模型驱动式信息物理系统建模规范研究

【摘要】：信息物理系统(Cyber Physical System, CPS)是在环境感知的基础之上,通过3C技术(Computation, Communication, Control)的有机融合和深度合作,从而实现了大型工程的实时感知、动态控制和信息服务。CPS通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环方式实现深度融合和实时交互。CPS系统应用于我们日常生活的诸多方面,尤其是安全攸关系统,例如交通控制系统、自动驾驶系统、航空航天系统等。如何将离散系统和连续系统联系起来,是当前CPS系统面临的巨大挑战。随着通信、计算机和自动控制等技术的发展,基于通信的列车自动控制系统(Communication based train control, CBTC)逐渐成为国内轨道交通列车自动控制系统的新一代轨道信号系统。CBTC系统在结构上主要包含地面设备和车载设备,是一个安全攸关的系统。CBTC是一个融合了自动化控制技术、计算机技术和网络通信技术的综合应用,它的安全运行需要所有组成模块的共同参与和协作。因此,CBTC是一个典型的信息物理系统。列车定位(Train Position Determination, TPD)子系统是CBTC系统中安全需求较高的子系统。TPD子系统在列车定位的过程中产生了一系列的连续变量(如位置、速度、距离),体现了CPS系统的混成特性。TPD子系统是一个安全攸关的系统,其定位过程中产生的速度、加速度、位置、距离等连续变量都跟系统的安全密切相关。因此,从CPS系统的角度出发对列车定位系统进行建模、仿真和验证是非常有意义的。目前,模型驱动开发的建模方法只能刻画出系统离散状态的变化,还没有支持对连续行为建模的方法。MARTE概要文件(The UML Profile for Modeling and Anal-ysis of Real-Time and Embedded Systems. MARTE)支持对实时嵌入式系统建模,它在一定程度上可以适用于CPS系统的建模。MARTE提供了一种丰富的时间模型,它支持对离散时钟/连续时钟以及逻辑时钟/物理时钟的统一建模。另外,MARTE 还提供了时钟约束语言(Clock Constraint Specification Language, CCSL)来辅助建模。然而,MARTE属于半形式化语言,缺乏严格的形式化语法和语义的说明,也没有明确地提供对连续行为进行建模的具体做法。很显然,这还不能满足对CPS系统特性建模的要求。因此,本文从CPS系统的特性出发,在MARTE规范的基础之上,结合混成自动机(Hybrid Automata)理论以及混成迁移系统(Hybrid Transition System),提出了一种针对混成系统的建模规范,即HybridMARTE建模规范。本文的主要创新点如下1.为了支持CPS系统的建模,我们对下面两种元素进行了扩展：混成数据类型和表达式类型。HybridMARTE规范中,混成数据类型包括离散变量、连续变量、事件变量和时钟变量。表达式类型包括布尔表达式、微分表达式、时钟约束表达式和动作表达式。2.为了提供了一种支持对连续时间和离散时间统一建模的方法,我们在原始时钟模型的基础之上提供了一种新的时钟模型。3.在混成迁移系统的基础之上,本文提供了HybridMARTE类图(HybridMARTE Class Diagram, HCD)、HybridMARTE顺序图(HybridMARTE Sequence Dia-gram, HSD)和HybridMARTE犬态图(HybridMARTE Statechart, HSC)的形式化语法和语义。4.在上述研究的基础之上,设计并开发了支持HybridMARTE建模、仿真、验证的集成开发环境Hybrid tMDA (Trustable Model Driven Architecture for Hybrid Systems)。最后,我们利用HybridMARTE建模规范对轨道交通的列车定位系统进行建模,并且用Hybrid tMDA对模型进行了仿真和验证。通过对比分析,证明了HybridMARTE建模规范在CPS系统建模中的优势。