IICP | 多模型可信工业智能控制架构

研究思路：先约束权限，再释放智能

控制系统的核心问题不是“AI 能否给出更优建议”，而是“建议失效、迟到或越界时，系统能否保持可预测”。

Abstract

未来 AI 能力不再被建模为一个承载所有任务的单一 Runtime。IICP 将其组织为 AI Model Plane：控制类模型的独立执行通道紧邻 PLC 闭环，诊断与预测模型运行于异步服务域；三者共享模型注册、版本和准入治理，却不共享控制权限。PLC 始终保有基础控制、约束检查、联锁与最终输出裁决。

A1 · AUTHORITY 权限分离

AI 产生建议，PLC 决定是否接纳和应用。AI 不能直接写物理 IO，也不能升级自身权限。

A2 · CRITICALITY 关键性分层

需要进入控制闭环的模型使用独立有界通道；诊断、预测与数据补齐运行在异步服务域，不得抢占控制时限。

A3 · CONTINUITY 故障域隔离

控制模型退出时，PLC 保持基础控制并撤回修正；诊断或预测服务故障不改变控制语义。

Input 现场设备

传感器 → PI_IN；携带质量与采样时间。

PI_IN

Control domain PLC 基础控制

独立运行，形成候选基础输出。

基础候选值

Control model lane 控制类模型

PINN / MPC 代理，仅生成有界候选值。

→Command

Authority PLC 仲裁

质量、权限、斜率、联锁、冲突。

PLC 仲裁 → AI：FeedbackFrame（接纳或拒绝）

Execution 最终输出

候选基础值 + 已接纳修正。

PI_OUT

Physical process 执行器 / 设备

设备动作与状态回执。

独立硬件安全链 → 覆写输出：优先级高于全部软件。

Fig. 1 控制权限与闭环关系。只有 Control Model Lane 中的 PINN、MPC 代理等控制类模型可产生 CommandFrame；诊断与预测模型不进入此控制通道。AI 产物仍须经 PLC 仲裁，不能直接写 PI_OUT。

控制不变式：模型可以增加，调度与部署方式可以演进，但 PLC 的最终软件裁决权和基础控制连续性不随模型数量增加而转移。

Invariant

整体框架：AI 模型平面，按关键性分域

AI Runtime 不是位于 PLC 之上的控制层，而是与 PLC 并列、按模型关键性拆分资源的执行平面。

Architecture verdict

保留“AI Runtime”作为平台能力名称，不再把它实现成一个承载全部模型的进程。 控制类模型进入 Control Model Lane；诊断、寿命、故障、风速预测与数据补齐进入 AI Services Plane。两类负载共享模型注册与治理，但不共享调度队列、资源预算和控制权限。

Proposal

位置方案	主要收益	主要风险	判断
单一 AI Runtime	初期组件少，模型接入简单。	控制、诊断、预测共享进程与资源池；NPU 饱和、模型异常或队列积压会扩大故障半径。	不适合长期
AI 位于 PLC 之上	结构表面简单，可把 AI 作为控制决策层。	暗示 AI 拥有更高控制权限，与“PLC 最终裁决、硬件保护独立”的原则冲突。	否决
并列 Model Plane、按关键性分域	控制模型保持紧耦合短链路；诊断/预测隔离部署；共享注册、版本和可观测性。	需要明确多进程边界、资源预留、控制类模型实时约束及跨域数据版本。	推荐

Control program 领域控制应用

基础逻辑与配置。

→

OT plane PLC Runtime

周期执行、裁决和输出。

Model supply 三类模型包

控制 / 诊断 / 预测。

→

AI Model Plane 模型网关

准入、路由、版本、配额与审计。

Critical control lane Control Model Lane

PINN / MPC 代理；固定输入、硬 deadline、每个回路单一 ACTIVE 模型。

PLC ↔ Control Model Lane：/iicp.ipc.v1；StateFrame、CommandFrame、FeedbackFrame。其他模型不得进入这条控制通道。

