基于SCADE的信息物理融合系统的分析和设计方法.pdf

分类号 u d c 密级 学校代号 1 1 8 4 5 学号 2 1 1 1 1 0 5 0 6 9 广东工业大学硕士学位论文 工程硕士 基于s c a d e 的信息物理融合系统的分析和设计 方法 彭涛 指导教师姓名 职称 韭童臣麴援 学科 专业 或领域名称 进簋扭堇丕 学生所属学院 让箕扭堂院 论文答辩日期 三q 二四生五旦 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o do fc y b e r p h y s i c a ls y s t e m s b a s e do ns c a d e c a n d i d a t e p e n gt a o s u p e r v i s o r p r o f z h a n gl i c h e n m a y2 0 1 4 s c h o o lo fc o m p u t e r s g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u g u a n g d o n g p r c h i n a 5 10 0 0 6 8叭4 3 一 n i哪8 洲5 2 一 心y 摘要 摘要 信息物理融合系统 c p s 被认为是继计算机 互联网之后的第三次技术革命 互 联网改变了人与人之间的交互方式 而c p s 将会改变人类与物理世界的交互方式 c p s 连接了计算机系统和物理世界 使得物理实体变得更加的智能化 可以达到高度自治 计算世界与物理世界逐渐融合在一起 在现在很难精确预计到c p s 在未来能发挥的积 极作用 但是不可否认c p s 拥有的巨大潜力 本文提出以高安全性应用开发环境 s c a d e 作为信息物理融合系统的应用开发平 台 s c a d e 是一个高安全性的应用开发平台 包含了嵌入式软件开发的整体流程 而 c p s 作为嵌入式系统之后的下一代智能系统 必然会集成嵌入式系统的种种特征 因此 s c a d e 可以作为c p s 开发的一种工具 利用s c a d e 分析与设计c p s 可以充分利用s c a d e 开发平台的各种优点 例如提高软件开发效率 降低软件开发成本 保证开发软件的 高安全性的特点等等 并且c p s 是一个反应式系统 这点与s c a d e 只能开发反应式系 统的特征上不谋而合 基于无线通信的自动列车控制系统 c b t c 是当前轨道交通控制系统的新趋势 c b t c 系统打破了传统t b t c 系统的基于轨道的列车控制与定位的种种缺点 是新一代的列车 控制系统 在本文中将c b t c 系统作为轨道交通信息物理融合系统的实例 使用s c a d e 开发工具对c b t c 系统的模块进行了分析与设计工作 c b t c 系统将会是未来轨道交通信息物理融合系统的核心 本文采用s c a d e 软件开 发工具对c b t c 系统进行了分析与设计 对c b t c 的相关子系统 区域控制器 z c 车 载子系统 v o b c 自动列车监控系统 a t s 计算机联锁子系统 c b i 数据通信子 系统 d c s 做了详细的系统分析 接着对c b t c 系统的主要功能做了详细的设计工作 包括m a 的计算功能 列车状态管理功能等 最后总结了使用s c a d e 作为c p s 分析与设 计工具的优缺点 实验证明将s c a d e 作为c p s 的一种分析与设计工具的探索确实有着 其实施的可能性 关键字 s c a d e 信息物理融合系统 c b t c 软件设计 广东工业大学硕士学位论文 n a b s t r a c t a bs t r a c t c y b e r p h y s i c a ls y s t e m s c p s i sc o n s i d e r e da st h et h i r dt e c h n i c a lr e v o l u t i o na f t e r c o m p u t e ra n di n t e r n e t i n t e r n e tc h a n g e dt h ew a yp e o p l ei n t e r a c tw i t he a c ho t h e r a n dc p s w i l lc h a n g eh u m a ni n t e r a c tw i t ht h ep h y s i c a lw o r l d c p sc o n n e c t st h ec o m p u t e rs y s t e m a n dt h ep h y s i c a lw o r l d i tm a k e st h ep h y s i c a le n t i t yt ob e c o m em o r ei n t e l l i g e n t c a na c h i e v e ah i g hd e g r e eo fa u t o n o m y t h ec o m p u t i n gw o r l dg r a d u a l l ym e r g e dt o g e t h e rw i t ht h e p h y s i c a lw o r l d n o w a d a y s i ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yp r e d i c th o wp o s i t i v et h ec p sc a n p l a yi nt h ef u t u r e b u tt h e r ei sn od e n y i n gt h eg r e a tp o t e n t i a lo f t h ec p s i nt h i s p a p e r s a f e t y c r i t i c a la p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s c a d e i s p r o p o s e da sa na p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt oa n a l y s i sa n dd e s i g nt h ec y b e r p h y s i c a l s y s t