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.     

基于对象时空Petri网的CPS建模与仿真

信息物理融合系统（CPS）是一个融合了计算、控制、通信和物理元素的分布式实时反馈系统,但传统的建模方法无法满足CPS对时空性能要求较高的情况。为此,提出结合对象特征的对象时空Petri网（DS-OPN）建模方法。首先,将面向对象封装技术、时空元素融入Petri网中,设计空间和时间描述规则,将相同对象下的场景元素封装到同一对象子网系统模型中。其次,定义聚合规则,聚合各个子网模型,使这些模型能够描述CPS物理拓扑环境中的对象变化过程。最后,以交通CPS为例,建模和仿真分析自主控制超车系统的动态行为;同时,建立模型的可覆盖性树和关联矩阵分析验证模型的可达性、安全性等性质。实验结果显示,DS-OPN建模方法建立的模型对系统流程的逻辑结构表现清晰,对时空因素的计算准确,在实时性和安全性上能满足CPS的要求,验证了该建模方法的有效性和安全性。     

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。     

面向CPS系统仿真的建模方法研究与设计

CPS仿真建模在构建CPS系统时具有重要意义,不仅能够在系统开发过程中对系统进行验证和测试,而且是模型驱动开发中的重要环节。CPS系统通过精化和提炼可分为物理实体和计算实体,采用具有动态连续性、基于时间的运动状态行为模型构建物理实体;计算实体模型则采用基于有限状态机的离散系统行为模型进行构建。通过面向时间的状态精化对两种行为模型进行扩展,将两种扩展模型进行融合,完成CPS系统的建模仿真。分析了构建计算实体模型的统一建模语言(UML)以及构建物理实体模型的simulink/RTW建模工具的可行性,提出了基于UML框架的两种异质模型融合方法。     

基于扩展DPN的CPS混成行为时效建模与综合评估

信息物理融合系统行为是一种由离散计算过程与连续物理动态过程深度融合并紧密交互的混成行为.在CPS设计早期对信息系统实体的信息实体的关键监控参数、实时指标,以及物理系统设施的连续行为规律进行综合评估,是这类系统进一步设计与实现的基础.基于扩展DPN语义,以某智能车CPS系统自主行进紧急避障过程为研究对象,建立了其信息物理混成行为的Petri网模型,以融合并集中体现各关键参数和指标的时序协作效应;通过对该模型的仿真运行,实现了CPS行为的在线观测与综合评估.该方法为CPS子系统关键设计指标的综合合理性评估及其组合设计提供了一种解决途径.     

面向CPS时空约束的资源建模及其安全性验证方法

信息物理融合系统CPS(Cyber Physical System)是在环境感知的基础上,集合物理与计算的系统,可以实现与环境的智能交互.CPS信息物理空间的不断变化对CPS资源安全性造成一定的挑战.因此,如何研究这一类由时空变化而导致的CPS资源安全性问题成为关键.本文针对该问题提出了面向CPS时空约束的资源建模及其安全性验证方法.首先, 在TCSP(Timed Communicating Sequential Process)的基础上扩展资源向量,提出时空资源通信顺序进程DSR-TCSP(Duration-Space Resource TCSP),使其能够描述CPS拓扑环境下的资源;其次,从时空约束的资源安全性需求中获取时间安全需求,通过DSR-TCSP的时间属性验证算法对时间安全需求进行验证;再次,将满足时间安全需求的模型转换为偶图与偶图反应,并输入到偶图检验工具BigMC中,验证其物理拓扑安全需求,对没有通过验证的反例,修改DSR-TCSP模型,直至满足所提出的安全需求;最后,通过一个驾驶场景实例,验证该方法的有效性.     

面向CPS时空性质验证的混成AADL建模与模型转换方法

随着信息物理融合系统CPS （Cyber Physical System）研究的深入,CPS的安全性问题越来越受到人们的广泛关注,如何验证CPS时空不一致的安全性问题已经成为研究热点.本文针对该问题提出了面向CPS时空性质验证的混成AADL （Architecture Analysis&Design Language）建模与模型转换方法.首先,扩展AADL行为附件的时空描述能力,提出混成AADL （Hybrid Architecture Analysis&Design Language）,用于建模CPS的时空性质;其次,在进程代数中引入微分方程以及位置描述提出HP-TCSP,能够验证CPS的时空性质;再次,通过模型转换将混成AADL转换为HP-TCSP,从而可以将混成AADL描述的CPS模型在HP-TCSP中进行时空一致性验证;最后通过一个飞机避撞系统实例,验证该方法的有效性.     

