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.     

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。     

基于统一描述的网络仿真场景高效建模机制

网络仿真是进行网络规划和协议设计的重要手段,设计人员亟需构建高效的仿真系统。针对主流网络仿真器在场景建模方面存在效率不高和灵活性不够的问题,提出一种基于统一描述和中间件适配的高效可扩展的场景建模机制。基于模型层标签高效描述仿真场景,然后通过中间件解析器适配到不同的仿真器,从而大大提高仿真建模效率。最后通过应用实例验证了该场景建模机制的有效性和广泛适用性,对构建高效可扩展的网络仿真系统具有一定的借鉴意义。     

航天产品性能样机建模与仿真综合集成平台

为了提高航天产品性能样机建模与仿真协同工作水平,针对性能样机全生命周期协同建模与仿真过程中管理系统综合集成性差的问题,构建基于云计算平台的性能样机综合集成协同建设与仿真平台。重点研究性能样机协同建模与仿真平台数据库建模与设计、复杂航天产品性能样机综合集成建模与仿真平台框架、性能样机协同建模与仿真平台基础框架、性能样机制造云服务平台架构和系统物理平台架构。应用结果表明,所构建的平台较好地解决了性能样机全生命周期统一建模与仿真以及不同人员、不同工具、不同算法、不同描述语言下的耦合建模、联合仿真问题。      

基于活动图的OWL-S过程模型的图形化建模及实现

用可扩展标记语言(XML)对Web服务合成的描述,存在着描述的复杂性高和不易于用户理解的问题。本文采用基于模型驱动框架(MDA)方法,利用UML活动图对OWL-S的过程模型进行图形化建模,实现了对Web服务合成的描述,并通过实例验证了该方法的可行性。     

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.     

基于对象时空Petri网的CPS建模与仿真

信息物理融合系统（CPS）是一个融合了计算、控制、通信和物理元素的分布式实时反馈系统,但传统的建模方法无法满足CPS对时空性能要求较高的情况。为此,提出结合对象特征的对象时空Petri网（DS-OPN）建模方法。首先,将面向对象封装技术、时空元素融入Petri网中,设计空间和时间描述规则,将相同对象下的场景元素封装到同一对象子网系统模型中。其次,定义聚合规则,聚合各个子网模型,使这些模型能够描述CPS物理拓扑环境中的对象变化过程。最后,以交通CPS为例,建模和仿真分析自主控制超车系统的动态行为;同时,建立模型的可覆盖性树和关联矩阵分析验证模型的可达性、安全性等性质。实验结果显示,DS-OPN建模方法建立的模型对系统流程的逻辑结构表现清晰,对时空因素的计算准确,在实时性和安全性上能满足CPS的要求,验证了该建模方法的有效性和安全性。     

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。     

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。     

社会群体角色本体的构建方法研究

信息物理系统是一种自知系统,系统中存在大量具有信息物理紧密融合特征的异构资源,这给资源管理带来了巨大的挑战。能力模型是消除异构带来高复杂性的最佳资源描述模型。本文通过分析信息物理系统中的资源特征,借鉴人们处理日常事务的思维方式,给出了资源能力的概念,提出了基于哈希表的"任务类型-能力"的资源能力描述方法和基于历史信息的资源能力计算公式,并建立了资源能力组合模型。最后,通过火灾监控信息物理系统的资源能力建模案例来说明了该资源能力建模方法。     

复杂机械产品多Agent协同仿真研究

协同仿真是协同设计过程中的重要组成部分,成为检验、指导和优化设计的重要手段。车辆动力系统是一种典型的复杂机械产品。文章为解决协同仿真中复杂的交互通信问题,以动力系统为例,应用多Agent技术,研究复杂机械产品多Agent协同仿真的模型和方法。在分析了动力系统协同仿真的业务需求的基础上,提出了一种适合动力系统协同仿真的多Agent结构模型,Agent之间的通信方式采用KQML/XML,并以曲轴的静力学分析为例说明实现方法。     

SMC/ADL:一种层级式构件系统的体系结构描述语言

针对基于SMC构件模型的软件系统静态、运行态和动态抽象建模问题,提出由XML元语言定义和表达的体系结构描述语言——SMC/ADL。该语言从选取系统建模元素的类型、实例和实例行为这3个角度,利用一套XMLSchema定义了软件从设计到运行,直至演化阶段的完整体系结构规约框架,使其对系统高层抽象的支持扩展到整个软件生命周期。相关辅助工具表明了它的有效性和实用性。     

基于XML的机载航电系统仿真模型结构化描述

通过分析机载航电系统仿真模型存在的问题,给出了XML数据模型描述的方法和特点,提出了以想定任务需求为仿真建模的驱动数据的方法,基于XML技术设计了想定任务-飞机-机载装备三层描述关系。分别给出了想定任务和航电系统仿真模型的组成、结构化语言描述、有向树模型及XML技术描述的方法,并在此基础上形成规范的系统接口,为系统建模平台的建设提供重要的技术基础。最后,根据有向树和XML技术的特点,以节点和元素为基本单元,设计了XML文件数据访问的操作函数,形成系统建模平台的基础资源,利用设计的XML任务描述文件给出了航电系统仿真应用平台的设计架构。分析表明该方法用于航电系统仿真平台的建设将很大程度上提高仿真模型资源的重用性和共享性。     

扩展的高层次行为描述内部模型

随着片上系统(SOC)技术的发展,越来越多的功能模块被集成到单一芯片中。适合硬件描述的HDL语言很难满足实现复杂算法功能的要求,C++等高级语言可以高效地描述算法功能,但是在综合和验证时遇到很大困难。文章介绍了一种允许使用C和VHDL独立描述原始模块,通过创建统一内部模型IIR的办法实现对功能元件和算法模块的混合处理。IIR内部模型以XML文件格式作为外部存储,能够方便地被划分、综合、验证等处理程序使用,避免了重复的原始描述文件分析,提高了研发效率。     

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Web的三维协同设计模型及其关键技术

为在虚拟环境下进行产品异地实时设计和装配,提出一种基于Web的三维协同设计模型.该模型使用户既可以通过浏览器在客户端的虚拟场景中进行个性化设计,也可以与其他用户进行协同设计.通过详细分析协同设计过程,研究任意形状基本实体的表征、零件扩展属性的描述、基本操作的表示、零件之间装配关系和部件运动仿真属性等的建立.基于ACIS和ECSG的三维造型技术和层次细节模型的生成算法,研发以某产品为对象的原型系统,证实该三维协同设计模型的可行性和先进性.     

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。     

基于模板技术的汽车多体动力学建模研究

针对当前汽车动力学仿真软件建模复杂度高、模型结构不易理解、模板开放性不高等缺点,提出开放的模板化建模技术.将汽车动力学模型分解为相对独立的子系统并抽象为基本模板,采用“基本模板—结构模板—模板实例化”的架构,用XML描述模板,从而实现模板的开放性,构建汽车动力学模型的树状层级模板库和实例库,结合基于实例推理的方法生成模型.在此基础上开发了汽车整车建模软件,并以某重型汽车起重机为例说明了该技术的应用.     

一种基于XML的CORBA/Web集成模型

CORBA和XML是当今分布式计算中的两大主流技术，两者都具有平台和语言无关性、开放性、可扩展性。CORBA解决了异构环境下系统的互操作性，XML解决了不同平台之间数据表示和关联的同一；因此, 将CORBA和XML结合必将会促进分布式计算技术的新发展。对两者可能的结合点做了总的描述，然后介绍了一种利用XML集成Web和CORBA的模型。