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)境感知的基礎上，深度融合了計算通信和控制能力的網(wǎng)絡化物理設備系統(tǒng)，通過計算、通信和控制技術（3Cs）的深度協(xié)作，旨在實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。CPS系統(tǒng)行為體現(xiàn)為信息過程和物理過程的有機融合，二者并行運作且又緊密交互。其中，以3Cs技術為基礎的信息過程受離散時鐘驅動，按照一定的離散事件序列運行，對物理設施進行感知和控制；而物理行為如機械運動、化學反應等則隨物理時間連續(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、感知響應閉環(huán)性以及多節(jié)點網(wǎng)絡化協(xié)作性等特征，給CPS系統(tǒng)的設計與開發(fā)帶來巨大的挑戰(zhàn)。
　　建模與仿真是實現(xiàn)CPS系統(tǒng)行為早期決策設計和參數(shù)評估的重要途徑?，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的信息平臺模型。其中Modelica相關研究人員通過對Modelica的嵌入式軟件模型擴

3、充，實現(xiàn) CPS系統(tǒng)行為的計時仿真；Ptolemy主要通過豐富的計算模型實現(xiàn)異構系統(tǒng)的分層設計與集成，但由于缺乏對離散過程執(zhí)行時間語義的支撐，不能夠對CPS系統(tǒng)行為的時間特性進行集成仿真分析。SystemC具備軟硬件協(xié)同建模能力，但對于信息過程的復雜動態(tài)模式的支撐較弱。本文采用“事件”作為信息過程與物理過程的橋接概念，研究由感知事件驅動的信息過程與控制事件驅動的物理過程的統(tǒng)一建模方法及其關鍵時間特性的刻畫與仿真評估方法，主要研究內容和創(chuàng)

4、新點如下：
　?。?）針對信息物理交互事件特性的精確刻畫需求，對時空事件形成條件的刻畫方法進行深入研究，從事件檢測者的角度提出了事件的量化時序組合邏輯，結合事件的變量取值條件組合邏輯和空間關系組合邏輯，總結了事件組合邏輯，為信息過程感知事件和控制事件的刻畫提供了精確語義。以月球車系統(tǒng)行為刻畫過程為例展示了事件的組合定義和應用過程。
　　（2）針對CPS系統(tǒng)行為仿真對信息過程行為及其時間特性的集成刻畫需求，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)轉換關系的接口實現(xiàn)模型及邏輯并行組合、動態(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。通過將事件類型與其檢測者、響應者以及響應結果類型和相應的延遲屬性相綁定，充分刻畫事件在信息物理閉環(huán)交互過程中的作用，并為信息與物理行為的協(xié)同仿真提供模型依據(jù)。
　　（3）針對帶延時屬性的接口行為模型的主要實現(xiàn)邏輯和延時屬性的早期仿真評估需

6、求，提出了一種基于擴展微分Petri網(wǎng)（DPN）的CPS閉環(huán)混成行為時效方面仿真建模方法，為CPS系統(tǒng)行為的響應決策和相關參數(shù)的早期設計提供了一種綜合評估手段。設計了基于擴展DPN模型的連續(xù)量離散感知過程、信息過程響應邏輯、控制過程以及物理動態(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；以智能車輛的自主行走場景為實驗對象，展示了該建模方法的可行性和有效性。
　?。?）依據(jù)信息行為時間特性和信息物理交互時序特性，設計并

7、實現(xiàn)了由感知-控制周期驅動的信息物理并行調度引擎，有效實現(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。以月球車系統(tǒng)為例，采用Rhapsody數(shù)據(jù)同步更新和事件端口通信機制，完成了CPS系統(tǒng)閉環(huán)信息流的搭建，應用并行調度機制完成了月球車系統(tǒng)閉環(huán)行為的集成仿真，驗證了月球車自主行進過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)行為和物理動態(tài)行為的設計與實現(xiàn)提供了可重復運行的仿真驗證環(huán)境。

8、r>　?。?）針對典型CPS系統(tǒng)的多節(jié)點網(wǎng)絡化協(xié)作特性，在混成自動機模型的基礎上提出了一種基于事件橋的帶延時屬性的網(wǎng)絡化混成動態(tài)行為模型。通過消除顯式時鐘變量的引用，實現(xiàn)了混成行為節(jié)點間的事件供求關系及其網(wǎng)絡延時特性的獨立、簡潔的刻畫；設計并實現(xiàn)了基于事件橋的建模與仿真框架，應用該框架分別建立了列車門控系統(tǒng)和月球車系統(tǒng)行為模型，有效實現(xiàn)了系統(tǒng)行為的仿真觀測和關鍵屬性驗證。該框架不僅適用于網(wǎng)絡化多混成節(jié)點系統(tǒng)，也適用于單CPS節(jié)點混成系統(tǒng)