方 興

（海裝駐武漢第四軍事代表室 武漢 430205）

1 引言

自20世紀(jì)50年代末電子數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于直接數(shù)字控制系統(tǒng)以來［1］，控制科學(xué)便在以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息科學(xué)的助推下快速發(fā)展，控制理論從基于傳遞函數(shù)模型的經(jīng)典控制，先后發(fā)展到基于受限狀態(tài)空間模型的現(xiàn)代控制理論，以及涵蓋預(yù)測(cè)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制和智能控制等方法的先進(jìn)控制理論［2］，控制系統(tǒng)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)集中式控制發(fā)展到以控制網(wǎng)絡(luò)為普遍要素的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（Network Control System，NCS），控制系統(tǒng)的測(cè)控效能不斷得到提升。與此同時(shí)，以可計(jì)算性理論為起點(diǎn)，計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)從最初的大型機(jī)分時(shí)共享發(fā)展到基于虛擬化技術(shù)的分布式云計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)彈性擴(kuò)展和集約化規(guī)模部署，為解決馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)功耗墻和存儲(chǔ)墻的瓶頸問題，進(jìn)一步提升云計(jì)算的效能，計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)逐步向存算一體化、異構(gòu)加速計(jì)算等方向發(fā)展。

如圖1所示，一直以來，控制科學(xué)與信息科學(xué)在理論、工程和技術(shù)等方面始終保持平行獨(dú)立發(fā)展的態(tài)勢(shì)，雖然部分理論和方法互有借鑒，但二者之間從未有過深層次的交融，控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間始終存在架構(gòu)不兼容、數(shù)據(jù)不流通、信息不共享的問題。

圖1 云控制系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)路線［3］

在互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，第四次工業(yè)革命已然來臨，云控制系統(tǒng)（Cloud Control Systems，CCSs）成為實(shí)現(xiàn)OT與IT融合發(fā)展的核心技術(shù)，在云控制系統(tǒng)中，“云”是控制系統(tǒng)中的主體，“云”是控制“大腦”，云控制系統(tǒng)的思想在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，是未來控制系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，如圖1所示。艦船作為一個(gè)機(jī)械化作戰(zhàn)平臺(tái)，目前，在艦船機(jī)電控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用各類傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)，存在數(shù)據(jù)無法互操作、技術(shù)體制不兼容、設(shè)備升級(jí)維護(hù)困難問題，無法形成一體化戰(zhàn)斗能力，隨著以美國(guó)海軍為代表的全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE）的集成應(yīng)用，為機(jī)電控制系統(tǒng)的云化帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，但云控制系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，概念和邊界還有些抽象、模糊，研究方向也比較發(fā)散，尚未形成完備的理論體系和工程實(shí)踐方法。

2 艦船云控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分析

2.1 艦船云控制系統(tǒng)的支撐技術(shù)

云控制系統(tǒng)的重要標(biāo)志就是在控制系統(tǒng)中引入云計(jì)算技術(shù)，通過綜合運(yùn)用云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和其他相關(guān)成果［4］，如邊緣計(jì)算、確定性網(wǎng)絡(luò)、OPC UA、微服務(wù)架構(gòu)、人工智能等，云控制系統(tǒng)為解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同控制問題提供了可行的技術(shù)途徑。

從縱向來看，艦船云控制系統(tǒng)可以看作是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的延伸，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有連接網(wǎng)絡(luò)化、傳輸數(shù)字化、結(jié)構(gòu)層次化、信息集中化、控制分散化、協(xié)議漸進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化等特征，艦船云控制系統(tǒng)將基于這些特征進(jìn)一步深入發(fā)展；從橫向來看，艦船云控制系統(tǒng)將涉及到信息物理融合系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)以及復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制［5］，因此也具備這些系統(tǒng)的一般通性，云平臺(tái)則為控制系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能優(yōu)化以及先進(jìn)控制理論的工程化實(shí)踐提供平臺(tái)技術(shù)支持。