e m s c p s s c a d ei sah i g hs e c u r i t ya p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m c o n t a i n st h e o v e r a l lp r o c e s so ft h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t c p si st h en e x tg e n e r a t i o no f i n t e l l i g e n ts y s t e m a f t e re m b e d d e d s y s t e m i t i sb o u n dt o i n t e g r a t e av a r i e t yo f c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e m t h u s s c a d es h o u l db eat o o lo fd e v e l o p i n gc p s u s i n gs c a d et oa n a l y s i sa n dd e s i g nc p sc a nm a k ef u l lu s eo fv a r i o u sa d v a n t a g e so f s c a d ep l a t f o r m s u c ha si m p r o v es o f t w a r ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y r e d u c ed e v e l o p m e n t c o s t g u a r a n t e eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs e c u r i t y a n ds oo n c p si sar e a c t i v es y s t e m w h i c hc o i n c i d ew i t hs c a d ec a no n l yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e v e l o p m e n to f r e a c t i v e s y s t e m c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m c b t c i st h en e wt r e n do ft h ec u r r e n t r a i l w a yt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m c b t cb r o k et h ef a u l t so ft r a d i t i o n a lt b t cw h i c hc o n t r o l a n dp o s i t i o n i n gt r a i n sb a s e do no r b i t i ti st h en e wg e n e r a t i o no ft r a i nc o n t r o ls y s t e m c b t ci st r e a t e da sa ni n s t a n c eo ft h er a i lt r a n s i tc p si n t h i sp a p e r u s i n gs c a d e d e v e l o p i n gt o o l st of i n i s ht h ec b t ca n a l y s i sa n dd e s i g nw o r k c b t cw i l lb et h ec o r eo ff u t u r er a i l w a yc p s t h i sa r t i c l eu s e ss c a d es o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l st oa n a l y s i sa n dd e s i g nc b t cs y s t e m s r e l e v a n tc b t cs u b s y s t e m s z o n ec o n t r o l l e r z c v e h i c l eo n b o a r dc o n t r o l l e r v o b c a t s c b ia n dd c sa r e d e t a i l e da n a l y s i s t h e nt h em a i nf u n c t i o n so ft h ec b t cs y s t e mi sd e t a i l e dd e s i g n i i i 广东工业大学硕士学位论文 i n c l u d i n gt h ec a l c u l a t i o no fm a t r a i ns t a t em a n a g e m e n tf u n c t i o n s e t c f i n a l l ys u m m a r i z e s t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fu s i n gs c a d ea sat o o lt o a n a l y s i sa n dd e s i g nc p s e x p e r i m e n t sp r o v et h a ts c a d ea sat o o lo fa n a l y s i sa n dd e s i g no ft h ec p se x p l o r a t i o nd o h a v et h ep o s s i b i l i t yo fi t si m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d c p s s c a d e c b t c s o f t w a r ed e s i g n i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 v c