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.     

信息世界和物理世界的深度融合——浅谈CPS及其应用

信息物理融合系统(CPS)是一种融合了计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统,系统中计算过程和物理过程在开放的环境下持续交互、深度融合与相互作用,一体化的实现开放嵌入式计算、网络化实时通信与远程精确控制等先进功能。本文先介绍了CPS的概念及特性,然后分析CPS的典型应用场景:林业监控、精准农业、智能医疗等领域,在文章的最后部分对CPS的未来进行展望并指出发展方向。     

CPS网络体系结构及关键技术

Cyber-physical system(CPS)是未来通信网络的一种重要发展方向.CPS是集合物理、生物及工程学的综合性系统,具有局部操控、全局控制的特点.这种新兴的网络系统引起了研究界极大的兴趣.在简要介绍CPS网络与其应用领域的基础之上,分析了CPS系统在网络体系结构的研究热点问题.最后进行总结并展望了CPS网络未来的研究方向与重点.     

信息-物理融合系统若干关键问题综述

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)集成了计算系统与物理系统,并通过嵌入式计算机与网络实现了两者之间的协作和融合,将对人们的生产和生活方式产生重要影响.CPS是一个全新的研究领域,利用现有基础理论和技术设计CPS时面临着众多问题.介绍了CPS的概念、特点和体系结构,分析了与嵌入式系统、网络的关联,从计算系统、网络系统和控制系统3个方面概括了CPS设计面临的主要挑战,并着重探讨了当前一些可用于CPS设计的理论和技术以及CPS研究的最新进展,指出CPS当前的发展应以解决系统抽象层次设计、系统建模、体系结构设计、数据传输和管理、子系统集成方面的问题作为其下一步发展主要的研究方向,并提出了一些可行的解决办法,可为相关研究提供参考.     

基于扩展混成Petri网的CPS无人车系统建模与分析

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)是一个集计算系统、通信系统、感知系统、控制系统和物理系统于一体的复杂系统,其行为是一种由离散计算过程与连续物理过程深度融合并紧密交互的混成行为。针对这种特性,采用混成Petri网对CPS建模,并在此基础上添加时间约束,即对离散变迁关联一个延迟时间,对连续变迁关联一个激发速率函数,同时引入抑止弧和测试弧的概念以提高Petri网的表达能力,由此提出一种新的模型——扩展混成Petri网模型。然后,对CPS应用中无人驾驶车辆系统的躲避障碍物场景进行建模,将建立的模型按照一定的规则转化为与之对应的Simulink模型,并通过Matlab仿真对系统行为及属性进行分析。     

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.     

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.     

离散事件系统框架下信息物理系统攻击问题综述

信息物理系统(cyber physical system, CPS)由受控对象、传感器、执行器、监控器和通信网络组成,通信网络的使用增加了信息物理系统面临外部攻击的风险.鉴于此,综述基于离散事件系统框架处理信息物理系统攻击问题的相关研究工作.首先对信息物理系统进行简要介绍;然后对信息物理系统中的攻击进行分类;最后重点阐述信息物理系统中攻击策略的设计、攻击的检测与防御以及攻击鲁棒性监控器设计的研究现状.     

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。     

信息物理融合系统网络安全综述

信息物理融合系统（cyber-physical systems， CPS）是集计算、通信和控制于一体的智能系统，实现网络和物理的深度协作和有机融合.目前CPS在关键的基础设施、政府机构等领域发挥着越来越重要的作用.由于物理限制，计算机和网络产生的安全漏洞会导致CPS遭受巨大的破坏，同时还会引起经济损失、社会动乱等连锁反应，所以研究CPS的安全问题对于确保系统安全运行具有重要意义.本文结合国内外的研究现状，概述了CPS安全控制和攻击检测的最新进展.首先本文总结了CPS典型的系统建模以满足对系统性能分析的需要.然后介绍了3种典型的网络攻击，即拒绝服务攻击、重放攻击和欺骗攻击.根据检测方法的类别，对CPS攻击检测的发展进行的概述.此外还讨论了系统的安全控制和状态估计.最后总结和展望了CPS网络安全面临的挑战和未来的研究方向.     

A Comprehensive Overview of Cyber-Physical Systems: From Perspective of Feedback System

Cyber-physical systems (CPS) are characterized by integrating cybernetic and physical processes. The theories and applications of CPS face the enormous challenges. The aim of this paper is to provide a latest understanding of this emerging multi-disciplinary methodology. First, the features of CPS are described, and the research progresses are summarized from different components in CPS, such as system modeling, information acquisition, communication, control and security. Each part is also followed by the future directions. Then some typical applications are given to show the prospects of CPS.      

A co-simulation framework for design of time-triggered automotive cyber physical systems

Designing cyber-physical systems (CPS) is challenging due to the tight interactions between software, network/platform, and physical components. Automotive control system is a typical CPS example and often designed based on a time-triggered paradigm. In this paper, a co-simulation framework that considers interacting CPS components for assisting time-triggered automotive CPS design is proposed. Virtual prototyping of automotive vehicles is the core of this framework, which uses SystemC to model the cyber components and integrates CarSim to model the vehicle dynamics. A network/platform model in SystemC forms the backbone of the virtual prototyping. The network/platform model consists of processing elements abstracted by real-time operating systems, communication systems, sensors, and actuators. The framework is also integrated with a model-based design tool to enable rapid prototyping. The framework is validated by comparing simulation results with the results from a hardware-in-the-loop automotive simulator. The framework is also used for design space exploration (DSE).     

混成时空Petri网的CPS实时事件模型

在分析网络物理系统（ CPS）特点的基础上,提出了一种新的CPS体系结构,并对事件进行形式化定义。提出了一种新的CPS物理实体的形式化建模方法。在Petri网的基础上引入时空因素和连续变量,构造了混成时空Petri网（ HSPN）模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑和时间层次的行为,而且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。将其应用于实时事件CPS模型设计,以医疗控制系统为例,分析建模方法的可行性。     

A generic tri-model-based approach for product-level digital twin development in a smart manufacturing environment

Smart manufacturing, as an emerging manufacturing paradigm, leverages massive in-context data from manufacturing systems for intelligent decision makings. In such context, Cyber-Physical Systems (CPS) play a key role in digitizing manufacturing systems and integrating multiple systems together for collaborative works. Amongst different levels of smartness and connectedness of CPS, Digital Twin (DT), as an exact digital copy of a physical object or system including its properties and relationship with the environment, has a significant impact on realizing smart manufacturing. A DT constantly synchronizes with its physical system and provides real-time high-fidelity simulations of the system and offers ubiquitous control over the system. Despite its great advantages, few works have been discussed about DT reference models, let alone a generic manner to establish it for smart manufacturing. Aiming to fill the gap, this research introduces a generic CPS system architecture for DT establishment in smart manufacturing with a novel tri-model-based approach (i.e. digital model, computational model and graph-based model) for product-level DT development. The tri-model works concurrently to simulate real-world physical behaviour and characteristics of the digital model. To validate the proposed architecture and approach, a case study of an open source 3D printer DT establishment is further conducted. Conclusions and future works are also highlighted to provide insightful knowledge to both academia and industries at last.     

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.