工业网络系统的感知-传输-控制一体化现场总线控制系统的智慧之手挑战与进展交响曲

工业网络系统：融合控制与信息通信的智慧体。这种系统通过高度融合自动控制技术、计算机技术和通信网络技术，实现了信息系统与物理过程的协同，以达到生产优化、流程简化和效率最大化，对于推动工业制造的数字化、网络化和智能化发展至关重要。工业网络系统集成了感知、传输和协同控制功能，其结构是网络化，控制是现场化，功能是分散化，这些都是其突出特点，是实现工业信息物理系统智能互联的核心。

然而，一体设计面临多重挑战，如资源受限下的异构终端融合问题、复杂多变通信环境中时间确定性与传输可靠性的要求，以及在网络环境下信息与控制交互耦合作用等。此外，还有其他诸如实时可靠泛在通信需求以及对敏捷精确协同控制能力的追求。

为了应对这些挑战，我们需要综合利用控制理论与通信设计方法，将优化理论与网络策略相结合，以形成具有自适应于系统动态及网络能力的一代新型工业网路。要实现一体设计，我们必须清晰表示感知-传输-控制三者之间相辅相成且相互制约的耦合关系，为揭示三者间作用并提升整体性能奠定基础。

本文围绕一体框架，在简述了内涵及主要特征后，分析了“感知-传输-控制一体”面临的问题，并从非理想条件下的分布式融合估计到面向感知/控制适变传输再到复杂环境下的协同调控三个方面综述国内外研究现状进展。

如何实现联合设计？传统上，独立分离地考虑反馈信息以达成特定目标或假设完美通讯，但这限制了整体性能提升。在恶劣环境下，状态不可测或数据丢失影响性能，因此联合设计成为有效途径。本文初步探索了一体设计，并提出了图2所示工业网路分层架构，其中边缘估计终端负责预处理原始数据并进行转发，以减少能量消耗和冲突，同时提高交互可靠性和实时性。