圖2 艦船云控制系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)支撐關(guān)系

2.2 艦船云控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

艦船云控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)涵蓋以上所有的技術(shù)成分，目前針對(duì)云控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究比較多，但大多都是基于特定的應(yīng)用場(chǎng)景來表述，還沒有形成統(tǒng)一準(zhǔn)確的描述，也缺少具體的框架結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法。

綜合分析，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相比，艦船云控制系統(tǒng)的構(gòu)成要素主要包括艦船云平臺(tái)、云控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器/執(zhí)行器以及受控機(jī)電設(shè)備，如圖3所示，其中：

圖3 艦船云控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1）艦船云平臺(tái)包括中心云和邊緣云，云與邊一體化協(xié)同，作為云控制器的運(yùn)行載體，提供云邊一致的計(jì)算框架；

2）云控制器以控制即服務(wù)的形式位于云端或邊緣側(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接控制；

3）通信網(wǎng)絡(luò)為融合控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的一體化網(wǎng)絡(luò)；

4）傳感器和執(zhí)行器可通過邊緣網(wǎng)關(guān)或直接接入艦船云平臺(tái)；

5）受控機(jī)電設(shè)備與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)相比可以無差別，但一般更具智能化。

3 艦船云控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 云環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)延遲預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制技術(shù)

在基于云的控制系統(tǒng)中，云控制器與受控過程之間的相對(duì)位置是動(dòng)態(tài)的，二者之間的往返延遲也隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與云平臺(tái)之間的往返延遲范圍從幾十到幾百毫秒，大多數(shù)控制系統(tǒng)的采樣周期從幾百毫秒到幾秒，因此，大部分往返延遲可以在采樣周期內(nèi)被吸收，對(duì)控制回路沒有影響。在云控制系統(tǒng)中，延時(shí)包括其中，分別是現(xiàn)場(chǎng)層與云平臺(tái)之間的傳輸延時(shí)，τcloudc為云平臺(tái)的處理延時(shí)。云環(huán)境的不確定性使得傳輸延時(shí)和丟包會(huì)以隨機(jī)方式出現(xiàn)，特別是在長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸以及資源動(dòng)態(tài)重構(gòu)的環(huán)境下，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采樣數(shù)據(jù)和云控制器發(fā)送的控制指令難以保證在有限的時(shí)隙范圍內(nèi)實(shí)時(shí)傳輸，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，需對(duì)不可靠網(wǎng)絡(luò)延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，進(jìn)而通過滾動(dòng)時(shí)域狀態(tài)估計(jì)克服數(shù)據(jù)包丟失對(duì)控制系統(tǒng)的不確定性影響。

如何在不同網(wǎng)絡(luò)條件下準(zhǔn)確界定云控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的邊界，是云環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)延遲預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制技術(shù)的首要問題，在非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下延時(shí)預(yù)測(cè)補(bǔ)償通常只能解決短暫隨機(jī)時(shí)延導(dǎo)致的不確定性問題，適合采樣率不高的非關(guān)鍵控制系統(tǒng)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)延和時(shí)間敏感的安全關(guān)鍵控制系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合邊緣計(jì)算、容錯(cuò)技術(shù)和確定性網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)［6］，滿足不同機(jī)電控制子系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