AI Services Plane 诊断 + 预测 + 数据补齐

健康度、寿命、故障、风速预测和缺失值补齐；异步运行，不直接控制。

Shared data fabric Protocol Host → 多源数据织物

现场 IO、振动、温度、功率等信号进入版本化特征与数据服务。

Non-cyclic governance Supervisor / Observability / Model Ops

生命周期、限频重启、指标、审计、A/B 回退和配额；不转发周期数据。

Platform Linux BSP + ARMv8 / NPU / IO

驱动、HAL、计算和现场接口为控制与模型域提供支撑。

Fig. 2 多模型 AI Model Plane。控制类模型位于独立 Control Model Lane，经 IPC 向 PLC 提交候选命令；诊断与预测模型通过多源数据织物和异步服务运行，结果不直接进入控制闭环。AI Model Plane 与 PLC 是并列执行域，不是上下级控制关系。

模块	负责	明确不负责
PLC Runtime	周期调度、基础控制执行、状态发布、控制类模型命令验收、输出仲裁与撤回。	模型推理、云协议、长事务持久化、硬件安全功能替代。
AI Model Plane · Gateway	模型包验证、分类、路由、准入、版本、配额、A/B 与审计关联。	直接写 IO、替代 PLC 裁决、把诊断/预测结果授予控制权。
Control Model Lane	运行 PINN、MPC 代理等控制类模型；按硬 deadline 生成有界候选命令。	直接输出设备、绕开命令契约、与诊断/预测任务共享无界资源池。
AI Services Plane	异步运行健康度、寿命、故障诊断、风速预测与数据补齐模型。	进入控制命令通道、抢占控制类模型资源、把预测结果当作设备事实。
Protocol Host	模拟 IO、协议适配、过程映像交换、多源数据采集、质量与设备回执。	业务控制策略、直接改写 PLC 内部状态。
Supervisor	启动顺序、IPC 初始化、会话、限频重启、恢复核对。	转发周期数据、代替硬件看门狗、在失联时改变控制语义。

运行时：控制模型贴近闭环，服务模型异步运行

控制类模型必须有界返回并与 PLC 解耦；诊断和预测模型以服务化节奏运行，不参与控制截止时间。

PLC 控制周期

10 ms target · provisional

Authority

01 · 锁定输入快照 读取 PI_IN；检查点位质量、采样时间与 IO 状态。

02 · 执行受信控制模块 原生、受版本控制、每次调用有界返回；不阻塞、不动态分配。

03 · 读取并裁决建议 在固定预算内非阻塞读取 CommandFrame；任一项校验失败即拒绝整帧。

04 · 计算允许修正 根据 AI 投退状态、白名单、幅度和斜率，将建议与基础输出组合。

05 · 提交输出与反馈 经最终保护/联锁和输出约束后写 PI_OUT；发布状态、拒绝码与设备回执。

Control Model Lane

Bounded · deadline-driven · isolated

Command candidate

01 · 消费最新状态 通过双槽快照获取状态；模型输入形状、量纲与数据质量固定声明。

02 · 模型准入 检查 control-source 权限、模型 active、schema、deadline、资源配额。

03 · 隔离推理 / 优化 PINN、MPC 代理或经批准的混合模型在专用后端池执行，不使用无界循环或动态分配。

04 · 后处理与规则 固定容量缓冲、NaN/越界处理、可信度与模型版本标记。

05 · 提交候选命令 写入基准状态序号、模型 hash、质量、序列和绝对过期时间，再交给 PLC 裁决。

M1 · Control-critical

控制类模型

PINN、MPC 代理模型或学习型预测控制器。其用途是产生控制候选，而不是取代执行裁决。

输入: 实时状态、约束、设定值与短期上下文
输出: 有界 CommandFrame 候选
部署: 独立 Control Model Lane，严格 quota 与 deadline
权限: 无；仍由 PLC 验收和输出

