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.     

关键基础设施网络安全技术研究进展

通过对关键基础设施的网络安全现状进行总结,对关键基础设施的安全威胁进行了分类,着重对信息物理融合系统在受到网络攻击时采用的数据词典、证据理论、博弈论等方法进行网络安全防护深入分析,着重分析了基于信任理论的信息物理融合系统的防御方案,阐述了关键基础设施的相关性与脆弱性之间的关系,总结了现有主要的关键基础设施网络安全的模拟技术,对比分析了现有的仿真技术的特点.最后提出了关键基础设施网络安全技术值得深入研究的发展方向.     

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.     

走向社会信息物理生产系统

随着信息物理系统（Cyber-physical system,CPS）融合深度和融合广度的不断增加,信息物理生产系统（Cyber-physical production system,CPPS）呈现出显著的社会化趋势.通过对信息物理生产系统相关技术的研究,分析了信息物理生产系统的社会化演进历程,建立了社会信息物理生产系统（Social cyber-physical production system,SCPPS）模型;根据人与智能体的信息物理交互行为差异,基于对人类社会行为特点的分析,类比研究了智能体社会与人类社会融合的广义互联社会特点;归纳出信息物理系统的七种交互模式及其在社会信息物理生产系统中的应用;总结出社会信息物理生产系统面临标准化、人性化和安全化的挑战问题.     

基于模糊协同交互型观测器的柔性关节机械臂信息物理融合系统的安全控制

本文研究了柔性关节机械臂信息物理融合系统 (Cyber-physical systems, CPS) 在传感器测量和执行器输入受到网络攻击时的安全控制问题. 首先, 用T-S 模糊模型描述柔性关节机械臂 CPS, 描述后的模型可能存在不可测量或可测量但受传感器攻击影响的前件变量(Premise variables, PVs), 这些 PVs 直接用于构建模糊控制器会影响控制器的控制效果. 因此, 提出一类模糊协同交互观测器来构造新的、可靠的、可利用的 PVs. 同时, 该观测器能够与包含攻击估计误差(Attack estimation error, AEE)信息的辅助系统进行协同交互. 与已有结果相比, 所提出的观测器通过协同交互结构, 充分利用了 AEE 信息, 提高了攻击信号的重构精度. 在此基础上, 提出了一种具有攻击补偿结构的安全控制方案, 从而消除了传感器和执行器攻击对柔性关节机械臂CPS 性能的影响. 仿真结果验证了所提出的安全控制方案的有效性.     

面向文本描述的CPS资源能力知识图谱构建

信息物理融合系统(cyber-physical system, CPS)在社会生活中发挥越来越广泛的作用. CPS资源的按需编排建立在CPS资源的软件定义基础上,软件接口的定义则依赖对CPS资源能力的充分描述.目前, CPS领域内缺少一个能规范表示资源及其能力的知识库和构建该知识库的有效方法.面向CPS资源的文本描述,提出构建CPS资源能力知识图谱并设计一种自底向上的自动构建方法.给定资源,所提方法先从其代码和文档中提取资源能力的文本描述信息,并基于预定义的表示模式生成规范化表示的能力短语.然后,基于动宾结构的关键成分对能力短语进行划分、聚合与抽象,生成不同类型资源的能力层次化抽象描述.最后,构建资源能力知识图谱.面向Home Assistant平台,构建了包含32个资源类别、957个资源能力的知识图谱.图谱构建实验从不同维度对比分析了手工构建和所提方法自动构建的结果.实验表明,所提方法为CPS资源能力知识图谱的自动化构建提供可行途径,有助于减少人工构建工作量,补充CPS领域内资源服务与能力的描述,并提高图谱的知识完备性.     

能量收集信息物理融合系统抢占阈值调度

在能量收集信息物理融合系统(energy harvesting based cyber-physical systems, EHCPS)中,其能量管理体系结构不同于传统电池供电嵌入式系统,任务调度策略需要考虑能量收集单元的能量输出、电池的能量存储和计算任务的能量消耗.实时任务在满足能量约束的情况下,才能满足时间约束.传统抢占阈值调度的可调度性分析没有考虑任务的能量属性,其阈值分配算法也不适用于EHCPS.针对此问题,提出了一种能量相关抢占阈值调度策略(energy related preemption threshold scheduling, ERPT),在可调度性分析中融入任务能耗属性和能量补充能力,并给出了阈值分配算法,为抢占阈值调度在EHCPS中的应用提供了一种解决方法.通过与目前现有的2个经典调度策略进行比较,验证了ERPT策略能够有效减少任务抢占.     

