信息物理融合下的建筑施工现场碳排放实时监测系统

随着全球变暖现象加剧,控制建筑业碳排放成为了重要研究课题,建筑施工现场碳排放的计算与监测问题成为重点。为了有效解决这一问题,梳理了现有碳排放计算方法,总结了各类方法的特点,提出了基于信息物理系统(CPS)技术的施工现场碳排放实时监测系统框架;针对施工现场碳排放计算边界及计算逻辑进行了定义,并从硬件系统与软件系统两部分实现了碳排放实时监测系统的开发。最后,通过无线传感器、服务器、数据库以及客户端的有效耦合,实现了对建筑施工现场的碳排放进行实时监测和数据分析。     

计算机发展的下一个主题——信息-物理融合CPS系统

如同互联网改变了人与人的互动一样,CPS将会改变我们与物理世界的互动。——美国国家科学基金会(NSF)计算机与信息科学和工程总监Branicky     

信息物理世界如何实现人机共融协同?

信息物理系统(CPS)的系统架构在未来世界具有核心地位.介绍人在回路的CPS的基本架构,提出在CPS架构下人机如何实现协同共融的核心科学问题.指出需要融合信息、计算、控制等多学科方法,从系统理论的角度实现协同.     

具有输入量化的信息物理系统的安全控制

针对执行器攻击、量化编码器/解码器参数不匹配和外部干扰的信息物理系统(cyber-physical systems, CPS),设计一种新型的鲁棒自适应控制器确保其安全稳定运行。基于Lyapunov稳定理论推导出使信息物理系统具有鲁棒H2性能的充分条件,控制器的非线性结构包含两部分：一部分为干扰和量化补偿器,用于消除外部干扰和量化误差的影响,另一部分为基于隐蔽式假数据攻击上界信息的攻击补偿器,用于抑制异常检测器检测不到、未触发警报的攻击。最后,仿真算例结果表明控制器能保证闭环系统稳定并且具有较好的系统性能,说明了方法的有效性。     

基于预留的信息物理融合系统动态内存分配方法研究

信息物理融合系统(CPS)是一种深度嵌入式分布式实时系统,时效性是其关键属性。由于CPS的节点中内存资源有限,当多个实时任务并发执行竞争内存时,将导致任务错过截止期,严重影响CPS的时效性。针对该问题,提出了基于预留的动态内存分配方法。通过为并发执行的实时任务分配私有预留内存块和共享预留的内存块的方法,对内存进行高效管理,有效避免了任务竞争内存资源导致的系统时效性下降的问题。实验结果表明,在有限的内存资源环境中,提出的CPS动态内存分配方法有着更低的截止期错失率以及更高的系统稳定性。     

计及信息-物理连锁故障的电力信息物理系统多目标规划

传统电力系统正逐步演化为电力信息物理系统(CPPS)。在CPPS中,物理系统借助信息系统的高效便利提高了运行效率与准确性,但信息系统的失效有可能通过网间的耦合关系而波及到物理系统,并导致交互传播的连锁故障。在此背景下,该文首先提出计及信息—物理连锁故障的电力信息物理系统多目标规划模型框架。其次,分别从电力信息物理系统建设经济性和系统可靠性两个角度建立优化目标。在建设经济性方面考虑物理系统与信息系统年投资成本;在系统可靠性方面考虑电力信息物理系统中多类元件受损造成的负荷损失期望。最后,基于NSGA-Ⅱ算法以测试算例对提出的多目标规划模型进行验证,计算结果证明了所提出模型的有效性。     

复杂动态网络同步控制及其在信息物理系统中的应用

信息物理系统是一个高度复杂的物理系统,物联网被认为是信息物理系统的一种简约应用.基于复杂动态网络及其同步控制思想,研究信息物理系统中的控制问题.首先,阐述复杂动态网络模型、复杂动态网络同步控制、网络故障诊断;其次,提出信息物理系统中的控制问题,分析复杂动态网络同步控制技术在信息物理系统控制中的应用;最后,对信息物理系统中控制问题的研究提出建议.     

赛博物理系统发展综述

赛博物理系统描述了一类由计算单元与物理对象通过通讯网络高度集成的复杂系统.这类系统伴随着计算机及其网络技术的高速发展而出现,代表了新一代工业技术的发展方向,目前得到了各国政府、学术界和工业界的高度重视.赛博物理系统的高效运行需要计算机科学、控制科学和通信科学等多学科的协同努力,目前面临系统理论,系统设计方法,设计工具等诸多方面的挑战.     

智能电网CPS关键技术综述

根据工业化和信息化的融合需求,将物理信息系统和智能电网的优势进行协同,形成了智能电网CPS.从智能电网CPS的3个层级单元级CPS、系统级CPS、Systems of Systems(缩写为SoS)级CPS体系架构入手,着重阐述了智能电网CPS的研究现状和各个层级对应的关键技术.分析比较了各层级不同应用的优缺点,以此展望了智能电网CPS亟待解决的问题和未来的发展方向.     

