信息物理融合系统的容错模型及其动态策略研究

Cyber-physical systems (CPS for short) are tight integration of computation and physical processes, which finds wide application in mission-critical areas such as intelligent transportation, medical care, power grids, and environmental monitoring and control, etc. However, it is extremely hard to avoid system faults, as various physical devices and software in CSPs are interconnected and complex in structures and behaviors. The design of fault-tolerant CPS is a research issue of paramount importance. This project aims to proposing a novel approach for CPS from three aspects: fault-tolerant model design, dynamic fault-tolerant strategy making and model verification. By designing the multi-level fault-tolerant model structure of CPS and defining the formal description language, we propose the CPS fault-tolerant model and use it to characterize the complex structures, spatial and temporal characteristics and behavior randomness of CPSs. Then, based on the substitutability and real-time of resource, the adaptive fault-tolerant strategies and enforcement methods are proposed by using iterative redundancy, thus ensuring the stable execution of CPS. Continuous Stochastic Reward Logic is applied to describe the related properties of CPS fault-tolerant model. The correctness of fault-tolerant model and the effectiveness of fault-tolerant strategy are also analyzed and verified based on probabilistic model checking. This project will establishes models, policies and design methods, which is of both theoretical and practical significance for building fault-tolerant CPS softwares.

信息物理融合系统（简称CPS）是计算过程和物理过程紧密耦合的系统，在智能电网、医疗、交通、环境监控等关键领域的应用日益广泛。然而，CPS的各种物理设备和软件成分互联、结构和行为特征复杂，避免系统出错极其困难。如何设计具有容错功能CPS系统成为至关重要的研究课题。本项目旨在提出CPS容错模型设计、动态容错策略制定及模型验证的新方法。设计CPS的多层次容错模型结构，并定义模型的形式化描述语言来构建CPS容错模型，以刻画CPS的复杂系统结构和支持系统容错策略的动态变化。依据资源的可替换性和实时性，采用迭代冗余和反射机制研究动态容错策略及其实施方法，以保障CPS持续稳定运行。利用连续随机回报逻辑描述CPS容错模型的性质，基于概率模型验证技术分析和验证CPS容错模型的正确性和动态容错策略的有效性。本项目研究建立的模型、策略和设计方法，对于容错CPS软件开发具有重要的理论意义和应用价值。

信息物理系统(CPS)是嵌入式计算机与物理设备紧密耦合的系统，在智慧城市、医疗、工业制造和国防等领域应用广泛。CPS结构和行为复杂、运行环境动态变化，如何设计满足应用需求并持续有效运行的CPS软件是具有挑战性的难题。本项目“信息物理融合系统的容错模型及其动态策略研究”对CPS容错软件的需求分析、形式化描述语言和模型设计、容错优化方法和模型验证技术四个方面进行了系统的研究。本项目研究的主要成果包括：（1）提出基于AOP的CPS容错软件需求分析方法，从功能性需求、容错目标、资源服务特征和软件结构等方面着手逐步分析、抽象和提取CPS容错软件相关信息，建立CPS容错软件需求。（2）基于多层次建模方法定义统一的CPS容错元模型、类型和层次关系。利用描述语言对CPS容错需求的基础元素进行建模，构建CPS的容错模型。（3）提出一种基于LSTM神经网络的CPS软件可靠性时间序列预测方法和一种融合能耗优化和反应式容错的边缘调度算法。通过对CPS软件系统复杂的历史失效数据进行可靠性建模与分析，预测CPS软件可靠性，基于此在重新提交和副本的容错方式中为每个任务制定动态容错策略。（4）提出了一种信息物理融合组合分析验证方法，首先分析个体构件和连接器的性质，然后分析组合层性质，包括CPS业务流程建模的正确性、无死锁、任务和设备间调用关系、容错的有效性、容错方案的其他性能表现（如时间性、能耗等）。本研究将形式化方法与模型驱动软件工程融合，从软件模型角度阐明CPS构造特征、行为特征和容错演化规律，对于开发可信CPS软件具有理论意义和应用价值。.通过本项目研究，在国内外期刊和会议上发表学术论文12篇，其中SCI源刊8篇、EI收录10篇、申请专利4项。培养骨干教师2名、2名硕士生获得硕士学位。