CPS系统体系结构顶层设计研究

美国国家基金委员会首次提出信息物理融合系统(CPS),该系统已被列于美国未来八大关键信息技术的首位。在归纳分析国内外CPS研究现状的基础上,为了实现CPS协调物理进程的目标,满足CPS的信息处理与物理控制功能性需求和实时性、可靠性、安全性、可适应性等非功能性需求,提出了3种视图的CPS体系结构。对CPS体系结构设计理论及方法进行了研究,最后展望了CPS未来的研究方向和技术挑战。     

信息物理融合系统

信息物理融合系统 (Cyber-physical system, CPS)是计算、通信和物理过程高度集成的系统,通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力,实 现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理,并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制. 分析了CPS的基本概念和特征,对CPS的体系架构、中间件系统、实时性、安全和隐私等关键技术的现有研究 成果进行综述,并提出了相应的研究思路;然后介绍了一些现有的CPS原型系统和实例,体现出CPS的优越性; 最后对CPS和传感器网络(Wireless sensor network, WSN)、物联网(The internet of things, IOT)、网络控制系统(Networked control systems, NCSs)进行了对比分析,总结了CPS现有研究中存在的问题,并展望了CPS的发展方向.     

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.     

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。     

CPS技术发展研究

CPS(Cypber-physical-system),即信息物理融合系统,是当今新兴的多学科交叉研究领域之一,被誉为是下一代网络技术发展的方向。信息-物理融合系统描述了一类复杂的系统,这类系统融合了计算机科学、控制科学和通信科学等多门学科。本文主要围绕CPS关键技术,讨论了CPS的基本概念和应用,并通过对CPS与物联网的比较,从实时性和不确定性,以及节点设计等方面系统的分析,综述了CPS的研究现状,讨论了目前存在的问题和需要进一步研究和解决的课题。     

基于堆叠极限树集成算法的信息物理系统入侵检测方法

信息物理融合系统(Cyber-Physical systems,CPS)是由信息系统和物理系统融合而成,从而引入了信息系统中普遍存在的安全隐患.传统信息系统的入侵检测算法专注于检测的准确率而忽略算法的复杂度和实时性,不适用于CPS.为了解决CPS入侵检测的实时性问题,提出一种结合相关性特征选择的堆叠极限树集成算法(CFS-SET).针对CPS中数据特征众多的特点,使用基于相关性的特征选择算法(Correlation-based Feature Subset Selection,CFS),去除不相关和冗余特征.采用堆叠极限树算法,进行入侵行为检测.基于Power System Dataset进行实验,结果表明,CFS-SET算法在保证分类准确率的同时,可以节省训练和预测计算时间,满足CPS对实时性的要求.     

信息物理系统中基于保护阈值的实时调度算法研究

信息物理融合系统CPS是一种融合计算、通信与控制的新型复杂实时分布式系统,系统中计算过程和物理过程在开放环境下持续交互、深度融合。为了对物理世界的信息作出实时反馈,系统一般会采用抢占式调度的方法,保障关键任务能够在截止期前完成。但是,分布式环境中抢占式调度方式容易导致频繁的任务切换,影响系统的实时性。提出了基于保护阈值的调度算法,通过建立保护阈值模型,最大化低优先级任务的执行时间,减少任务切换次数。通过实验验证,算法有效地减少了任务切换次数,提高了CPS系统的实时性能。     

描述CPS物理实体的时空Petri网模型

时间Petri网在经典Petri网的基础上引入了时间因素,不仅能分析逻辑层次的系统性能,还能分析时间层次的系统性能,然而包含空间因素的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)的产生需要对时间Petri网进行拓展。CPS集成计算系统和物理系统,不仅能够实时感知物理环境信息,并且能够通过物理实体改变物理环境。对CPS的物理层面特点进行了深入分析,研究了CPS物理实体的属性及其位置变迁过程,提出了一种CPS物理实体的形式化建模方法。在时间Petri网的基础上引入了空间因素,构造了时空Petri网模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为,并且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。最后以机器人控制系统为例,进一步阐述了时空Petri网模型的有效性。     

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.     

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.