産品特色
內容簡介
賽博-實體係統(Cyber-Physical System ,CPS),相較於傳統工業係統,它更關注於機器自主認知、預測和決策能力的實現,並在此基礎上,實現工業和信息係統在感知、分析、決策、控製和管理等方麵的深度融閤。本書立足於工業領域的現狀和發展需求,共有6個篇章,分彆是現代工業的挑戰與機遇、CPS的技術本質與內涵、CPS的技術體係與工業智能實現、CPS的應用體係與智能體(agent)實現、CPS的應用實踐案例、CPS為中國産業升級帶來的機會空間。
本書是中國首本係統介紹 CPS理論和應用的圖書,為中國工業邁嚮智能時代帶來新思維和新路徑,可作為産學研各個領域學習及發展CPS技術的參考資料。同時,本書也適閤對製造領域感興趣的大眾讀者閱讀,並能為廣大讀者帶來創造性的啓發。
作者簡介
李傑(Jay Lee),教授,美國辛辛那提大學(Univ.of Cincinnati)特聘講座教授,美國國傢科學基金會(NSF)智能維護係統研究中心(IMS)主任,上海交通大學特聘講座教授,長江學者和中組部韆人計劃專傢,自2000年起領導全球工業大數據分析與智能維護係統技術研發;2013年,擔任美國白宮信息物理係統與美國挑戰項目顧問;2016年起,擔任美國麥肯锡(McKinsey&Company;)全球顧問。李傑教授是美國機械工程學會(ASME)及美國製造工程學會(SME)的會士。目前的研究方嚮包括以工業大數據分析、賽博-實體係統技術(CPS)、智能維護係統和産品及服務主控式創新創值設計(Dominant Innovation),自2000年起與全球超過90傢企業閤作研發與應用上述領域的技術和成果。李傑教授的研究突破瞭傳統機械設備故障預測的理論、方法和技術,其關鍵性技術得到國際學術界的認可與高度評價,被美國《財富》雜誌譽為“21世紀全球三大熱門技術”之一。他所著的《工業大數據》與 《從大數據到智能製造》在中國讀者和企業中廣受好評。
邱伯華,研究員,中國船舶工業係統工程研究院海洋智能技術中心主任,專注以CPS為核心的船舶智能化和以工業大數據分析為核心的船舶智能信息服務體係技術研究與應用研究。長期主持智能船舶技術和艦船綜閤狀態評估與健康管理技術的研究與應用實踐工作,多次獲得國防科技進步奬和艦船工業科技進步奬,並擔任工信部通導與智能係統專傢組專傢等社會職務。
劉宗長,美國辛辛那提大學智能維護係統研究(IMS)中心博士生,獲上海交通大學電氣工程學士和美國密歇根大學機械工程學士學位。從2012年起擔任IMS中心研究助理,主要研究方嚮包括工業大數據智能算法和賽博-實體係統技術(CPS),參與項目所涉及的企業包括法國阿爾斯通、比利時魯汶機電技術中心、美國國傢儀器、中國中車、中國船舶工業集團和上海電氣等。2016年與李傑教授和IMS中心博士團隊共同創立北京天澤智雲科技有限公司,並擔任技術研發副總裁。
魏慕恒,博士,畢業於清華大學自動化係,中國船舶工業係統工程研究院海洋智能技術中心高級工程師,從事以CPS為核心的船舶智能化和以工業大數據分析為核心的船舶智能信息服務體係研究與應用工作。
目錄
第1章 現代工業的挑戰與機遇
1.1 現代工業遇到瞭什麼挑戰?
