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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种面向CPS软件的可信性评估框架

信息物理融合系统(Cyber Physical System,CPS)是一种新型复杂的网络化嵌入式系统,在CPS中存在多种软件通过网络进行交互,如何确保软件及其交互可信性是开发高可信CPS的基础.针对这一问题,提出一种面向CPS软件的可信性评估框架,该框架包括两个模型:可信性指标模型和可信性评估模型.可信性指标模型通过分析用户需求得到,而可信性评估模型则利用建立的可信性指标模型评估CPS软件及其交互的可信性.最后给出的实例分析,说明了提出框架的有效性.     

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。     

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.     

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.     

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.     

信息物理融合系统综合安全威胁与防御研究

信息物理融合系统（Cyber-physical system，CPS）是计算单元与物理对象在网络空间中高度集成交互形成的智能系统.信息系统与物理系统的融合在提升系统性能的同时，信息系统的信息安全威胁（Security）与物理系统的工程安全问题（Safety）相互影响，产生了新的综合安全问题，引入严重的安全隐患.本文介绍了CPS的概念与安全现状，给出了CPS综合安全的定义；在对现有安全事件进行分析的基础上，提出了CPS的综合安全威胁模型；从时间关联性和空间关联性的角度，对现有CPS攻击和防御方法进行了分类和总结，并探讨CPS综合安全的研究方向.     

Review on Cyber-physical Systems

Cyber-physical systems (CPS) are complex systems with organic integration and in-depth collaboration of computation, communications and control (3C) technology. Subject to the theory and technology of existing network systems and physical systems, the development of CPS is facing enormous challenges. This paper first introduces the concept and characteristics of CPS and analyzes the present situation of CPS researches. Then the development of CPS is discussed from perspectives of system model, information processing technology and software design. At last it analyzes the main obstacles and key researches in developing CPS.      

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。     

Cross-layer optimization for wireless multihop multicast networks

Cyber-Physical System (CPS) is envisioned to tightly integrate the cyber-world of computation, communication, and control with the physical world. CPS is typically designed as a networked system of interacting sensors, actuators, and embedded computing devices to monitor and control the physical world. Thus, one of the essential building blocks of such a system is a highly efficient networking infrastructure. In this paper, we aims to develop an efficient wireless networking technology which can be utilized in CPS. More specifically, we develop a cross-layer optimization model based on the Network Utility Maximization (NUM) framework and its distributed solution for wireless multihop multicast networks exploiting multi-user diversity. It is known that the capacity of a wireless network can be increased by exploiting different channel conditions at different users, i.e., multi-user diversity; however, it is yet to be determined how much performance gain can be achieved by exploiting multi-user diversity in wireless multihop multicast networks. To address this problem, we extend the NUM framework and derive a new optimization problem including the benefits of multi-user diversity for multicasting scenarios in wireless multihop networks under a probabilistic media access control (MAC). In our problem, multi-user diversity is achieved via opportunistic scheduling. Then, we propose a distributed approximation algorithm for the problem. Our numerical results confirm that the benefit of multi-user diversity is prominent in a wireless multihop network with multicast flows.     

基于博弈论的信息物理融合系统安全控制

对于远程复杂的操控系统，信息物理融合系统（Cyber-physical system，CPS）主要依靠无线网络实现从传感器到控制器，从控制器到执行器间的信息传输，由于其依靠网络传输数据的特性使其控制系统极易遭到安全威胁.本文从物理系统入手，意图保护CPS系统中物理实体的正常运行不受由于恶意攻击造成网络空间入侵带来的干扰.以受到数据包时序攻击的信息物理融合系统为研究对象，将其安全性研究抽象为一个博弈过程，基于非合作博弈的两人零和博弈模型，设计了可变延迟情况下鲁棒输出反馈的极大极小控制器.并且采用参数化的软约束二次型目标函数，在控制器设计时引入干扰衰减因子γ，通过对γ的取值使得二次型目标函数取极小值，从而保证了最差情况下的稳定控制，在满足γ的约束条件下，本文通过粒子群搜索算法得出γ的值.另外，本文还对所设计的极大极小控制器，与线性二次型高斯（Linear quadratic Gaussian，LQG）控制对比分析，用双水箱系统进行了仿真验证，发现在受攻击情况下本文所设计的控制器最终能够实现稳定控制，而LQG却不能.