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信息物理融合系统的形式化建模与分析

雷瑶  
【摘要】:信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)是一类将物理对象与计算单元通过新型通讯网络高度集成的复杂设备系统。面对物理对象的系统化集成高灵活性和功能复杂性的发展趋势,程序设计也变的更为繁杂,且难以维护。CPS的应运而生能够合理的处理上述缺陷,它在时间与空间上都跟物理世界融合紧密,对时间特性要求非常高的实时系统,高度耦合连续事件与离散跳跃间的关系,是在嵌入式系统的基础上整合新型传感器技术、智能控制技术等的新兴技术,实现人、机、物的紧密融合。 对于传统实时嵌入式系统功能单一,应用范围狭窄等问题,信息物理融合系统通过将计算、通信与实物紧密联系起来,使物理设备能够精确控制,让整个世界都互联起来,面对变化无常的应用环境,实时调节系统自身的运行状态,保证应用系统工作的安全性、实时性以及稳定性。 随着CPS的研究日趋广泛,对CPS的建模语言及软件工具也甚为繁杂,关于系统的安全性和稳定性保障也是重点关注问题。nodelica建模语言忽略了各应用领域模型的内部差异性,将各领域特征封装与组件内,利用接口方式进行通信,从而实现多领域建模功能,解决了现有的各类建模语言开发模型应用领域受限的不足,高效的处理建模语言应用于多领域问题。微分逻辑以数学方程为基础来对信息物理融合系统进行描述,对系统的各属性规约并验证其正确性。通过微分逻辑非常强的推理自动化能力,对系统中的各种性能展开逻辑描述,并利用和其中抉择逻辑对应的定理去分析系统,简明精确验证应用系统,以达到系统的最佳性能。 本文利用微分逻辑分析方法深入对信息物理融合系统的研究,结合信息物理融合系统典型应用列车自动控制系统为例,对微分逻辑方法所建的信息物理融合系统模型进行分析,并验证该实时系统的安全性及稳定性。首先将控制系统抽象分离为时间方面模型、通信方面模型、物理方面模型等子方面,分别对其属性规约进行建模描述,然后将各子方面模型融合到控制系统结构中,正则组合成一个完整的控制系统模型。最后通过实时推理验证控制系统的性能,说明逻辑分析方法对信息物理融合系统的合理性及可行性。


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