o n t e n t s v i i 第一章绪论 1 1 1 课题的背景及意义 1 1 2 课题研究国内外动态 2 1 2 1 信息物理融合系统的发展情况 2 1 2 2s c a d e 的发展过程 3 1 3 课题的主要内容及组织形式 4 1 3 1 课题研究的主要内容 4 1 3 2 课题研究组织形式 4 第二章相关知识介绍 6 2 1 信息物理融合系统介绍 6 2 1 1c p s 定义 6 2 1 2c p s 的系统结构 6 2 1 3c p s 的特性 8 2 2s c a d e 相关知识介绍 8 2 2 1 反应式系统和同步假设 9 2 2 2s c a d e 的开发流程 1 1 2 2 3 图形化建模机制 1 2 2 2 4s c a d e 仿真与验证 1 4 2 2 5s c a d e 的其他功能 1 6 2 3 本章小结 1 6 第三章c b t c 系统分析 1 7 3 1c b t c 系统介绍 1 7 3 1 1c b t c 系统国内外研究进展 1 7 v 广东工业大学硕士学位论文 3 1 2c b t c 系统的概述 1 8 3 1 3c b t c 系统的优点 2 0 3 1 4c b t c 系统是信息物理融合系统 2 1 3 2c b t c 系统模块的分析 2 2 3 2 1c b t c 系统总体分析 2 3 3 2 2 区域控制器 z c 的分析 2 4 3 2 3v o b c 子系统的分析 2 7 3 2 4a t s 子系统的分析 2 8 3 2 5c b i 子系统和d c s 子系统的分析 2 9 3 3 本章小结 3 0 第四章基于s c a d e 的c b t c 系统模型设计 3 l 4 1m a 计算功能建模 3 1 4 1 1 单车运行情景 3 1 4 1 2 多列车运行场景 3 3 4 1 3m a 计算功能模型 3 3 4 2 列车状态管理模型 3 6 4 2 1 列车状态装换分析 3 6 4 2 2 列车状态管理建模 3 8 4 3 列车状态管理功能仿真 4 0 4 3 1 列车状态管理安全性分析 4 1 4 3 2 列车状态管理模型仿真 4 1 4 4s c a d e 开发c p s 的优缺点总结 4 4 总结与展望 4 6 参考文献 4 8 攻读学位期间发表的论文 5 l 学位论文独创性声明 5 2 致谢 5 3 v i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t c h i n e s e i a b s t r a c t e n g l i s h i i i c o n t e n t s c h i n e s e v c o n t e n t s e n g l i s h v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f c a n c eo f t h es u b j e c t 1 1 2d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hd y n a m i c 2 1 2 1 d e v e l o p m e n t o fc p s 2 1 2 2d e v e l o p m e n to f s c a d e 2 1 3c o n t e n t sa n ds t r u c t u r eo f p a p e r 3 1 3 1m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 3 1 3 2o r g a n i z a t i o no f p a p e r 4 c h a p t e r 2r e l a t e dk n o w l e d g ei n t r o d u c t i o n 6 2 1 c y b e r p h y s i c a ls y s t e m si n t r o d u c t i o n 6 2 1 1c p sd e f i n i t i o n 6 2 1 2s t r u c t u r eo f c p s 8 2 1 3f e a t u r eo f c p s 8 2 2r e l a t e dk n o w l e d g eo f s c a d e 8 2 2 1r e a c t i v es y s t e ma n ds y n c h r o n yh y p o t h e s i s 8 2 2 2s c a d e d e v e l o pp r o c e s s 1 1 2 2 3g r a p h i c a lm o d e l i n gm e c h a n i s m 1 2 2 2 4s c a d es i m u l a t i o na n dv e r t i f i c a t i o n 1 4 2 2 5o t h e rf u n c t i o no f s c a d e 1 6 2 3c h a p t e rs u m m a r y 1 6 c h a p t e r 3a n a l y s i so fc b t c 1 7 3 1c b t ci n t r o d u c t i o n 1 7 3 1 1r e s e a r c hp r o g r e s so f c b t c 1 7 v i i 3 1 2s u m m a r i z eo f c b t c 18 3 1 3a d v a n t a g e so f c b t c 2 0 3 1 4c b t cb e l o n g st oc p s 2 0 3 2a n a l y s i so f c b t cm o d u l e s 2 1 3 2 1w h o l ea n a l y s i so f c b t c 2 3 3 2 2a n a l y s i so f z c 2 4 3 2 3a n a l y s i so f v o b c 2 7 3 2 4a n a l y s i so f a t s 2 8 3 2 5a n a l y s i so f c b ia n dd c s 2 9 3 3 c h a p t e rs u m m a r y 2 9 c h a p t e r4c b t cm o d e ld e s i g nb a s e do ns c