基于NuSMV的AADL行为模型验证的探究

鉴于模型在软件系统开发中日趋重要的地位和AADL模型在嵌入式软件建模中的良好应用前景,为了在嵌入式软件系统开发前期保证AADL模型的质量,提出了一种基于模型测试的AADL架构和NuSMV模型的验证方法。文中首先对当前的AADL发展情况作简单介绍,然后对NuSMV验证模型的结构作大致分析,在随后的文章中对NuSMV的验证过程作详细的介绍。与此同时,使用具体的汽车巡航控制系统作为实例进行具体分析。文中通过测试用例执行输出进行验证来判断该方法的正确性。     

处理顺序约束的信息物理融合系统静态任务表调度算法

针对异构环境并行计算的静态任务调度问题,以最小化有向无环图 (Directed acyclic graph, DAG)的执行跨度为目标,改变HEFT (Heterogeneous earliest finish time)算法中任务上行权重的计算方法, 获得更加合理的任务顺序排列,提出了一种最早完成时间优先的表调度算法IHEFT (Improvement heterogeneous earliest finish time).该算法在计算任务的上行权重时, 分别计算该任务分配给不同资源的上行权重,取其最小值,比使用所有资源对该任务的平均处理时间进行计算的HEFT算法更为准确. 确定任务的处理顺序后采用最早完成时间越小越优先的策略将任务分配给最优资源,并使得任务的开始执行时间和结束时间满足DAG中有向边的通讯时间约束.通过使用部分文献中的算例数据以及随机生成满足一定结构要求的DAG进行算法测试,将IHEFT与HEFT, CPOP (Critical-path-on-a-processor)和LDCP (Longest dynamic critical path)进行了比较,结果显示IHEFT算法更有效,而且时间复杂度较低.     

基于CPS的风洞群动力系统一体化保障体系架构设计与实现

风洞群动力资源系统具有分布分散、结构复杂、集成度高的特点,缺乏故障预判、维修策略建议、危险源监测等手段.为提高系统的管理水平和维修保障效能,基于信息物理系统(CPS)思想,构建包括\"状态感知、实时分析、科学决策和精确执行\"4个环节的全闭环保障体系架构,以工单为中心,以工单形成、提交、审批、执行、反馈为主线,将监测分析、设备健康评估、故障诊断、维修维护、维修效果评估、设备健康管理知识库、IETM和便携式维修辅助终端进行集成,初步形成了一体化的动力系统综合保障方案,为动力系统的使用、维护、培训等工作提供了系统、全面的技术支撑.     

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.     

基于大维数据驱动的油气管网泄漏监控模糊决策方法

输油管网状态量多及工艺复杂,难以建立精确的管网数学模型,为了能够实时监控管网的安全运行情况,本文提出一种基于大维数据驱动的管网泄漏监控模糊决策方法.首先利用管网现有的数据信息,在不对数据进行降维处理的情况下,从信息物理系统的角度出发,将油气管网的拓扑结构、阀门开度等管道物理数据以及压力、流量等运行信息数据结合起来对复杂管网系统建立数据驱动模型.然后基于大维随机矩阵谱理论,将得到的信息物理数据协方差矩阵谱分布及圆环率作为模糊决策的条件对管网运行情况进行判断.当管网拓扑发生动态变化时,提出的方法可以有效地解决误报率高的问题.最后通过仿真及实例的分析,可以证明所提出方法的有效性.     

基于增广混合Petri网的CPS事件建模

信息物理融合系统是一类将信息系统和物理系统连接并融合在一起的混合系统,包含了感知、通信、计算与控制等多种技术,其系统操作既包括离散的计算过程,又包括连续的物理过程.针对此特性,提出一种以事件为驱动、以数据为核心的增广混合Petri网模型.首先,CPS具有事件驱动的内在属性,为事件定义1个用于赋予数据值的变量因子,以数据...     

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。     

一种自适应的月球车驱动控制算法

月球车的驱动控制是控制月球车按照期望速度运动的控制器。为使月球车快速稳定地达到期望速度,要求控制算法具有很强的鲁棒性,并且使系统的响应速度尽可能的快。论文提出一种方法:通过单神经元自适应算法求出控制月球车的合力和合力矩,再利用拉格朗日算法求得每个执行器的控制量。仿真实验表明此算法有很好的鲁棒性和自适应性,为月球车的控制应用提供了理论依据。