一种基于事件-响应关系的Cyber系统行为模型

CPS(Cyber-Physical System)系统中的Cyber系统旨在根据用户要求,应用计算、通信和控制等技术实现对现实世界物理行为的精准控制.物理行为是连续和并发的,而Cyber行为是离散的,这种异构性给Cyber系统行为的分析和设计带来了巨大的挑战,迫切需要一种精确的模型来捕获Cyber系统与外界的交互行为语义.按照行为角色的不同,分析了CPS系统的抽象组成架构,阐述了各实体的行为;提出了一种基于事件-响应关系的Cyber系统行为模型,给出了事件的形式化定义和各类事件的形成规则的语法和语义,对事件的属性取值条件和时序特性进行了详细刻画;在此基础上,定义了事件-响应关系模型的语法和语义;最后以智能探测车为例,分析了该模型在Cyber系统设计与开发中的作用,并提出了进一步的研究工作.     

CPS系统物理实体时空一致性建模与分析

CPS作为一个混合系统,是计算系统和物理系统的集中体现,注重计算进程和物理进程行为一致性分析与刻画。传统建模方式只针对物理进程和计算进程进行单一建模,难以满足CPS物理实体状态转移时空一致性的要求,在此基础上提出一种新的建模方法。将CPS时空状态转移融合成一个状态转移实时时空事件,并在时间Petri网基础上引入空间标签,建立时空Petri网模型,利用时空Petri网对物理实体状态转移过程进行分析。最后通过列车控制系统实例进一步分析了时空模型的有效性,从而例证了该方法的可行性。     

基于AOP的时空Petri网的CPS建模

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)作为一系列物理过程和计算过程的紧密集成,体现为物理世界和信息世界的交互与融合。针对CPS的时空及非功能属性,提出一种面向方面的时空Petri网建模方法,在保证时空一致性的前提下,分离系统中的核心关注点和横切关注点,将横切关注点单独作为方面进行分析,并将构建规则方面重新织入系统。该方法在系统设计阶段可以对不同的非功能属性进行形式化分析,提高了系统的可靠性和可维护性。最后通过实例说明了该方法的可行性。     

智慧物理系统及其建模与仿真框架

智慧物理系统(cPs)是一个综合计算、通讯和控制的多维复杂系统.首先分析了智慧物理系统的特点以及对现有分布式建模与仿真技术的挑战,进而提出了一种扩展的HLA建模与仿真框架.讨论了四方面新技术,即基于MDA的建模技术,基于协同本体的知识融合技术,资源管理联邦技术,以及互配RTI技术.该框架将目前的HLA的单层结构扩展为双层结构,即资源联邦层与应用联邦层.它实现了基于MDA实现CPS的语义建模,支持多联邦的协同并发运行,以松耦合集成的方式实现大规模、异构CPS的建模与仿真.     

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。     

基于异构模型融合的CPS系统仿真建模方法研究

单一的离散系统仿真或连续系统仿真已无法满足复杂的CPS系统仿真需求。结合CPS一体化模型的3类 实体,对计算实体构建基于事件驱动的离散事件仿真模型(UML模型),对物理实体构建基于动态连续时间坐标的连 续时间仿真模型(Simulink模型),并以刻画计算实体和物理实体的交互接口和行为特征为目的,进行协同仿真,构建 交互实体模型。给出并分析了UM工丫Simulink协同建模的优点,研究并分析了3种不同的模型融合方法,结合无人机 模型,从模型级对CPS一体化模型的融合进行了分析设计。     

基于AADL的CPS系统分析与设计

信息物理融合系统CPS(Cyber Physical System)的建模需要融合离散计算实体与连续物理实体,而传统的建模方法却是分别对两者进行建模,缺乏对两者相互融合的抽象。针对这种情况,利用结构分析与设计语言AADL(Architectural Analysis and Design Language)在基于模型开发上的优势,对AADL所不能支持的时空、行为、动态连续等方面进行扩展,通过比较现有元胞自动机、Modelica与AADL的区别与关联后,提出相应的变换公式将两者用AADL的形式表达。以车联网CPS系统为案例,详细描述系统的组成与建模过程,并对该模型在系统体系结构、端到端的流延迟等方面进行分析验证,证实该方案的可行性与正确性。     

