基于SysML的信息物理融合系统架构统一表征与整体设计建模研究

Cyber-physics system(CPS) is a tightly integrated system between computing process and physical process by the deep fusion of computing, communication and control technology. Its impact will go far beyond the IT revolution of twentieth century. However, the deep integration of CPS with the physical world and the scale of the system (time and space) and complexity have brought great challenges to the field of computer science. How to treat CPS in a holistic way, and represent and model the physical objects, computer hardware/software in a unified way, and then support their collaborative analysis and collaborative design is a bottleneck problem that must be solved...This project will focus on solving the core problem of unified representation and holistic design modeling of CPS architecture based on SysML. By extending SysML, it will be able to describe the function semantics of the cyber part and physical part of CPS in a unified way. Therefore, it supports the top-down hierarchical modeling decomposition and logic driven horizontal decomposition, iterative architecture update, consistency verification between requirement/function/logic and the incremental mapping from the architecture design model to the simulation model as a whole way. The research results of the project will play an important role for efficient realization of the CPS architecture design and optimization, and then for enhancing the innovation capability and international competitiveness of CPS.

信息物理融合系统（CPS）是通过计算、通信与控制技术的有机与深度融合、计算和物理过程进行紧密集成的系统，其影响将会远远超越20世纪的IT革命。但CPS与物理世界的深度融合以及系统的规模(时间与空间)与复杂性为计算机科学领域带来了巨大挑战。如何以整体的观点看待CPS，将物理对象、计算机硬件/软件统一表征与建模，进而支持它们的协同分析与协同设计是必须解决的瓶颈问题。..本项目将着力解决基于SysML的CPS架构统一表征与整体设计建模这一核心问题。通过扩展SysML，将能统一刻画CPS中信息部分与物理部分的功能语义；进而支持以整体的方式进行架构建模过程中自顶向下层次分解和逻辑驱动的横向分解、架构迭代更新、需求/功能/逻辑的一致性验证以及架构设计模型向仿真模型的增量映射。项目的研究成果对于高效实现CPS的架构设计与优化、进而提升CPS的创新能力与国际竞争力等将起到重要作用。

信息物理融合系统（CPS）是通过计算、通信与控制技术的有机与深度融合、计算和物理过程进行紧密集成的系统。其影响将会远远超越20世纪的IT革命。但CPS与物理世界的深度融合以及系统的规模(时间与空间)与复杂性为计算机科学领域带来了巨大挑战。如何以整体的观点看待CPS，将物理对象、计算机硬件/软件统一表征与建模，进而支持它们的协同分析与协同设计是必须解决的瓶颈问题。.针对上述问题，本项目将着力解决基于SysML的CPS架构统一表征与整体设计建模这一核心问题。主要研究内容如下：（1）统一、严格的基于SysML扩展的CPS功能语义表征；（2）智能、自动的CPS系统架构设计建模层次化分解；（3）高效、可追溯的的CPS架构模型一致性验证；（4）增量、鲁棒的CPS架构设计与仿真映射；（5）CPS架构统一表征与整体设计建模的原型系统实现。.目前取得的重要成果如下：.（1）软件与物理统一形式化功能语义表征与分解。提出了新型的功能表征方法，将传统的基于流的功能表示与控制逻辑相结合，以层次化的方式对物理与软件功能进行统一表示。.（2）软件与物理融合设计知识表示与并行设计。提出了新型的混合功能本体，将功能分析所产生的底层功能结构模型进行本体化表示，实现软件与物理设计知识的关联。进而实现了软件与物理并行正向设计过程。.（3）离散与连续混合动态特征追溯与校验。提出基于底层功能结构模型在跨度较大、难以关联的功能需求与系统行为之间建立层次化、可验证的追溯关系。.（4）提出基于模型变动编辑范围的增量式架构设计与仿真集成方法。通过对CPS架构模型设计过程中的变动影响区域的分析与识别，给出增量传输与映射模型，从而支持高效的仿真模型变动。.目前本项目已发表论文11篇，其中包含CAD等高水平期刊论文8篇，培养硕士研究生和博士研究生12名。