一种信息-物理融合系统体系结构

信息-物理融合系统(cyber-physical system, CPS)是当今最前沿的交叉研究领域之一,它被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命,将会改变人与现实物理世界之间的交互方式,具有广泛的应用前景.CPS是一种分布式且深度嵌入式的实时系统,实时性是CPS的一个极重要特征和性能要求.研究了CPS体系结构,提出了一种CPS系统模型,并且从实时任务调度和实时网络两个方面,提出了解决系统实时性保证问题的初步方案,为进一步的研究工作奠定了基础.     

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。     

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。     

基于目标的信息物理融合系统事件模型的分析

软件系统的事件模型能够有效地刻画软件系统的行为。但是,由于信息物理融合系统的异构性与分布式特征,建立信息物理融合系统的事件模型不仅需要了解系统的具体组成结构,还需要考虑事件的时空信息,这为信息物理融合系统事件模型的建立带来了新的困难。从需求分析的角度出发,提出一种基于目标的方法来分析并建立信息物理融合系统的事件模型。该方法认为用户建立系统的目标可以表达为事件之间的因果关系,即当一个事件发生时系统要能够感知并触发另外一个事件发生。基于此,该方法从用户对信息物理融合系统的需求出发,以目标的与/或分解为手段来分析满足用户需求的事件模型。以一个自适应巡航控制系统为案例来说明该方法。     

一种面向煤矿的信息物理融合系统模型

信息物理融合系统(CPS)是一种综合感知、计算和管控等功能为一体的多维复杂计算机系统。文中首先介绍了CPS的概念及系统模型;然后针对煤矿安全生产缺乏信息共享和协同控制的情况,构建了具有煤矿生产监测及控制功能的煤矿信息物理融合系统模型,并阐述了该模型信息获取层、数据计算层和协同控制层共三层的体系结构。该模型的构建可以辅助矿井智能化生产和应急决策,有利于煤矿生产向智能化发展。     

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.     

面向未来网络的信息-物理融合系统的探讨

随着信息通信技术的发展,信息-物理融合系统已成为相互依存、深度融合的超大规模二元复合网络系统。研究其信息网络框架、体系结构和大数据及碎片化知识的属性,对未来智能电网理论研究和实际工程应用具有重要意义。针对互联网、物联网、大数据知识等引领人类社会进入信息知识大爆炸时代的特征,重点探讨电力信息-物理融合系统所面临的机遇和挑战,未来将呈现新能源并网、电子信息装置比率提升、多能源和多网络融合的发展趋势,从发、输、变、调配用等环节提出了大数据和人工智能知识的应用展望,助力于未来智能电网信息化决策与部署。     

基于动态故障树的信息物理融合系统风险分析

针对信息物理融合系统（CPS）中的网络安全攻击会导致系统失效的问题，提出一种基于动态故障树的CPS风险建模及分析方法。首先，对动态故障树和攻击树集成建模，构建攻击-动态故障树（Attack-DFTs）模型；然后，分别采用二元决策图和输入输出马尔可夫链给出攻击-动态故障树中的静态子树和动态子树的形式化模型，并在此基础上给出攻击-动态故障树的定性分析方法，即分析网络安全攻击导致系统失效的基本事件路径；最后，通过一个典型的排污系统应用实例对方法的有效性进行验证。案例分析结果表明，所提方法能够分析CPS中由于网络安全攻击导致系统失效的事件序列，有效实现了CPS的综合安全评估。     

信息物理融合系统数据中心能量消耗模型研究

从信息物理融合系统的角度考察数据中心,对包含信息技术系统和冷却系统的数据中心的能量消耗进行建模。给出信息技术系统中的服务延时约束模型、工作负载约束模型、服务质量约束模型及最终的能量消耗约束模型和冷却系统中的能量消耗模型。模型的建立为研究如何在保证服务质量的同时最大程度地降低能量消耗提供了依据。     

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。     

信息物理融合系统的动态多优先级调度

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)的复杂和异构性给设计者带来了不少挑战,其中任务的多样性使得传统的调度策略不能满足CPS的性能需求.提出了专门针对基于大规模传感器网络的CPS的动态多优先级调度策略.根据任务类型分配4级缓存队列:第1级是来自控制器待处理的实时任务,拥有最高的可抢占式优先级;第2级是来自控制器待转发的实时任务,拥有次高的可抢占式优先级;第3级是来自其他节点待转发的非实时任务,拥有第三高的非抢占式优先级;第4级是来自本地待发送的非实时任务,拥有最低的非抢占式优先级.设计了抢占与非抢占混合的动态调度策略来减少任务的平均等待时间,加入了等待时间阈值机制来保证第4级任务的公平性.通过理论分析和仿真实验对调度策略的性能做了评价.仿真结果显示,动态多优先级调度策略在提高系统性能和稳定性上要优于传统优先级调度.     

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.     

信息物理融合系统控制软件的统计模型检验

信息物理融合系统常采用嵌入式实时多任务系统作为其控制软件,这类软件的并发和非确定性给验证带来了困难.提出了一种利用统计模型检验技术分析多任务系统的功能正确性的方法.该方法构造的时间自动机模型以模块化的方式描述了实时多任务系统中的主要成分,包括实时操作系统、周期性任务、偶发任务、共享资源以及物理环境,能够展现多任务系统的细粒度的运行过程及其对物理环境的实时响应.应用该方法分析了玉兔号月球车控制软件的一个早期版本,发现了系统运行中出现的一个特殊错误,识别了实际系统出现错误的条件,再现了出现错误的场景.     

基于XML的信息物理融合系统组件建模与仿真

信息物理融合系统（CPS）涉及多种计算模型的集成和协同工作，针对CPS设计方法不统一、重塑性差、复杂度高、难以协同建模验证等问题，提出一种结构化、可描述行为的异元组件模型。首先，用统一组件建模方法进行建模，解决模型不开放问题；然后，用可扩展标记语言（XML）规范描述各类组件，解决不同计算模型描述语言不一致和不可扩展问题；最后，用多级开放组件模型的协同仿真验证方式进行仿真验证，解决验证的不可协同问题。通过通用组件建模方法、XML组件规范描述语言以及验证工具平台XModel对医用恒温箱进行了建模、描述和仿真。医用恒温箱的案例表明，这种模型驱动建立可重塑异元组件并确认其设计正确性的过程，支持信息物理协同设计和边构建边纠正，可避免在系统实现过程中发现问题时再进行反复修改。     

仓库管理信息物理融合系统

根据库房安全管理与事故预警的要求,提出将信息物理融合系统引入仓库管理。根据库房状态及其内部环境参量,结合库房仓储自身功能特点及运作规则,定制关于库房仓储管理的信息物理融合系统,构建具有感知环境、预警机制和自动监测等功能的仓库管理信息物理融合系统,通过分析,认为物料实体与环境信息的有机交互可以为管理者提供可靠监控方式,从而提高库房作业效率和监管水准,系统地初步应用验证该了模型的可行性。     

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.     

仓库管理信息物理融合系统

根据库房安全管理与事故预警的要求,提出将信息物理融合系统引入仓库管理。根据库房状态及其内部环境参量,结合库房仓储自身功能特点及运作规则,定制关于库房仓储管理的信息物理融合系统,构建具有感知环境、预警机制和自动监测等功能的仓库管理信息物理融合系统,通过分析,认为物料实体与环境信息的有机交互可以为管理者提供可靠监控方式,从而提高库房作业效率和监管水准,系统地初步应用验证该了模型的可行性。     

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.