信息物理融合系统多领域统一建模方法及仿真策略研究

Cyber-Physical Systems (CPS) is a complex integration of computation, communication, control with discrete asynchronous information systems and continuous synchronous physical processes that are different in structure and model description. In order to describe and simulate CPS model in a unified software platform, some key basic theories, like an unified modeling method for CPS, decomposition method of CPS equation systems and unified solution strategy, are studied in this project.In allusion to concurrence of time systems and clock systems, the clock mechanism of semantic and time/clock fusion rules are proposed to realize unified description of CPS models. In view of tight coupling of information and physical system in the CPS,decomposition method of CPS equation systems is proposed to decompose CPS equation systems into time sub-systems and clock sub-systems.Serialization method is also researched for time sub-systems and clock sub-systems.And then synchronization mechanism between time event and state event is researched and the unified solution strategy of CPS model is presented for simulation of CPS model in an unified frame of modeling and simulation. Achievement of this project will lay foundation for basic theories of modeling and simulation for CPS in a homogeneous framework and provide the key enabling technologies.

信息物理融合系统(CPS)是一种计算、通信、控制与物理过程深度融合的复杂工程系统，包括离散异步的信息进程和连续同步的物理进程，两者在结构、模型表达等方面存在较大差异。本项目面向CPS建模仿真过程，研究CPS系统模型统一表达、方程系统规划分解及统一求解策略等关键问题。针对CPS系统模型中时间系统和时钟系统共存的问题，基于Modelica语言提出面向时钟系统的时钟语义机制及时钟/时间系统融合规则，实现CPS系统模型统一描述；针对CPS系统的信息系统与物理系统深度耦合的问题，提出CPS模型方程系统规划分解方法，实现CPS时钟系统与时间系统及不同周期时钟块的解耦，并研究各子方程子集的序列化方法；提出CPS系统模型求解的时钟事件与状态事件同步机制及统一仿真求解策略，实现统一建模仿真框架下的CPS系统模型仿真求解。本项目研究成果将为CPS系统在同构框架下的建模仿真奠定共性理论基础，提供关键使能技术。

作为工业4.0的核心，信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)是一种计算、通信、控制与物理过程深度融合的复杂工程系统，通过计算资源与物理世界的有机集成，实现了嵌入式计算、网络通信、分布式控制等计算过程与物理过程的综合，可广泛应用于复杂机电系统、航天与航空系统、国防武器系统、智能交通系统、智能医疗系统等诸多国防、工业和民用领域。.本项目面向CPS系统建模仿真过程，针对CPS系统离散异步的信息进程和连续同步的物理进程在结构、模型表达等方面的较大差异，首先研究了基于方程的CPS系统模型统一形式化描述方法，针对CPS系统模型中时间系统和时钟系统共存的问题，基于Modelica语言提出面向时钟系统的时钟语义机制及时钟/时间系统融合规则，实现CPS系统模型统一描述；进而研究了面向CPS模型的方程系统规划方法，针对CPS系统的信息系统与物理系统深度耦合的问题，提出了CPS模型方程系统规划分解方法，实现CPS时钟系统与时间系统及不同周期时钟块的解耦，并提出了各子方程子集的序列化方法；最后研究了面向CPS模型的统一求解策略，提出了CPS系统模型求解的时钟事件与状态事件同步机制及统一仿真求解策略，实现了统一建模仿真框架下的CPS系统模型仿真求解。本项目提出的CPS系统统一建模仿真方法已经应用于多个复杂机电产研发阶段的性能分析预测，如大型高精度数控拉削装备、变电设备故障诊断和智能监控系统、柴油机电控喷油系统等。.本项目解决了基于方程的CPS系统模型统一形式化表达、时间/时钟混合的方程系统规划分解和同构建模仿真框架下的CPS系统统一求解等关键科学问题，实现了统一建模仿真框架下的CPS系统建模仿真方法和技术。研究成果为CPS系统在同构框架下的建模仿真奠定了共性理论基础，促进了基于复杂系统的仿真分析与优化等研究领域的发展，为进一步深入开展CPS系统研究提供了有力的技术支撑，可广泛应用于复杂机电系统、智能制造、航空航天系统、智能交通系统等CPS系统的建模仿真和性能分析，具有广泛的应用领域和广阔的应用前景。