3.2 確定性以太網(wǎng)與語義級(jí)互操技術(shù)（OPC UA over TSN）

為解決以太網(wǎng)CSMA/CD機(jī)制無法保證工業(yè)數(shù)據(jù)確定性傳輸?shù)膯栴}，目前主要有三類方案共計(jì)十余種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來改進(jìn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性［7］，這些異構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使得艦船機(jī)電控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通被限制在各控制域內(nèi)，無法滿足云控制系統(tǒng)對(duì)從傳感器到云端的數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)的語義互操作性需求。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)協(xié)議MAC層提供通用的時(shí)間敏感機(jī)制，在保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)確定性傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也可以兼容現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，其主要實(shí)現(xiàn)思路是將網(wǎng)絡(luò)中不同需求的流量分配到相應(yīng)的時(shí)間感知隊(duì)列中，通過流量整形機(jī)制為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流提供確定的傳輸時(shí)隙，從而保證時(shí)間敏感數(shù)據(jù)有一條確定的傳輸路徑［8］。OPC UA是為解決OPC XML-DA的運(yùn)行效率問題而開發(fā)的能夠滿足跨平臺(tái)要求的新一代工業(yè)數(shù)據(jù)訪問規(guī)范［9］，其核心是數(shù)據(jù)建模和分布式系統(tǒng)通信，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想對(duì)各類機(jī)電設(shè)備實(shí)體進(jìn)行信息模型，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，由于不依賴于具體的底層傳輸協(xié)議，允許各系統(tǒng)組件在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上互操作；OPC UA Pub/Sub模型采用基于內(nèi)容的消息傳遞方式將默認(rèn)Client/Server的結(jié)構(gòu)解耦合［10］，通過全局?jǐn)?shù)據(jù)空間進(jìn)一步提升了互操作的能力。OPC UA規(guī)范與TSN相結(jié)合（OPC UA over TSN），將信息模型的語義描述從云端延伸至現(xiàn)場(chǎng)層，打破了關(guān)鍵系統(tǒng)和非關(guān)鍵系統(tǒng)之間的通信阻礙，為艦船云控制系統(tǒng)提供一種全局開放式的數(shù)據(jù)交換模式。

3.3 云邊融合的資源一體化調(diào)度與容錯(cuò)控制技術(shù)

邊緣計(jì)算［11］的是比霧計(jì)算（Fog Computing）和移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）更具有廣泛意義的計(jì)算范式，“云-邊-端”三層架構(gòu)被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界確定為未來使能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，而邊緣計(jì)算則被視為聯(lián)接物理和數(shù)字世界的橋梁，如圖4所示。從技術(shù)體系來看，邊緣計(jì)算是云計(jì)算的一種能力延伸，主要解決云計(jì)算在可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性等方面不足的問題，這些恰恰是艦船云控制系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵屬性，因此邊緣計(jì)算可作為強(qiáng)化云控制系統(tǒng)能力的重要手段。

圖4 云邊融合協(xié)同控制系統(tǒng)示意圖

艦船機(jī)電控制系統(tǒng)軟件一般采用“單體”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)耦合度高、平臺(tái)依賴性強(qiáng)、軟件接口復(fù)雜、應(yīng)用容錯(cuò)性差等問題，難以滿足云邊融合模式下的開發(fā)模式和部署需求，無法有效利用靈活、彈性、可擴(kuò)展的計(jì)算資源，因此需采用服務(wù)化設(shè)計(jì)模式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可用計(jì)算資源與資源需求的映射調(diào)度。為保證控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，控制器一般采用冗余設(shè)計(jì)或功能安全設(shè)計(jì)，將云控制系統(tǒng)的高可靠設(shè)計(jì)與云計(jì)算的容錯(cuò)和高可用技術(shù)有機(jī)結(jié)合，如虛擬機(jī)在線遷移、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展、故障自恢復(fù)等，可以使云控制系統(tǒng)兼具靈活性、安全性和可靠性等特點(diǎn)。

3.4 機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型混合的復(fù)雜性控制技術(shù)

與基于模型的控制理論相比，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論是在系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型或非確定性描述難以獲取的情況下，利用在線實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)或者離線歷史數(shù)據(jù)來直接進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，是控制科學(xué)的一條重要技術(shù)方向。雖然，目前以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的各種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方法已成功應(yīng)用到環(huán)境感知、決策推理、故障診斷與預(yù)測(cè)等任務(wù)中，但其在動(dòng)態(tài)控制中的理論分析和應(yīng)用研究仍處于起步階段。

