用系统相互连接的信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS),对现场运行状态进行实时监控和分析决策。此外,该模型及系统可以应用到船舶制造领域的其他中间产品。

关键词：数据模型系统开发 SysML CPS

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CPS互动架构下的聚合电热水器消纳风能策略

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电力自动化设备 2019年第7期39卷 7-14页

作者：刘向军叶秋子曾璐琨李彬孙毅杨斌马永红华北电力大学电气与电子工程学院北京102206 国网江苏省电力公司江苏南京210000

调控聚合温控负荷可高效地消纳可再生能源。针对聚合智能温控负荷群消纳可再生能源场景中的用户使用舒适度及能源消纳效率问题,在基于信息物理系统的可再生能源消纳互动架构下,提出典型温控负荷——电热水器的映射模型。在考虑用户行为... 详细信息

调控聚合温控负荷可高效地消纳可再生能源。针对聚合智能温控负荷群消纳可再生能源场景中的用户使用舒适度及能源消纳效率问题,在基于信息物理系统的可再生能源消纳互动架构下,提出典型温控负荷——电热水器的映射模型。在考虑用户行为信息感知的前提下,提出基于加热-剩余时间比(HRTR)的电热水器群分区方法,以及考虑分区差异性的可再生能源消纳控制策略。不同控制策略的仿真对比表明所提策略能更好地消纳可再生能源且能保证用户的高使用舒适度。

关键词： CPS 可再生能源消纳温控负荷负荷控制

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面向CPS的制造执行系统的六维管控(二)

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制造业自动化 2022年第12期44卷 190-193页

作者：班玉荣李凡赵宏军李丹锋孙嘉玉北京机械工业自动化研究所有限公司北京100120

信息物理系统(CPS)的广泛研究实践和成熟应用,可以迅速使企业生产控制过程获得的决策数据质量更加稳定及时和丰富,决策优化过程变得更为精确及时完整和合理科学,为未来生产优化过程实现透明化的和可持续改进的全面生产的优化或改善方案... 详细信息

信息物理系统(CPS)的广泛研究实践和成熟应用,可以迅速使企业生产控制过程获得的决策数据质量更加稳定及时和丰富,决策优化过程变得更为精确及时完整和合理科学,为未来生产优化过程实现透明化的和可持续改进的全面生产的优化或改善方案提供依据。因此,在现代信息物理体系框架的基本理论原则指导下,进行一种面向CPS业务的制造执行系统(MES)的深入研究,并能针对系统业务系统的基本核心要素、系统模型的基本总体结构、系统业务的总体设计方法思想方面进行具体介绍,为今后系统研究与应用奠定基础。

关键词： CPS MES 过程质量生产物流

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智能制造产业链现代化运作逻辑——基于CPS视角

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科技管理研究 2023年第23期43卷 222-232页

作者：张耀一韩江波李超南阳师范学院经济与管理学院河南南阳473061 南阳师范学院南阳发展战略研究院河南南阳473061 中国社会科学院财经战略研究院北京100045

智能制造产业链现代化的运作立足于感知层、网络层、执行层、应用层,并在此基础上延伸为关键产品、技术链、运营商,一般经历制造业自动化、制造业信息化、制造业互联化、制造业智能化4个阶段,且各阶段都对应着智能制造产业链体系中某一... 详细信息

智能制造产业链现代化的运作立足于感知层、网络层、执行层、应用层,并在此基础上延伸为关键产品、技术链、运营商,一般经历制造业自动化、制造业信息化、制造业互联化、制造业智能化4个阶段,且各阶段都对应着智能制造产业链体系中某一核心环节的不断成熟。研究提出推动中国智能制造产业链现代化建设,应从补齐关键短板环节、助力企业发展、促进上下游协同发展、发展工业数据、完善供应链发展机制等方面采取对策措施,不断提升智能制造产业链现代化的基础能力、控制能力、联动能力、要素配置能力以及风险防范能力。

关键词：产业链智能制造产业链现代化 CPS

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基于信息物理融合系统的采煤机煤岩识别系统建模与仿真

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机械强度 2022年第6期44卷 1402-1410页

作者：赵丽娟司欢欢施磊金鑫张美晨辽宁工程技术大学机械工程学院阜新123000

为解决煤矿综采工作面采煤机煤岩界面智能识别的问题,提出了一种基于信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)的采煤机煤岩识别系统结构。并针对该系统进行了混合系统仿真设计,构建了基于Ptolemy II的无线传感网系统模型,完成了... 详细信息