基于CPS的空中交通系统架构及能力涌现方法

针对现行集中式空中交通系统架构下空域管理、空中交通服务、流量管理、交通管制功能割裂,融合不顺的问题,提出了基于CPS的空中交通系统架构,引入了航空器群的运行概念,介绍了系统能力涌现的机制。该架构中每架航空器作为智能个体,在新型网络支撑下实现节点间交互与反馈、激励与响应,进行局部寻优,实现系统整体行为涌现,空中交通系统按能使用、按需服务。提出了系统涉及的自主4D航迹生成、规则提取、下一代网络等需要解决的关键技术,给出了若干能力涌现度量参数,并且针对信息流量、时间开销这2个测度参数进行了具体分析,验证了所提出空中交通系统运行架构的合理性及有效性。     

基于混成自动机的CPS行为建模与属性验证

系统实时性、安全性和可靠性等非功能属性是信息物理系统在诸多领域应用的关键因素。论文在分析CPS模型构建与分析验证中面临的挑战的基础上,提出了一种CPS行为建模与属性验证方法。该方法首先基于混成自动机对CPS的行为进行建模,然后将此模型转换为混合程序模型,最后在定理证明器KeYmaera中对HP模型的属性进行形式化验证。文中论述了行为模型描述语言的结构,建立了混成自动机模型与HP模型之间的转换规则,分析了模型转换的一致性。应用实例表明:该方法既能简单直观地描述CPS动态行为,又能对CPS的属性进行严格的形式化验证,且有效避免了形式化验证中的状态空间爆炸问题。     

一种基于AOcontPN的信息物理系统建模方法

信息物理系统(CPS)是计算、控制和通信相融合的系统。现有的建模方法不能很好地实现其离散和连续混合的复杂行为。对此提出了一种基于面向方面连续Petri网的AOcontPN建模方法。依据CPS需求分析,将一些普遍存在的物理连续过程抽取出来,作为一个功能性的方面连续Petri网,织入到基本Petri网中。这样不仅解决了CPS系统中连续过程的行为分析、复用等问题,也使得整个系统可以使用离散系统的形式化方法来验证。     

A Survey of Language-Based Approaches to Cyber-Physical and Embedded System Development

As computers continue to advance, they are becoming more capable of sensing, interacting, and communicating with the physical and cyber world. Medical devices, electronic braking systems in automotive applications, and industrial control systems are examples of the many Cyber-Physical Systems(CPS) that utilize these computing capabilities. Given the potential consequences of software related failures in such systems, a high degree of safety, security, and reliability is often required. Programming languages are important tools used by programmers to develop CPS. They provide a programmer with the ability to transform designs into machine code. Of equal importance is their ability to detect and avoid programming mistakes. The development of CPS has predominantly been accomplished using the C programming language. Although C is a powerful language, it lacks features present in other languages that facilitate the development of reliable systems. This has prompted research into language-based alternatives for improving program quality through the use of programming languages. This paper presents an overview of the characteristics of embedded and cyber-physical systems and the associated requirements imposed on programming languages. This is followed by a survey of relevant research into languagebased methods for creating safe, reliable, and robust software for CPS.     

信息物理融合系统中恶意软件传播动力学研究

针对恶意软件在信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)中的传播机理难以描述的问题,提出了一种自适应SIQRS(susceptible-infected-quarantined-recovered-susceptible)传播动力学模型。该模型采用节点隔离机制描述CPS的感知和控制能力,引入链路重连机制刻画CPS的自适应性,进一步分析了恶意软件在CPS中的传播规则,并依据平均场理论建立了相应的微分动力学方程。不同参数条件下的仿真结果表明:当感染率小于存在阈值时,恶意软件无法在CPS内传播;当感染率大于存在阈值且小于传播阈值时,CPS发生滞后分岔并出现双稳态现象;当感染率大于传播阈值时,CPS稳定在地方病平衡状态;当参数满足特定条件时,CPS会发生Hopf分岔。研究表明,所提模型能够准确刻画恶意软件在CPS中的传播机理。     

软件可靠性评估中的组件独立性研究

对一个典型的软件系统而言,人们普遍认为通过组件的可靠性来计算系统的整体可靠性是不可行的,这是由于软件系统与硬件系统不同,它通常违背可靠性计算所要求的组件独立性原则.针对组件和基于组件的软件可靠性评估问题,给出了一种改进后的Markov模型.经CPS转换后,软件系统的可靠性可用Markov模型进行准确计算.     

Mining Sensor Data in Cyber-Physical Systems

A Cyber-Physical System （CPS） integrates physical devices （i.e.,sensors） with cyber （i.e.,informational） components to form a context sensitive system that responds intelligently to dynamic changes in real-world situations.Such a system has wide applications in the scenarios of traffic control,battlefield surveillance,environmental monitoring,and so on.A core element of CPS is the collection and assessment of information from noisy,dynamic,and uncertain physical environments integrated with many types of cyber-space resources.The potential of this integration is unbounded.To achieve this potential the raw data acquired from the physical world must be transformed into useable knowledge in real-time.Therefore,CPS brings a new dimension to knowledge discovery because of the emerging synergism of the physical and the cyber.The various properties of the physical world must be addressed in information management and knowledge discovery.This paper discusses the problems of mining sensor data in CPS：With a large number of wireless sensors deployed in a designated area,the task is real time detection of intruders that enter the area based on noisy sensor data.The framework of IntruMine is introduced to discover intruders from untrustworthy sensor data.IntruMine first analyzes the trustworthiness of sensor data,then detects the intruders＇ locations,and verifies the detections based on a graph model of the relationships between sensors and intruders.