在艦船云控制系統(tǒng)中，海量數(shù)據(jù)從機(jī)電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)層匯聚到云計(jì)算中心，呈現(xiàn)出多樣性、混雜性和非精確性的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論可以在復(fù)雜、非線性因果關(guān)系中，通過表示學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后變量的不同解釋因子，將高維復(fù)雜非線性控制問題近似為較低維非線性問題的疊加。因此，在海量規(guī)模數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)模型和高性能算力的支持下，通過大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能云控制技術(shù)來解決復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題，具備理論和工程實(shí)踐上的可行性，并逐漸成為云控制系統(tǒng)的核心要素。

在復(fù)雜云控制系統(tǒng)中，沒有任何一種控制理論能夠適用于所有場(chǎng)景，通常需要多種控制方法配合使用。在基于模型的控制方法中，可以利用數(shù)據(jù)模型來處理難以建模部分或未知干擾，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方法中，可以利用機(jī)理模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器的初始樣本訓(xùn)練集，或?qū)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器的輸出控制信號(hào)進(jìn)行修正。

4 基于vPLC的云控制系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在艦船機(jī)電控制系統(tǒng)中廣泛采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為各機(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層的核心控制器，但傳統(tǒng)PLC的軟硬件耦合度很高，體系結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉且指令系統(tǒng)各異，存在部署成本高、維護(hù)難度大的問題?；谠瓶刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的分析，本文在云環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了一種虛擬化的可編程邏輯控制器（Vir?tual PLC，vPLC），如圖5所示，將PLC的應(yīng)用模式與云計(jì)算的彈性擴(kuò)展特性相結(jié)合，支持冗余控制器、功能全控制器等多種模式的一鍵自動(dòng)部署。

圖5 基于vPLC的云控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)所選擇的部署模式，運(yùn)維部署平臺(tái)從鏡像模板庫中下載對(duì)應(yīng)的模板，然后創(chuàng)建并啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的控制器實(shí)例副本，以控制即服務(wù)的形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的設(shè)備直接控制。如圖6所示，在運(yùn)行階段，運(yùn)維部署平臺(tái)負(fù)責(zé)vPLC控制器的全生命周期管理，包括開始、啟動(dòng)、暫停、關(guān)閉等操作。

圖6 vPLC控制器全生命周期管理

傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)層數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)接入遠(yuǎn)程IO映射平臺(tái)，統(tǒng)一映射到IO數(shù)據(jù)資源池，各控制器在每次掃描周期開始時(shí)，從IO數(shù)據(jù)資源池中檢測(cè)輸入設(shè)備（開關(guān)、按鈕等）的狀態(tài)，完成控制任務(wù)程序執(zhí)行后，將輸出刷新到IO數(shù)據(jù)資源池中相應(yīng)的地址空間，從而實(shí)現(xiàn)控制指令的輸出，如圖7所示。為保證vPLC控制器的實(shí)時(shí)性，各虛擬機(jī)運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并為每一個(gè)控制器實(shí)例固定分配一個(gè)CPU物理核，為vPLC運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、隔離的運(yùn)行環(huán)境。

圖7 云控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，本文實(shí)現(xiàn)的云控制系統(tǒng)符合IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)特性，可以實(shí)現(xiàn)32軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，最大支持IO點(diǎn)數(shù)不少于10000點(diǎn)，具備功能安全一鍵自動(dòng)化部署的能力。

5 結(jié)語

云控制系統(tǒng)是多學(xué)科交叉發(fā)展的產(chǎn)物，涉及到的技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景非常寬泛，不同應(yīng)用場(chǎng)景下的控制系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、性能指標(biāo)、動(dòng)力學(xué)模型、系統(tǒng)復(fù)雜度等方面存在顯著差異，難以設(shè)計(jì)一種普適性的模型框架來滿足所有的應(yīng)用需求。因此，云控制系統(tǒng)的發(fā)展還存在諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：1）云控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性評(píng)估準(zhǔn)則，界定能否滿足機(jī)電控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求；2）與云計(jì)算服務(wù)模式融合的工程化設(shè)計(jì)問題，對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)；3）機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型混合的復(fù)雜性控制，利用數(shù)據(jù)模型來處理被控對(duì)象難以機(jī)理建模部分。