一种分布式CPS异常检测的无监督图模型

在分布式信息物理融合系统（CPS）中，由于各子系统间的强耦合性，常常会因为故障的传播导致整个系统的物理故障和网络异常。针对这一问题，提出了一种新的基于数据驱动的框架用于检测系统范围内的异常。该框架是用于发现和表征CPS各个子系统间相互作用的一种基于符号动力学的时空特征提取方案，并将提取的特征通过受限玻尔兹曼机（RBM）学习到一个系统级的模型。实验结果表明，该框架可以通过一个图模型捕获CPS的多模态，同时可用于异常检测。     

化工过程安全运行的信息物理融合系统模型

针对化工过程对安全性面临的问题与挑战,以感知控制论(Perceptual Control Theory,PCT)的层次性和信息处理与环境交互特性为科学基础,提出一种将信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)的概念和感知控制论相结合的PC-CPS模型。以此为基础,考虑化工过程的特点,构建化工过程安全运行的信息物理融合系统模型。该系统模型具有实时监测、信息共享、故障诊断、故障预测和基于知识的决策建议等功能,并对物理空间感知技术、信息空间融合技术及系统模型的实时性等关键技术进行分析。最后,通过环己烷无催化氧化过程的信息物理融合监控系统为例,描述并验证该系统模型可以用于化工过程,改善了系统运行的安全性。     

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.     

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.     

基于相似度计算的信息物理融合系统自决策研究

信息物理融合系统(CPS)应用日趋广泛,如何使系统自主捕捉到复杂状态变化并做出相应动作是CPS的核心问题之一.针对此关键问题,结合强化学习算法提出一种基于相似度计算的CPS自决策方法(SCBRLA).该方法首先提取系统特征和系统目标状态特征,然后通过计算系统当前状态与目标状态的相似度决定采取相应动作及其顺序.该方法可较好地用于分析CPS服务在受到攻击时,系统采取的自适应决策.仿真结果表明该方法能够帮助CPS系统实现自决策,且与传统算法相比能获得更快的响应速度.     

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。     

基于Petri网的CPS系统安全量化分析模型

随着信息物理融合系统（CPS）的广泛应用,安全性已成为其研究的核心问题。由于CPS离散计算过程和连续物理世界交织的特性,传统的安全分析方式不能直接适用。通过将博弈理论和Petri网建模方法进行结合,提出一种GHPN方法对CPS系统建立量化的安全分析模型,该模型既能适用CPS离散连续混合结构的模型刻画,又可合理模拟系统攻防双方行为,基于最终生成的模型从系统可靠性、脆弱性、风险后果等方面进行安全分析。通过对飞机空中避撞系统的实例研究,表明该模型和分析方法的有效性。     

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拓扑结构节点重要性排序方法

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)拓扑结构中节点重要性排序是CPS拓扑分析的重要方面。针对CPS内在结构特征,构建一种CPS拓扑结构模型——交互网络模型。然后结合CPS信息交互特点定义节点交互介数作为衡量具体节点重要性度量,阐明该测度能够反映节点的相对重要度,并给出了时间复杂度为多项式阶的节点重要性排序有效算法。最后构建CPS拓扑实例进行分析,并与节点介数进行对比,说明节点重要性排序能够为CPS的运行和防护提供重要参考。     

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.      

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.     

煤矿自动化发展趋势

分析了煤矿自动化发展过程,即从单机自动化、综合自动化、矿山物联网到矿山信息物理系统CPS,指出煤矿自动化是一个逐步实现信息系统与矿山物理系统相融合的过程,单机自动化、综合自动化、矿山物联网和矿山CPS只是这个过程中不同时期所表现出来的特征;分析了综合自动化、矿山物联网在煤矿实际应用中存在的问题,即综合自动化和矿山物联网均未考虑信息与事件的置信度、未采用发布与订阅机制、未考虑物理世界的不确定因素、未将人及其行为作为煤矿自动化系统中的要素来考虑,指出要使信息系统与矿山物理系统融合得更加紧密,矿山CPS是煤矿自动化发展的必然趋势。     

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。     

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.     

集中式超大规模储能电站信息物理系统建模与可靠性评估

集中式超大规模储能电站与其控制系统逐渐发展成为信息物理系统(cyber physical system, CPS),信息技术和监控系统能够使超大规模储能电站应对多样化场景和满足不同的需求,但也带来一定程度的安全运行风险,因此对其进行可靠性建模和分析具有非常重要的意义.首先,建立超大规模储能电站的CPS模型,并分析物理侧与信息侧的交互影响;其次,对信息系统中多种信息扰动的可靠性状态进行建模分析,并提出储能电站CPS可靠性评估指标;然后,分别采用非序贯和序贯蒙特卡洛方法对超大规模储能电站的信息层和物理层元件进行抽样,并量化分析多信息扰动因素对超大规模储能电站CPS可靠性的影响;最后,通过算例仿真结果验证所提模型和方法的有效性,结果表明所提模型可为超大规模储能电站规划和运行提供有效技术支撑.     

焊接企业设计部门管理系统

通过对焊接企业生产工艺的分析与总结,设计开发了一套基于Oracle数据库平台的焊接生产信息管理系统。本系统将焊接生产流程的设计与管理集为一体,实现了焊接生产数据及文件的存储与管理等功能。其中设计部门管理系统作为核心子系统之一,是为了提高焊接设计部的管理水平与各类表单编制效率,同时也使得焊接相关经验知识能被有效地传承下来。     

欺骗攻击环境下具有执行器故障的跳变耦合 信息物理系统的同步控制

针对一类离散Markov跳变耦合信息物理系统(CPS)的同步控制问题,在考虑系统参数跳变、耦合参数跳变、控制信息不完全和人为攻击的情况下,设计同步控制器实现CPS的同步.首先,给出具有随机欺骗攻击和执行器故障的Markov跳变耦合CPS模型.其次,基于矩阵Kronecker积,得到同步误差系统,将CPS的同步控制问题转化为同步误差系统的稳定性分析问题.再次,通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,并利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法得到使同步误差系统稳定的充分条件,在此基础上,设计同步控制器实现对Markov跳变耦合CPS的同步控制.最后,通过数值仿真例子说明该同步控制器设计方法的有效性.     

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。