基于环境的信息物理系统时空需求建模方法研究

The emerging Cyber-Physical Systems(CPS) have tremendous potential applications. The spatial-temporal requirements modeling is a prerequisite for successfully constructing CPS softwares with the purpose of further successive applications. According to the characteristics of CPS, this study intends to start from the modeling of the CPS environment to extract spatial-temporal requirements specification from the operating enviroment properties and constraints. The main research topics include: constructing the CPS environment ontology with spatial and temporal properties as well as the CPS interaction ontology; modeling the timing requirements and the location requirements based on the environment; integrating timing and location requirements model to model spatial-temporal requirements on the basis of environment; using case studies from railway transportion area to verify the correctness of the modeling methods proposed in this study; and finally designing and developing tools for supporting spatial-temporal requirements modeling and analysis.

新兴的信息物理系统(CPS)蕴藏着巨大的潜在应用价值，建模CPS软件的时空需求是成功构建CPS软件从而使之得以成功应用的前提条件。根据CPS软件的特点，本研究拟从CPS软件的环境建模出发，从CPS软件的操作环境特性和约束中提取CPS软件时空需求规约。主要研究内容包括：构建具有时空属性的CPS环境本体以及具有时空属性的CPS软件环境交互本体；建立基于环境的CPS的时间需求模型和空间需求模型；整合时间需求模型和空间需求模型，建立基于环境的CPS软件的时空融合需求模型；使用轨道交通领域实际案例进行研究,验证本项目提出的需求建模方法的正确性；最后设计和开发相应的支撑工具支持CPS软件的时空需求建模和分析。

信息物理系统(CPS)的时空需求特征突出，建模CPS软件的时空需求是成功构建CPS软件从而使之得以成功应用的前提条件。本项目从CPS软件的环境建模出发，在基于环境建模的需求工程思想的指导下，对CPS软件时空需求进行了研究，探索了时空需求的建模、捕获方法和验证方法，推进了基于环境建模需求工程方向的研究和发展，也促进了新形势下CPS需求工程的发展。主要研究内容包括：构建具有时空属性的CPS环境本体以及具有时空属性的CPS软件环境交互本体；建立基于环境的CPS的时间需求模型和空间需求模型；整合时间需求模型和空间需求模型，建立基于环境的CPS软件的时空融合需求模型；使用轨道交通领域等实际案例进行研究，验证本项目提出的需求建模方法的有效性。围绕这样的研究内容，本项目的研究成果包括：(1)建立了面向CPS的时空环境模型和交互模型，时空环境本体以及时空环境交互本体；(2)构建了基于环境的CPS时空需求的建模方法，从时间、空间为需求建立各种模型，以方便需求的捕获和验证；(3) 建立了基于环境的CPS软件时空需求的捕获和验证方法，为后期开发奠定良好基础; (4) 用轨道交通领域与能量感知系统领域的实际案例进行了验证。（5）设计和开发了相应的工具TimePF支持CPS软件的时空需求建模和分析。研究成果发表在了国内外知名期刊与会议，共计13篇学术论文，另有2篇已接受，3篇在投，申请到软件著作权1项，专利（申请中）1项，培养博士研究生2名。研究达到了预期成果。