1.2 生産係統組織關係的價值瓶頸
1.3 CPS如何滿足新工業革命的要求
第2章 CPS的技術本質與內涵
2.1 從電影《天空之眼》瞭解 CPS
2.2 CPS的發展曆程
2.3 CPS的廣義內涵與狹義內涵
2.4 CPS的實體空間與賽博空間
2.5 CPS麵嚮工業智能化的技術特性
第3章 CPS的技術體係與工業智能實現
3.1 CPS的5C技術體係架構
3.2 從人的智慧方式理解CPS
3.3 CPS用以滿足工業智能的可成長性
3.4 工業智能的CPS實現:“人的智慧”VS“物的智慧”
第4章 CPS的應用體係與智能體(agent)實現
4.1 CPS的應用體係
4.2 層級化CPS的應用
4.3 CPS的3個基本單元: 智能控製單元、智能管理單元與認知環境
4.4 CPS的基礎應用條件
第5章 CPS的應用實踐案例
5.1 CPS智能控製單元應用: 豐田公司智能控製案例
5.2 CPS的智能管理單元應用: 軸承智能管理
5.3 CPS的智能管理應用: 智慧風場
5.4 CPS智能體係應用: 中船集團業態融閤CPS體係實踐
第6章 CPS為中國産業升級帶來的機會空間
6.1 中國、美國和德國的産業優勢與轉型路徑
6.2 CPS在中國的挑戰和應用機會
6.3 CPS可為中國工業帶來的啓示與改變
6.4 結語
架構設計與前沿實踐:現代軟件係統的構建之道 圖書簡介 在信息技術飛速發展的今天,軟件係統已成為驅動社會進步的核心動力。無論是支撐全球化業務的復雜企業應用,還是關乎民生的關鍵基礎設施,其穩定、高效、可擴展的運行,無不依賴於精心設計的架構。本書《架構設計與前沿實踐:現代軟件係統的構建之道》深入剖析瞭構建高性能、高可用、可維護的現代軟件係統的核心理念、關鍵技術與最佳實踐。它並非聚焦於特定領域的工業智能化,而是緻力於為所有希望掌握現代軟件架構精髓的工程師、架構師和技術管理者提供一套全麵而實用的指導手冊。 本書結構嚴謹,內容涵蓋瞭從宏觀的架構選型到微觀的技術實現細節,旨在幫助讀者建立起清晰的係統化思維,能夠應對日益復雜的工程挑戰。 第一部分:軟件架構的基石與演進 本部分首先奠定瞭理解現代架構的基礎。我們將探討軟件架構的本質、核心驅動力(如性能、安全性、可維護性)以及架構決策的重要性。 1. 架構的定義與核心屬性: 深入解析良好架構所必須具備的質量屬性(Quality Attributes),如可靠性、可擴展性、可觀測性等,並闡述如何通過權衡不同屬性來滿足特定的業務需求。 2. 架構模式的演變: 迴顧並分析瞭從單體架構到分層架構,再到麵嚮服務架構(SOA)的發展曆程。重點剖析瞭微服務架構(Microservices Architecture, MSA)的優勢、挑戰以及何時應當采用,何時需要謹慎選擇。我們詳細比較瞭宏核(Monolith)與微服務在團隊組織、部署頻率、技術棧靈活性上的差異。 3. 領域驅動設計(Domain-Driven Design, DDD)的戰略與戰術: 架構的成功與業務領域模型的清晰度息息相關。本章詳述 DDD 的核心概念,包括限界上下文(Bounded Context)、通用語言(Ubiquitous Language)、上下文映射(Context Mapping)等。我們將演示如何利用 DDD 的方法論來劃分服務邊界,確保係統結構與業務邏輯精準對齊,避免“代碼即架構”的陷阱。 第二部分:分布式係統的核心挑戰與解決方案 隨著係統復雜度的增加,分布式架構已成為主流。本部分聚焦於分布式係統中無法迴避的難題,並提供瞭經過驗證的解決方案。 4. 數據一緻性與事務管理: 探討在多服務環境下,如何處理分布式事務。本書詳細介紹瞭兩階段提交(2PC)的局限性,並重點講解瞭Saga 模式(Choreography 和 Orchestration 兩種方式)以及事件溯源(Event Sourcing)在保持最終一緻性方麵的應用。 5. 服務間通信的藝術: 比較瞭同步通信(RESTful API、gRPC)和異步通信(消息隊列、事件流)的適用場景。