具有上下文特征的CPS体系结构和形式分析的研究

信息物理融合系统CPS是目前研究热点之一, 具有巨大的现实意义和应用价值。但由于CPS的异构性、与环境的紧密偶合性、流动性等特点，其对系统动态性要求很高，因此对软件平台研究提出了新的挑战。本项目将致力解决两个相关的和极为重要的问题："怎样的体系结构适合CPS和如何形式化？"及"如何分析CPS的行为？"。其一，我们拟从上下文的角度设计基于构件的形式体系结构，把上下文、物理设备定义入构件模型，并形式定义构件组合和重新配置。其二，我们将研究上下文驱动的扩展状态机CESM，将其作为形式行为模型；我们将研究体系结构描述语言，上下文将是该语言中的第一阶对象，该语言应能描述交互实体之间的合作行为，并提供相应的构词来表达在一个配置中构件间的协调；我们还将实现从体系结构说明来自动产生CESM和UPPAAL模型的转换算法和工具，并在扩展的UPPAAL工具上进行模型检测，验证上述成果的正确性和优越性。

近年来美国（PCAST）、欧盟（ARTMEIS）、韩国 KIPA组织、日本、中国都把CPS作为重点项目研究，其中关于“开发新的CPS开放式体系结构”是挑战之一。为CPS软件提供合适的体系结构远比人们预计的复杂。. 本项目拟解决与CPS软件平台相关的两个基础而又极为关键的问题：第一个问题是“怎样的体系结构适合CPS？”；第二个问题是“如何形式化分析CPS的行为？”。针对第一个问题，我们提出的解决方案是“以资源为中心的、具有上下文特征的、面向服务的体系结构”，该体系结构能忠实地表达CPS元素和特性[C16，C20](引用为本项目发表的论文)。为完成该研究任务，我们分别进行了网络服务[C2,C3,C4]、上下文理论 [J1，J4，C14，C22,C28]、面向服务的体系结构[J9，J11]的研究。针对第二个问题，我们首先研究了以资源为中心的抽象服务模型，该模型能动态描述CPS的行为[J2，C29],并能进行动态资源管理[C5，C6]；其次，我们为体系结构的每一层，提供了形式化语法和语义，这些形式化语法可以描述服务的要求、资源描述、资源组合、服务提供、服务配置和修改；最后，我们研究支持体系结构说明和服务模型的工具，该工具以用户为中心的，按照语义规则设计的，并可将资源信息翻译成可在CPS站安全的共享和通讯，可支持不同的用户浏览、发现、要求，分配资源给相关的服务需求[C15,C31]。我们还进行了交通管理[C1]、辅助医疗[J6，J10]、智能电网[J3,C7]、教学软件[J5,J7，C17，C21]的案例分析，了解需求，验证方法的正确性。. 从2012年至今，项目申请人共计发表期刊论文11篇(SCI 索引2篇，EI索引4篇,ISTP索引1篇)，会议论文31篇 (EI索引24篇,ISTP索引3篇)，章节书1篇。其中标注由国家自然科学基金支持的会议论文20篇，期刊论文4篇。本项目还申请发明专利一项，该专利现已发布。. 为CPS软件提供合适的体系结构是必须的，也是极为迫切的。 本项目以资源管理为中心，提出的上下文相关的面向服务的体系结构和形式分析具有一定的创新性，对CPS软件具有一定的研究意义。