M2 · Diagnostic

诊断类模型

融合振动、温度、功率、声音与工况上下文，对设备健康度、剩余寿命与故障模式进行预测。

输入: 多源、多模态、历史与工况数据
输出: 健康分数、RUL、故障概率与解释
部署: 异步 AI Services Plane
权限: 无；输出到运维、告警与诊断服务

M3 · Forecast / completion

预测与数据补齐

提供风速与功率预测、缺失序列补齐、上下文生成等能力，可为其它模型供数，但输出不自动成为控制量。

输入: 气象、历史功率、时间上下文与数据质量
输出: 带时间戳、区间和版本的预测/补齐序列
部署: 批量、周期或事件触发的服务域
权限: 无命令权限；可作为带版本与质量标记的控制上下文输入

State
PLC → Control Model Lane ⇄ Command / Feedback
Control Model Lane ⇄ PLC

多模型并发属于目标能力，不代表已通过共享 NPU、缓存、内存带宽与热约束下的联调验证。时间语义仍使用 CLOCK_MONOTONIC_RAW 纳秒。

协同契约：只有控制类模型能进入命令通道

模型来源、用途与权限必须在帧级别可验证；诊断和预测输出无论精度如何，都不能伪装成控制命令。

G1 · STRUCTURE 结构与来源

ABI major、`struct_bytes`、layout hash、会话 epoch、model hash。

G2 · TEMPORALITY 时序与新鲜度

序列单调、状态序号匹配、心跳有效、`now < expires_ns`。

G3 · QUALITY 质量与权限

输入质量、模型 class、变量字典、控制授权与当前运行模式。

G4 · ENVELOPE 变量与动态边界

白名单、类型、范围、变化率、撤回状态与部分接纳策略。

G5 · CONFLICT 联锁与冲突

保护/联锁、手动/急停、外部电网控制与更高优先级来源。

Fig. 3 建议验收入口。任一门失败默认拒绝整帧，并通过 Feedback 返回结构化原因；成功也只进入允许的修正包络，不直接复制到 PI_OUT。

Failed path

任一校验失败：不写控制输出，生成带拒绝码的反馈，并保留请求值、模型版本与实际应用值。非 CONTROL_MODEL 产物默认不得写 Command ring。

数据面设计

IICP-IPC-001

共享内存 /iicp.ipc.v1；固定 4 KiB 头部，区域偏移与容量由 `layout hash` 和版本门控。
状态发布 PLC → AI，双槽 seqlock；AI 读取后复核 generation / active index，不稳定即视为不可用。
消息通道 Command、Feedback、Event 各为固定容量 SPSC ring；不在 RT 数据路径分配、加锁、等待或系统调用。
原子语义 C11 acquire/release 发布；缓存线对齐；目标 ARM 上必须完成撕裂、顺序与并发压力验证。
权限 PLC UID 拥有状态/反馈写权限；仅 Control Model Lane 服务身份拥有 Command 写权限；诊断、预测和 MLOps 账户均无该权限。

建议语义

Bounded correction

模型类别 命令帧必须携带 model_class=CONTROL_MODEL、模型 hash、用途白名单与生效范围；类别不可由运行时自行升级。
状态绑定 `based_on_state_sequence` 表示建议所依据的状态，不代表到达时仍新鲜。
回执 Feedback 携带请求序列、基准状态、模型类别、拒绝码、应用值与应用时间，形成可审计闭环。
优先级 硬件安全 > PLC 保护/联锁 > 经授权手动/急停 > 外部/电网控制 > AI 修正 > PLC 基础逻辑。
原子性 默认整帧接受或拒绝；若未来启用部分接纳，必须采用独立能力位与逐值反馈。

