信息物理融合系统体系结构研究

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)是近年来国内外科技界与学术界研究的新兴的重要领域。为了从整体上把握和研究CPS的体系结构,归纳列举包括原型的、基于事件驱动的、"发布-订阅"式的、面向服务的和基于云的几类主流的CPS体系结构。分析讨论CPS各类主流体系结构的层次划分及层级结构,归纳其共性,总结并提出典型CPS体系结构和典型CPS层级体系结构,为以后CPS体系结构的研究提供了参考。     

一种信息物理融合系统行为预测模型

信息物理融合系统(CPS)是一类集成了计算系统、通信网络、传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。由于CPS内部异构单元之间的通讯、协同和交互的形式错综复杂,目前尚无统一的模型进行描述和分析,因此对其行为的建模和预测是一个难点问题。首先以混杂系统、模糊集理论和人因学方法为基础,提出一种模糊时间混合Petri网,随后通过对一类典型CPS的行为进行建模和分析,实现了CPS动态行为和状态迁移的预测,最后以仿真数据验证了模型的有效性。该模型可用于分析CPS中的物理世界连续状态和信息世界离散事件之间的联系和交互,有助于研究CPS中的不确定性问题和系统组成单元之间的异步并发关系,为CPS的行为预测、状态评估和实时控制提供了有效方法。     

基于软件定义资源的实时控制CPS数据传输机制

信息物理融合系统CPS是当前最前沿的交叉研究领域之一,具有广泛的应用前景,其研究和发展离不开数据传输与管理技术的支持。提出了一种基于软件定义资源的CPS模型,通过采用映射资源描述文件的方式实现资源的分配与调度;在此模型的基础上提出了一种实时控制CPS数据传输模式,这种数据传输模式以中间件形式实现,中间件对CPS的消息采用序列化与反序列化的机制传输,可以满足CPS跨平台、跨网络、实时性的要求;设计了一种CPS消息传输的路径,以提高传输效率。实验结果表明,所提出的数据传输序列化机制是可行的。     

基于SHML的CPS行为建模及仿真

信息物理融合系统（cyber-physical systems，简称CPS）是深度融合了计算进程和物理进程的统一体，是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，具有广阔的应用前景.CPS的行为具有混成性、随机性等特征，建模及仿真CPS的动态行为对于开发高质量的CPS系统至关重要.但是目前缺乏面向CPS的领域建模方法及建模CPS的领域建模语言，也迫切需要支持仿真CPS领域模型的仿真工具.针对以上问题，提出一种面向CPS领域的随机混成建模语言（stochastic hybrid modeling language，简称SHML）以支持建模CPS系统的行为.首先，根据CPS的领域特征定义了SHML的元模型作为其抽象语法，并定义了SHML的具体语法和操作语义；其次，基于GEMOC框架实现了SHML的可视化建模工具.此外，集成GEMOC的序列化执行引擎和Scilab的连续行为仿真引擎，实现仿真CPS的混成行为.提出了一种面向CPS领域的建模及仿真方法，设计并实现了一个集成的面向CPS行为的建模与仿真平台，为CPS的建模及仿真提供了一种有效的方法及工具支撑.     

基于区块链的信息物理融合系统的信息安全保护框架

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)受到了学术界的广泛关注,其面临的安全性问题及防护措施也日益成为领域研究热点。通过梳理现阶段国内外关于CPS安全问题及其防护措施的研究成果发现,基于整体多层次统筹以及分布式架构的防护措施成为了当前的研究导向,这与区块链技术的整体性分布式架构特征相一致。在区块链分布式拓扑结构及其信息安全特性的基础上,提出了融合区块链技术与CPS的防护思想,论证了结合二者的可能性,并构建了实现二者深入融合的BCCPS框架机制。重点介绍了BCCPS框架在基础层级和集成层级两个层面上的具体构造情况。最后,从信息安全的保密性、完整性、可用性、可追溯性4个维度论证了BCCPS框架的安全性。该研究为建立安全、健壮的CPS提供了新思路。     

信息-物理融合系统动态行为模型构建方法

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)特有的计算、通信、控制的联合动态性,计算与物理的多尺度融合性,系统环境及状态的时空交互性以及系统动态行为的非确定性,不但使面向CPS的模型驱动设计与验证方法在CPS系统设计中更为重要,而且也向其提出了新的技术挑战.论文在结合典型实例分析CPS系统特征及其模型构建具体挑战的基础上,研究并总结了CPS动态行为建模的主要方法:一体化建模方法从CPS系统层面描述计算过程与物理过程的交互与融合;时空交互建模方法关注CPS系统行为与时间及空间关系的语义表示;功能和实现兼容建模方法侧重刻画CPS系统的逻辑设计和物理实现的映射与支撑;而集成建模方法则重点解决多异构模型的交互方式与语义的一致表达.论文基于多异构实体的CPS系统建模框架,提出了一种CPS系统结构与动态行为的协同建模方法,并用CPS-ADL对其进行了实现和验证.     

基于Ptolemy的自适应巡航系统建模与仿真

信息物理融合系统( CPS)是计算、通信与控制技术的融合,汽车自适应巡航控制系统是一种典型的CPS,具有广泛的应用前景。通过建立汽车纵向行驶的数学模型,并基于CPS给出自适应巡航控制系统的结构,设计系统的状态机模型。基于Ptolemy分别设计前车、测量距离和本车的计算模型,构建系统的层次模型,在子模型中采用模态模式对基于时间的模型与状态机模型相结合的混合系统行为进行建模。仿真结果表明,该方法能满足自适应巡航控制系统的要求,保证系统的安全性。     

基于动态故障树的信息物理融合系统风险分析

针对信息物理融合系统（CPS）中的网络安全攻击会导致系统失效的问题，提出一种基于动态故障树的CPS风险建模及分析方法。首先，对动态故障树和攻击树集成建模，构建攻击-动态故障树（Attack-DFTs）模型；然后，分别采用二元决策图和输入输出马尔可夫链给出攻击-动态故障树中的静态子树和动态子树的形式化模型，并在此基础上给出攻击-动态故障树的定性分析方法，即分析网络安全攻击导致系统失效的基本事件路径；最后，通过一个典型的排污系统应用实例对方法的有效性进行验证。案例分析结果表明，所提方法能够分析CPS中由于网络安全攻击导致系统失效的事件序列，有效实现了CPS的综合安全评估。     

基于组合式访问控制模型在OA系统中的应用

本文研究了基于组合式访问控制模型及其在OA系统中的具体应用.该模型以角色访问为主,自主访问和强制访问为辅,减少了授权管理的复杂性,提高了授权的灵活性.本文就该模型在OA系统中的应用,提出了具体的实现方案,利用用户、角色、动态权限列表和动态菜单列表,实现了系统访问权限的灵活管理和动态控制.     

面向信息物理融合系统的多源异构数据交互模型

在信息物理融合系统（Cyber-physical system，CPS）中，传统多源异构数据集成模型难以通过中间件实现异构系统间的概念层关系映射，存在系统难以扩展和传输性能低等问题。基于上述问题和挑战，提出了一个面向CPS的异构数据交互模型。设计数据对象模型实现物理系统和仿真系统高层概念映射；定义监测类和控制类元数据，针对不同的数据类型使用增量或全量字段更新以降低网络负载；基于Protobuf协议设计系统的通信模型，提高系统的扩展能力。基于该数据交互模型和高层体系结构（High level architecture， HLA）/数据分发服务（Data distribution service， DDS）系统中间件实现了一个CPS原型系统，验证了模型的可用性并对比了报文的压缩性能。