基于事件的CPS系統(tǒng)行為仿真建模方法研究.pdf

1、信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是指在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算通信和控制能力的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算、通信和控制技術(shù)（3Cs）的深度協(xié)作，旨在實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS系統(tǒng)行為體現(xiàn)為信息過(guò)程和物理過(guò)程的有機(jī)融合，二者并行運(yùn)作且又緊密交互。其中，以3Cs技術(shù)為基礎(chǔ)的信息過(guò)程受離散時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，按照一定的離散事件序列運(yùn)行，對(duì)物理設(shè)施進(jìn)行感知和控制；而物理行為如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等則隨物理時(shí)間連續(xù)變化，使得CP

2、S系統(tǒng)行為整體上呈現(xiàn)出離散與連續(xù)的混成性、信息與物理的并行性、感知響應(yīng)閉環(huán)性以及多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作性等特征，給CPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。
　　建模與仿真是實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)行為早期決策設(shè)計(jì)和參數(shù)評(píng)估的重要途徑?，F(xiàn)有的CPS系統(tǒng)行為仿真模型研究成果較少，主要有基于方程的Modelica模型、面向角色的Ptolemy模型以及基于SystemC的信息平臺(tái)模型。其中Modelica相關(guān)研究人員通過(guò)對(duì)Modelica的嵌入式軟件模型擴(kuò)

3、充，實(shí)現(xiàn) CPS系統(tǒng)行為的計(jì)時(shí)仿真；Ptolemy主要通過(guò)豐富的計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)與集成，但由于缺乏對(duì)離散過(guò)程執(zhí)行時(shí)間語(yǔ)義的支撐，不能夠?qū)PS系統(tǒng)行為的時(shí)間特性進(jìn)行集成仿真分析。SystemC具備軟硬件協(xié)同建模能力，但對(duì)于信息過(guò)程的復(fù)雜動(dòng)態(tài)模式的支撐較弱。本文采用“事件”作為信息過(guò)程與物理過(guò)程的橋接概念，研究由感知事件驅(qū)動(dòng)的信息過(guò)程與控制事件驅(qū)動(dòng)的物理過(guò)程的統(tǒng)一建模方法及其關(guān)鍵時(shí)間特性的刻畫(huà)與仿真評(píng)估方法，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)

4、新點(diǎn)如下：
　　（1）針對(duì)信息物理交互事件特性的精確刻畫(huà)需求，對(duì)時(shí)空事件形成條件的刻畫(huà)方法進(jìn)行深入研究，從事件檢測(cè)者的角度提出了事件的量化時(shí)序組合邏輯，結(jié)合事件的變量取值條件組合邏輯和空間關(guān)系組合邏輯，總結(jié)了事件組合邏輯，為信息過(guò)程感知事件和控制事件的刻畫(huà)提供了精確語(yǔ)義。以月球車(chē)系統(tǒng)行為刻畫(huà)過(guò)程為例展示了事件的組合定義和應(yīng)用過(guò)程。
　　（2）針對(duì)CPS系統(tǒng)行為仿真對(duì)信息過(guò)程行為及其時(shí)間特性的集成刻畫(huà)需求，提出了基于事件-接口

5、的CP交互行為仿真建模方法。借鑒現(xiàn)有軟件行為模型，重新定義了接口的行為模型；給出了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的接口實(shí)現(xiàn)模型及邏輯并行組合、動(dòng)態(tài)并發(fā)和物理并行組合等接口組合方法，輔助信息行為的描述與仿真建模。通過(guò)將事件類(lèi)型與其檢測(cè)者、響應(yīng)者以及響應(yīng)結(jié)果類(lèi)型和相應(yīng)的延遲屬性相綁定，充分刻畫(huà)事件在信息物理閉環(huán)交互過(guò)程中的作用，并為信息與物理行為的協(xié)同仿真提供模型依據(jù)。
　?。?）針對(duì)帶延時(shí)屬性的接口行為模型的主要實(shí)現(xiàn)邏輯和延時(shí)屬性的早期仿真評(píng)估需

6、求，提出了一種基于擴(kuò)展微分Petri網(wǎng)（DPN）的CPS閉環(huán)混成行為時(shí)效方面仿真建模方法，為CPS系統(tǒng)行為的響應(yīng)決策和相關(guān)參數(shù)的早期設(shè)計(jì)提供了一種綜合評(píng)估手段。設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)展DPN模型的連續(xù)量離散感知過(guò)程、信息過(guò)程響應(yīng)邏輯、控制過(guò)程以及物理動(dòng)態(tài)的一般模式，給出了感知、控制模型與物理連續(xù)模型的集成方法；以智能車(chē)輛的自主行走場(chǎng)景為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，展示了該建模方法的可行性和有效性。
　?。?）依據(jù)信息行為時(shí)間特性和信息物理交互時(shí)序特性，設(shè)計(jì)并

7、實(shí)現(xiàn)了由感知-控制周期驅(qū)動(dòng)的信息物理并行調(diào)度引擎，有效實(shí)現(xiàn)了基于 Statechart模型的CPS系統(tǒng)行為統(tǒng)一視圖建模與信息物理協(xié)同仿真。以月球車(chē)系統(tǒng)為例，采用Rhapsody數(shù)據(jù)同步更新和事件端口通信機(jī)制，完成了CPS系統(tǒng)閉環(huán)信息流的搭建，應(yīng)用并行調(diào)度機(jī)制完成了月球車(chē)系統(tǒng)閉環(huán)行為的集成仿真，驗(yàn)證了月球車(chē)自主行進(jìn)過(guò)程中避障策略的安全性。該方法所形成仿真框架為系統(tǒng)中信息系統(tǒng)行為和物理動(dòng)態(tài)行為的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了可重復(fù)運(yùn)行的仿真驗(yàn)證環(huán)境。

8、r>　　（5）針對(duì)典型CPS系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作特性，在混成自動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上提出了一種基于事件橋的帶延時(shí)屬性的網(wǎng)絡(luò)化混成動(dòng)態(tài)行為模型。通過(guò)消除顯式時(shí)鐘變量的引用，實(shí)現(xiàn)了混成行為節(jié)點(diǎn)間的事件供求關(guān)系及其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性的獨(dú)立、簡(jiǎn)潔的刻畫(huà)；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于事件橋的建模與仿真框架，應(yīng)用該框架分別建立了列車(chē)門(mén)控系統(tǒng)和月球車(chē)系統(tǒng)行為模型，有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)行為的仿真觀測(cè)和關(guān)鍵屬性驗(yàn)證。該框架不僅適用于網(wǎng)絡(luò)化多混成節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，也適用于單CPS節(jié)點(diǎn)混成系統(tǒng)