// PLC 周期内，非阻塞、固定预算
if (try_pop(command) &&
    abi_matches(command) &&
    session_epoch_matches(command) &&
    sequence_is_unseen(command) &&
    state_is_fresh(command.based_on_state_sequence) &&
    mono_now_ns() < command.expires_ns &&
    quality_is_good(command) &&
    mode_and_authority_allow(command) &&
    within_allowlist_range_and_rate(command) &&
    no_interlock_or_conflict(command)) {
        applied = combine_with_base_control(command);  // 仍受输出约束
        publish_feedback(ACCEPTED, requested, applied);
} else {
        publish_feedback(REJECTED, first_failed_reason);
}

失效路径：控制模型退出，服务模型降级

不同模型类别拥有不同故障半径。恢复心跳不等于恢复控制；诊断或预测服务失效也不应改变 PLC 控制语义。

Base Run

控制模型未投用；PLC 基础控制独立运行。

Control Active

控制模型健康且获准；候选值按受限速率进入。

Withdrawing

心跳丢失/建议到期；停止接纳新建议，按配置速率撤回至零。

Observation

控制模型可计算与记录候选，但不得影响控制。

Approval

健康检查通过且操作员确认后，才可受限速率重新投用。

Controlled Stop

控制执行与语义切换暂停；输出策略必须由配置预先冻结。

事件	系统决策	行为	状态
Control Model Lane 心跳丢失	普通退出	拒绝控制类候选命令；基础控制继续；已应用修正按配置速率撤回；记录事件。	Confirmed
Supervisor 失联	保留基础运行	PLC/Protocol Host 使用已激活配置继续；Control Model Lane 退出并撤回；暂停配置激活、模块切换和控制模型重投。	Confirmed
诊断或预测服务故障	服务域降级	停止或降采样对应任务；告警与数据版本保持可追溯；PLC、Control Model Lane 与输出不受影响。	Proposed
NPU / CPU 资源竞争	按关键性配额	Control Model Lane 保留独立资源与截止时间；服务模型受 cgroup、队列和降采样限制；超期候选被丢弃。	Proposed
非控制模型尝试写命令	契约拒绝	按 UID、会话、`model_class` 和用途白名单拒绝；记录安全事件与来源模型。	Proposed
受信控制模块卡死	PLC 整体故障	原生函数不可被同进程周期计时器抢占；由进程外监测、Protocol Host 与硬件保护链处理。	Confirmed
受控停止态	运行配置集成组切换	执行模块、IO 映射、变量字典、AI 权限和输出约束整体校验/激活/回退。	Confirmed
停止时输出策略	逐变量冻结	输出值、保持时间、设备行为和重新使能条件尚未决定；不得默认“保持最后输出”。	Open

验证路线：以证据关闭设计假设

实时性、模型效果与协议互操作性不靠设计文字成立，而由目标硬件、故障注入和联合负载报告成立。

P0 平台澄清 SoC/板卡、BSP、NPU 驱动/Runtime、许可证与故障安全范围。 Gate

P1 IPC / 数据字典 ABI 断言、跨进程并发、版本拒绝、共享内存与 ring 边界。 Gate

P2 实时底座目标板采集 WCET、release jitter、deadline miss 与压力关联。 Gate

P3 PLC MVP 受信模块、过程映像、输出仲裁、故障降级与审计闭环。 Gate

P4 Control Model Lane PINN / MPC 代理的包验证、输入形状、WCET、超时、量化偏差、命令拒绝与回退。 Gate

P5 AI Services Plane 多源诊断、寿命/故障、风速预测、数据补齐的延迟、精度、背压、数据版本与降采样。 Gate

P6 多模型隔离 NPU/CPU 并发、内存带宽、缓存、热约束、控制通道优先配额与故障注入。 Gate

P7 协议互操作每个声明角色在目标设备上完成许可与互操作测试。 Later

评审门槛：进入实现前关闭硬件/BSP 矩阵、PLC 内核与许可、协议角色、IPC ABI、变量字典、安全链和验收负载画像。

P0 · Before implementation

智能能力可以更复杂，
但控制权限必须保持简单、明确、可撤回。