對於異步通信,我們深入探討瞭 Kafka、RabbitMQ 等主流消息中間件的特性,以及如何設計健壯的消息投遞與重試機製,以確保數據的可靠傳遞。 6. 容錯性與彈性設計: 係統不可避免地會發生故障。本章闡述瞭如何構建具有彈性(Resilience)的係統。內容包括斷路器(Circuit Breaker)、超時與重試策略、限流(Rate Limiting)、艙壁模式(Bulkhead)的應用,以及如何通過混沌工程(Chaos Engineering)來主動驗證係統的故障恢復能力。 第三部分:現代基礎設施與運維實踐 架構的有效落地離不開現代化的基礎設施和高效的運維模式。本部分將視野擴展到部署、監控和自動化。 7. 容器化與編排: 深入剖析 Docker 在標準化部署中的作用,並詳細講解 Kubernetes (K8s) 作為容器編排事實標準的強大能力。內容包括 Pod、Service、Deployment、StatefulSet 等核心對象的配置,以及如何利用 K8s 的聲明式配置實現高可用部署。 8. 持續交付與自動化(CI/CD): 闡述實現快速、可靠交付的流水綫設計。探討藍綠部署(Blue/Green Deployment)、金絲雀發布(Canary Release)等高級部署策略,以及如何將自動化測試深度集成到交付流程中,實現“小步快跑”。 9. 全棧可觀測性(Observability): 現代係統需要超越傳統的簡單監控。本章聚焦於“三支柱”——日誌(Logging)、指標(Metrics)和追蹤(Tracing)的整閤。詳細介紹 Prometheus/Grafana 在指標收集與可視化中的應用,以及使用 OpenTelemetry 等標準進行分布式請求追蹤,從而快速定位復雜服務調用鏈中的性能瓶頸。 第四部分:架構的治理與演進 架構並非一勞永逸的設計,它需要被持續管理和演進。 10. 架構治理與文檔化: 探討如何通過架構評審、技術委員會等機製來保證架構決策的一緻性。強調使用 C4 模型等現代方法進行架構文檔的清晰錶達,確保團隊對係統的理解同步。 11. 技術債管理與重構策略: 分析技術債的産生原因及其對係統長期健康的影響。提供瞭一套結構化的技術債評估與償還框架,指導團隊如何在日常開發中平衡新功能的需求與係統健康度的維護。 12. 雲計算的架構影響: 討論Serverless、FaaS(Function as a Service)等新的計算範式如何影響傳統架構設計。分析雲原生(Cloud-Native)理念,並指導讀者如何根據成本、性能和運維復雜性,做齣正確的雲服務選型和混閤雲部署決策。 目標讀者: 本書麵嚮有一定軟件開發經驗,渴望深入理解和實踐現代、大規模、高可靠性軟件係統架構的軟件工程師、技術負責人、係統架構師,以及負責技術戰略規劃的中高層技術管理者。通過本書的學習,讀者將能夠跳齣具體語言和框架的限製,掌握構建未來係統的通用工程思維和技術藍圖。
這本書的敘述方式非常有感染力,它沒有像很多技術書籍那樣,上來就拋齣一大堆理論和公式,而是通過層層遞進的方式,將CPS這個復雜概念一點點展現在讀者麵前。我感覺作者就像是在和我進行一次深入的對話,引導我去理解工業智能的演進過程,以及它為何會成為“新一代”的代錶。從工業1.0到4.0,每一個階段的變革都給我留下瞭深刻的印象,尤其是當CPS概念齣現時,我能感受到那種質的飛躍。書中對“互聯互通”的強調讓我意識到,未來的工業不再是孤立的個體,而是構成一個龐大而精密的生態係統。每一個設備、每一個環節都能像生活中的手機一樣,隨時隨地連接到網絡,進行信息交換和協同工作。這帶來的不僅僅是效率的提升,更是整個生産流程的柔性化和智能化。我從中看到瞭解決當前製造業瓶頸的希望,例如如何實現大規模的個性化定製,如何讓生産過程更加綠色環保,以及如何應對復雜多變的全球供應鏈。這本書讓我對中國工業的未來發展充滿瞭信心,相信CPS技術一定能幫助中國製造業邁嚮世界前沿。