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。     

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.     

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。     

基于扩展Petri网的汽车CPS建模

信息物理融合系统是将物理世界与信息系统混合的混合系统,包括了设备感知、网络通信、计算与控制设备等多种组件,其系统操作既包括离散又包含连续的过程。针对上述CPS诸多复杂的特性,将以一种以数据驱动事件的扩展Petri网模型对CPS进行建模。首先,对事件的描述引入时间和空间属性;其次,引入条件变迁描述库所令牌的变化情况;最后对装有前撞预警系统的车辆进行Petri网的建模分析。     

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。     

基于面向对象Petri网的煤矿CPS建模

针对煤矿CPS的特点,利用面向对象Petri网对其进行建模.从多Agent系统的角度,建立煤矿CPS的体系架构;建立该体系中各对象内部的子网模型;通过对煤矿CPS的业务流程分析,建立系统对象间的整体模型,描述各对象内部的静态、动态特性以及对象间的交互过程;对所建模型进行系统可靠性分析,分析结果表明,所建立的煤矿CPS模型具有良好的性能.该建模方法可提高系统的可靠性、可维护性和扩展性.     

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。     

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.     

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。     

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。     

一种基于LHPN的信息物理融合系统模型验证方法

由于信息物理融合系统(CPS)的硬件集成度和软件参与度不断提高,大量软件与硬件间异构连通并相互控制,使得CPS的分析设计、建模与验证也愈加困难,由此引起模型的状态空间膨胀问题。提出利用带标记混合Petri网方法对CPS进行建模和验证研究,在CPS中采用模型检测和定理证明相结合的形式化方法,对试图解决系统验证时状态空间膨胀问题供理论依据。提出一种自动抽取及其简化模型的方法,在容错温度传感器系统中的初步实验结果表明该方法是可行的,通过一个实例原型的应用说明了该方法的有效性。     

基于带抑制弧的Petri网表示的嵌入式系统模型的子网化简

基于Petri网表示的嵌入式系统PRES+(Petri net based Representation for Embedded Systems)模型可以描述实时嵌入式系统。为了提高PRES+的建模能力,将抑制弧加入PRES+模型中,得到基于带抑制弧的Petri网表示的嵌入式系统PIRES+(Petri net with Inhibitor arcs based Representation for Embedded Systems)模型。PIRES+模型提高了建模和验证复杂嵌入式系统的能力,但是在建模和验证过程中存在状态空间爆炸问题。为了缓解这一问题,提出两种PIRES+模型的子网的化简规则,使得简化后的模型与原模型具有相同的可达性、实时性和功能性。     

基于Petri网和Agent的复杂适应系统建模

针对复杂适应系统内部关系繁杂、难于描述及计算机仿真建模困难等问题,提出一种基于时间Petri网和多Agent相结合的建模方法.以Agent为基本建模元素,用Petri网描述Agent内部的行为规则,实现复杂适应系统的Petri网与多Agent相结合的有机建模,可避免Petri网建模引起的模型空间爆炸和Agent内部推理...     

基于Petri网的CSP并发系统验证技术研究

通信顺序进程(CSP)和Petri网是两种重要的并发系统建模工具。CSP语言具有高度抽象性,可有效刻画并发进程之间的各种相互作用,但在物理结构的描述与验证分析方面显得不足。Petri 网是一种形式化、图形化的并发系统建模和分析工具,侧重于系统的物理结构描述和性质分析。结合两者优点,首先利用CSP描述待验证的并发系统,然后将其转化为Petri网来分析系统的动态行为特性,最后利用性质分析工具TINA对系统性质进行分析和验证。实验结果表明,传统的CSP进程性质验证工具不能验证CSP进程的安全性,但其转化为Petri网后可有效地分析出导致安全性不能满足的危险因素,从而扩大了CSP描述的并发系统可验证性质的范围。     

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.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...     

主动数据库规则集的Petri网建模

讨论了利用Petri网作为建模工具对主动数据库中ECA规则集的建模问题.建立了存储ECA规则状态的Pelri网子网结构,用此子网可构造出单奈规则的Petri网结构,再由单条规则的Petri网构造整个规则集的Petri网模型.结果表明,用Petri网建模能准确地表达主动数据库规则集的语义,并且有利于进一步分析规则集的动态行为特征.     

面向对象Petri网的约简和系统死锁的检测

提出一套保持面向对象Petri网性质的约简规则和检测方法。该方法运用面向对象的概念和技术,为对象子网进行分层,且在保持子网性质的前提下,利用约简规则依次简化每层对象子网,并同时检测对象子网以及相应对象子网间的死锁关系,直到所有对象处理完毕。最后通过实例对所提出的方法进行了验证,验证结果表明该方法的提出大大减少了网中的节点,有效降低了面向对象Petri网中死锁检测的复杂度。     

Petri网合成理论及应用综述

对于建模和分析物理系统的模型,Petri网在处理并发和冲突方面具有强大的能力.Petri网合成技术将小型Petri网通过一组子网的某些共享位置、某些共享变迁按合成规则综合成复杂网系统,它足Petri网系统建模中一种重要的自底向上的建模方法,适用于具有异步、并发特征的复杂应用环境.综述了 Petri网系统两种合成操作(共享合成、同步合成)理论,然后介绍了国内外研究状况,最后指出了合成技术在柔性制造系统(FMS)和多媒体系统等应用方面的发展热点.     

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,以数据作为事件执行程度的核心;其次在混合Petri网的基础上加入时间和空间属性,以及为变迁的发生引入条件弧概念;最后,通过对自适应巡航控制系统的运行机理进行建模分析,验证了所提出模型的可行性。