为解决煤矿综采工作面采煤机煤岩界面智能识别的问题,提出了一种基于信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)的采煤机煤岩识别系统结构。并针对该系统进行了混合系统仿真设计,构建了基于Ptolemy II的无线传感网系统模型,完成了无线传感器节点的设计与建模。并对系统进行整体仿真,从物理样机系统中提取实验数据,基于小波包特征提取及PSO-BP神经网络算法构建了信息处理系统模型,通过Ptolemy II与Matlab联合仿真,验证了基于CPS的煤岩识别系统的可靠性。仿真结果表明:系统联合仿真的平均误差值比单一方法仿真得到的结果偏大,最大误差为0.027924,误差仍在许可范围内。通过混合系统仿真得到的结果更加真实反映了采煤机煤岩识别过程,预测精度较高,研究为CPS混合系统建模与仿真提供一定贡献。

关键词：煤岩识别 PtolemyⅡ 系统仿真 CPS 采煤机

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Fault Management Cyber-Physical Systems in Virtual Storage Model

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Computers, Materials & Continua 2022年第2期70卷 3781-3801页

作者： Kailash Kumar Ahmad Abdullah Aljabr College of Computing and Informatics Saudi Electronic UniversityRiyadh11673Kingdom of Saudi Arabia

On average,every two years,the amount of data existing globally doubles.Software development will be affected and improved by Cyber-Physical Systems(CPS).The number of problems remained even though developments helped Information Technology experts extract better value from their storage investments.Because of poor interoperability between different vendors and devices,countless numbers of Storage Area Networks were created.Network setup used for data storage includes a complex and rigid arrangement of routers,switch,hosts/servers,storage arrays.We have evaluated the performance of routing protocol Transmission Control Protocol(TCP)and Fibre Channel Protocol(FCP)under different network scenario by Network Simulator(NS)-3 Simulation.We simulated the Node Failure and NetworkCongestion issuewithDoS attacks and a counter effect on the Packet Distribution Ratio and End-to-End Delay efficiency metrics with different nodes and speed of node mobility.The study is performed for the Simple NetworkManagement Protocol(SNMP)on FCP routing.The results proved that the proposed method isolates the malicious and congested nodes and improves the Network’s performance.

关键词： CPS data storage virtualization TCP FCP

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面向CPS的制造执行系统的六维管控(3)

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制造业自动化 2023年第9期45卷 217-220页

作者：白华尹丹云李凡北京机械工业自动化研究所有限公司北京100120

信息物理系统(CPS)的广泛研究实践和成熟应用,可以迅速使企业生产控制过程获得的决策数据质量更加稳定及时和丰富,决策优化过程变得更为精确及时完整和合理科学,为未来生产优化过程实现透明化的和可持续改进的全面生产的优化或改善方案提供依据。因此,在现代信息物理体系框架的基本理论原则指导下,针对面向CPS业务的制造执行系统(MES)的设备管理、生产协作深入研究,并对基本核心要素、系统模型的基本总体结构、系统业务的总体设计方法进行了具体介绍,为今后系统研究与应用奠定基础。

关键词： CPS MES 设备管理生产协作

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面向CPS的制造执行系统的六维管控(1)

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制造业自动化 2022年第1期44卷 63-67页

作者：赵宏军杨松李凡康进港北京机械工业自动化研究所有限公司北京100120

信息物理系统(CPS)的研究和应用,可以使生产过程的数据更加及时和丰富,决策过程更为及时和科学,为生产过程透明化和持续的生产优化改善提供依据。为此,在信息物理系统的理论指导下,开展面向CPS的制造执行系统(MES)的研究,并对其业务的... 详细信息

信息物理系统(CPS)的研究和应用,可以使生产过程的数据更加及时和丰富,决策过程更为及时和科学,为生产过程透明化和持续的生产优化改善提供依据。为此,在信息物理系统的理论指导下,开展面向CPS的制造执行系统(MES)的研究,并对其业务的关键要素、系统的整体构架、系统的设计思路进行性阐述,为后续的系统开发和应用提供解决方案框架。

关键词： CPS MES 工艺执行计划调度

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