信息－物理融合系统动态行为模型构建方法

　　摘要信息-物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem，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.

　　关键词信息-物理融合系统;动态行为建模;一体化模型;集成建模;协同方法

　　1引言

　　随着嵌入式计算、无线感知网络、网络化控制等技术的快速发展和持续融合，美国国家科技委员会于2006年提出了信息-物理融合系统(Cyber-PhysicalSystems，CPS).CPS是一个计算过程与物理过程融合的复杂系统，其通过计算、通信和控制的有机融合与深度协作，实现信息域和物理域的紧密结合[1-3]，已成为当今计算机学科前沿交叉研究的重点方向之一，具有广泛的应用前景[1，4].

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　　2CPS系统特点分析及其建模挑战

　　2.1一个典型的CPS系统实例

　　具有“3C(ComputationCommunicationControl)”紧密结合、计算过程与物理过程深度融合等特性的CPS系统在数字医疗、航空航天、智能交通、基础设施等领域有所体现.我们以月球车为例说明其工作机理.月球车是一种在月面环境下执行探测任务的自主运动系统，其控制模式是在深空遥操作下的自主行走控制模式.月球车自主实现环境识别、行走避障、姿态控制、深空通信等功能[5].其组成包含了多摄像头等感知设备、实时任务计算机、内部网络通信与外部数据链通信以及六轮协同运动等子系统.其环境感知、数据处理与轮系控制紧密交互、深度融合，是一个典型的CPS系统应用实例.

　　.2CPS系统主要特性分析

　　CPS系统内在特性，主要体现在以下几点：

　　(1)“3C”联合动态性.CPS系统通常由多类物理过程、感知器与控制器、并发计算实体以及实时通信网络所构成，计算、通信与控制实体的变化都会影响整个系统的动态行为.

　　(2)多尺度融合性.CPS系统结构的层次性及其组成的异构性，使得离散计算过程和连续物理演化过程的融合在系统规模、逻辑层次、组成元素和非功能属性等方面呈现多尺度特性.

　　3CPS系统动态行为建模方法

　　自信息-物理融合系统概念提出以来，其系统动态行为模型构建方法及其工具实现一直是国际相关研究计划和研究团队关注和研究的热点，并已取得阶段性创新成果和研究进展.基于CPS建模面临的主要挑战，论文在分析目前主要研究成果的基础上，将其提炼为以下4类，并指出了进一步的研究重点.

　　参考文献

　　[1]LeeEA.Cyber-physicalsystems-arecomputingfoundationsadequate.PositionPaperforNSFWorkshoponCyber-PhysicalSystems：ResearchMotivation，TechniquesandRoadmap.Austin，USA.2006

　　[2]ShaL，GopalakrishnanS，etal.Cyber-physicalsystems：Anewfrontier//ProceedingsoftheIEEEInternationalConfe-renceonSensorNetworks，UbiquitousandTrustworthyComputing.Taichung，China，2008：1-9

　　[3]RajkumarRI，LeeEA，etal.Cyber-physicalsystems：Thenextcomputingrevolution//Proceedingsofthe47thDesignAutomationConference.Anaheim，USA，2010：731-736

　　周兴社杨亚磊杨刚

《信息－物理融合系统动态行为模型构建方法》

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