基于时空一致性的CPS系统行为协同建模方法研究

As Cyber-physical System (CPS) has been characterized as a very special kind of embedded computing systems by the joint dynamics among computation, communication and control, multi-scale fusion between the computation process and physical process, spatio-temporal interaction of the internally running state and the physical context, and the non-determinism of the system behaviors, the design methods for the traditional embedded computing system are inadequate and difficult to adapt to the requirements of modeling, analyzing, and building CPS applications. This project focus on the basic problems and key technologies of behavior modeling for CPSs, covering a generic modeling method with unified spatial and temporal information, the interact mechanism for CPS heterogeneous model with spatio-temporal consistency constraint, and the CPS behavior modeling method build upon multi-model coordination theory. The multi-domain (in computation, control and physical domain) integration modeling method and the heterogeneous model behavior analysis with parameter constrain are used to implement the multi behavior models collaboratively modeling. UAV autonomous navigation system, one of typical CPS applications, will be used to verify the effectiveness of these modeling methods. The project result could support CPS application systems design and verification.

信息-物理融合系统（CPS)具有计算、通信、控制（"3C")的联合动态性，计算过程与物理过程的多尺度融合性，系统所处环境及其运行状态的时空交互性以及系统动态行为的非确定性，使得传统计算系统的模型化设计方法难以适应信息-物理融合系统需求与特点，其面临模型构建及其实现方法的新挑战。本项目重点研究CPS系统行为建模的基本问题与关键方法,包括适应CPS的统一时空建模方法、多异构模型时空一致约束交互机制以及系统行为多模型协同建模方法。基于PTL和S4u的混合时空逻辑，提出CPS系统时空特性统一建模方法；采用计算域、控制与物理域多域联合建模方法及参数约束异构行为分析，实现多行为模型的协同建模。并结合无人机自主导航系统典型实例进行有效性验证，项目成果可为信息-物理融合应用系统设计提供方法和技术支撑。

信息-物理融合系统（CPS)具有计算、通信、控制（“3C”)的联合动态性，计算过程与物理过程的多尺度融合性，系统所处环境及其运行状态的时空交互性以及系统动态行为的非确定性，使得传统计算系统的模型化设计方法难以适应信息-物理融合系统需求与特点，其面临模型构建及其实现方法的新挑战。本项目重点研究了CPS系统行为建模的基本问题与关键方法,包括适应CPS的统一时空建模方法、多异构模型时空一致约束交互机制以及系统行为多模型协同建模方法。基于PTL和S4u的混合时空逻辑，提出了CPS系统时空特性统一建模方法；采用计算域、控制与物理域多域联合建模方法及参数约束异构行为分析，实现了多行为模型的协同建模。并结合无人机自主导航系统和多坦克协同作战演示协同等典型实例进行有效性验证，项目成果将为信息-物理融合应用系统设计提供方法和技术支撑。.本项目的主要创新包括：（1）提出了适应CPS的统一时空建模方法，采用空间区域演算和命题时序逻辑，提升了CPS系统时空语义刻画能力；（2）采用并优化了基于场景的多域模型联合CPS系统行为建模框架和实现机制刻画CPS系统的计算、通信与控制融合的动态行为；（3）在扩展CPS系统行为状态时空语义基础上，提出了基于时空事件的多域行为模型交互方法，增强了CPS系统行为模型的时空表示和分析能力。.本项目取得主要成果包括：总结提炼基于场景的CPS系统行为多域协同建模、CPS行为模型的统一化时空语义、基于时空事件的多域行为模型交互等方面取得研究进展，在国内外学术期刊和学术会议上发表学术论文14篇。研制了CPS行为协同建模工具及其运行支撑软件原型CPS Modeling Studio（CMS），结合关键实现技术申请发明专利4件及软件著作权1件。累计培养博士研究生4名、首饰研究生5名。并基于本课题研究伸过，与合作者面向西工大博士研究生开设 “CPS系统建模及分析”课程。