一种基于LHPN的信息物理融合系统模型验证方法

由于信息物理融合系统(CPS)的硬件集成度和软件参与度不断提高,大量软件与硬件间异构连通并相互控制,使得CPS的分析设计、建模与验证也愈加困难,由此引起模型的状态空间膨胀问题。提出利用带标记混合Petri网方法对CPS进行建模和验证研究,在CPS中采用模型检测和定理证明相结合的形式化方法,对试图解决系统验证时状态空间膨胀问题供理论依据。提出一种自动抽取及其简化模型的方法,在容错温度传感器系统中的初步实验结果表明该方法是可行的,通过一个实例原型的应用说明了该方法的有效性。     

信息物理融合系统研究综述

信息物理融合系统(Cyber-physical systems, CPS)是多维异构的计算单元和物理对象在网络环境中高度集成 交互的新型智能复杂系统,具有实时、鲁棒、自治、高效和高性能等特点.本 文首先介绍了CPS的概念和特征,综述了CPS的当前发展状况与应用前景;其次, 对CPS的系统构成进行了简要分析,讨论了CPS与相关技术的区别与联系;最后, 对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望.     

基于面向对象Petri网的煤矿CPS建模

针对煤矿CPS的特点,利用面向对象Petri网对其进行建模.从多Agent系统的角度,建立煤矿CPS的体系架构;建立该体系中各对象内部的子网模型;通过对煤矿CPS的业务流程分析,建立系统对象间的整体模型,描述各对象内部的静态、动态特性以及对象间的交互过程;对所建模型进行系统可靠性分析,分析结果表明,所建立的煤矿CPS模型具有良好的性能.该建模方法可提高系统的可靠性、可维护性和扩展性.     

面向实时数据的CPS一体化建模方法

信息物理系统（cyber-physical system，简称CPS）是一个在环境感知的基础上整合了物理和计算元素的系统，它可以智能地响应真实世界的动态变化，具有重要而广阔的应用前景.然而，CPS工作在复杂的物理环境中，周围的物理变化会对CPS的行为产生影响.因此，确保CPS在复杂环境中的安全性和可靠性至关重要.提出了一种面向实时数据的一体化建模方法，通过定义一系列的规则，将领域环境模型组合到运行时验证过程中去，从而保证CPS在不确定环境中的安全性和可靠性.该方法首先为环境建立数学模型.然后，设计合并规则将相同系统参数下仅有一个环境影响因子的数学模型合并为相同系统参数下有一个或多个环境影响因子的数学模型.之后，定义转换规则，将数学模型转换为伪代码表示的环境模型.最后，根据组合规则将环境模型组合到运行时监视模型中执行验证.该方法使得监视模型更加完整、准确，当环境发生变化时，通过动态调整参数范围使得CPS中的安全属性在复杂的物理环境中仍然得以满足.将该方法应用到移动机器人避障实验中，对影响电池容量的温度和湿度进行数学建模，然后将环境模型组合到监视模型中去，最终实现在执行任务前可以根据不同的物理环境准确地给出续航时间安全提醒.     

面向服务的信息物理融合系统建模与验证

针对信息物理融合系统(CPS)中建模与验证面临的问题与挑战,基于服务组合的思想,提出一种CPS建模与验证方法。首先,综合分析已有研究成果,提出一种CPS的组成结构,包含物理世界、感知系统、信息处理系统、控制系统及时间约束。基于该结构提出CPS资源的服务分类及组成框架,并利用时间自动机理论,提出CPS物理环境建模方法、CPS原子服务建模方法及服务组合方法。最后,通过案例设计和模型检测工具Uppaal,分别对系统安全性、可达性、活性及时间约束四种类型的性质进行了相关验证。结果表明,系统通过了这些性质的验证,这也证明了面向服务的CPS建模方法的正确性。     

基于城市信息单元的多源时空数据融合框架

建设智慧城市可有效提升城市治理与运行能力、打破城市发展困境。为探索如何基于物理-数字空间交融中的时空大数据提供面向城市管理的智能服务,该文在解析多源、多维、异构时空大数据语义关系的基础上,提出多源时空大数据透明融合框架。为实现这一目标,该文进一步提出“城市信息单元”的概念作为构建物理-数字空间交融的数据组织基础,首先,对多源、多维、异构时空大数据进行主动汇集、语义解析,完成地理知识时空构建,依据唯一数据编码,将数据信息映射至城市信息单元;然后,建立数据匹配模型和关联模型,搭建数据透明融合框架,结合多源异构数据要素匹配技术,构建时空数据透明融合规则库;最后,在众多融合方法的支持下,实现城市实体与时空多源时空数据的透明融合。借助城市信息单元与数据编码,实现城市实体与时空大数据动态融合方法体系,进而为用户提供智能化信息服务。