a d e 3 0 4 1m ac a l c u l a t i o nf u n c t i o nm o d e l i n g 3 0 4 1 1 s i n g l et r a i nr u n n i n gs e n c e 3 0 4 1 2m u l t i p l et r a i n sr u n n i n gs e n c e 3 1 4 1 3m ac a l c u l a t i o nm o d e l 3 3 4 2m o d e l i n go f t r a i ns t a t em a n a g e m e n t 3 6 4 2 1t r a i ns t a t et r a n s i t i o na n a l y s i s 3 6 4 2 2t r a i ns t a t em o d e l i n g 3 8 4 3t r a i ns t a t em a n a g e m e n ts i m u l a t i o n 4 0 4 3 1t r a i ns t a t em a n a g e m e n ts a f e t ya n a l y s i s 4 1 4 3 2t r a i ns t a t em a n a g e m e n tm o d e ls i m u l a t i o n 4 1 4 4a d v a n t a g e sa n dd i s a n v a n t a g e so f s c a d ed e v e l o pc p s 4 4 s u m m a r i z ea n d p r o s p e c t s 4 6 r e f e r e n c e s 4 8 p u b l i c a t i o n sd u r i n gm a s t e r ss t u d y 5 1 o r i g i n a lc r e a t i o nd e c l a r a t i o n 5 2 a c k n o w l e d g e m e n t 5 3 v i i i 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 信息物理融合系统 c y b e r p h y s i c a ls y s t e m s 以下简称c p s 是计算进程与物 理世界深度融合的产物 是实现了计算资源与物理资源紧密结合与完美协调的下一代 智能系统 c p s 是当今最前沿的交叉研究领域之一 涉及计算机科学 无线通信技术 控制理论 人工智能等多个学科 被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一革命 c p s 的影响将会远远超越2 0 世纪的i t 革命 l 正如互联网改变了人与人之间的交互 方式一样 c p s 的出现将改变人与物理世界交互的方式 2 j 高安全性应用开发环境 s a f e t y c r i t i c a la p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t 以下简称s c a d e 是法国爱斯特尔技术公司开发的一款基于模型驱动 的应用开发工具 它一个以软件模型设计为中心而非传统的以程序代码为中心的软件 开发工具 s c a d e 运用了正确构建 c o r r e c tb yc o n s t r u c ti o n 的概念 覆盖了嵌入式 软件开发中从需求到嵌入式代码的整个流程 需求建模 模拟仿真 覆盖率分析 形 式化验证和代码生成 3 j 城市轨道交通是城市公共交通的中心 它具有节能 省地 运量大 全天候 无 污染 或少污染 安全等特点 特别适用于大中城市 如今 我国正处于铁路交通大 发展时期 已经建成或正在兴建的城市轨道交通几乎遍布全国各地 已有3 0 多座城 市建成了或正在新建城市轨道交通系统 而传统的列车运行控制系统是采用轨道电路 为传输信道的a t c a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 系统 其原理是利用轨道电路来检测 列车位置 并向列车发送控制信息 由于技术成熟 传统的列车控制系统具有安全可 靠 能够保证行车安全的优点 但是 它也存在无法实现列车对地面控制系统之间的 通信 很难对列车的运行位置进行精确定位 轨道电路工作不稳定 安装和维护成本 过高等缺点 正是由于基于轨道电路的列车控制系统的这些缺点 使得城市轨道交通 系统的线路通过能力被大大的限制住了 4 j 随着无线数字通信技术的飞速发展 无线通信网络的技术发展和普及 基于无线 通信的列车控制系统 c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m c b t c 开始迅猛 广东工业大学硕士学位论文 发展起来 并且已在国内外投入运行 纽约 西雅图等北美城市和我国广州地铁4 号 线和5 号线均采用c b t c 系统作为列车的运行控制系统 c b t c 系统能够实现高精度的 列车定位和高速 双向的地一车数据通信 能够提供更精确的列车控制 持续的列车 安全间隔和超速防护 使得列车可以在更短的运行间隔内实现安全运行 提高运行效 东 5 6 一0 城市交通列车控制系统是一个典型的信息物理融合系统 未来城市交通信息物理 融合系统将会以c t b c 为基础 本文中以c t b c 系统作为c p s 的实例 用s c a d e 对c t b c 的相关模块进行分析与设计 在系统的初期开发阶段就建立了一个可用性高 安全性 好的系统模型 充分利用s c a d e 可以降低开发成本和风险 缩短了开发周期的优点 这样设计也可以满足c p s 的相关特性 特别是高安全性 这种方法也可以适用于其他 的安全性要求非常高的信息物理融合系统 1 2 课题研究国内外动态 1 2 1 信息物理融合系统的发展情况 在国外对c p s 技术的研究得到了各国政府的大力支持和认可 2 0 0 6 年2 月美国发 布的 美国竞争力计划 将信息物理系统列为非常重要的研究项目 2 0 0 7 年7 月 美 国总统科学技术顾问委员会 p c a s t 在题为 挑战下的领先 竞争世界中的信息技 术研发 的报告中列出了八大关键的信息技术 其中c p s 位列首位 7 j 美国网络与信 息技术研究开发计划 n i t r d 已投入数亿美元支持c p s 的研究 在欧洲 欧盟计划从2 0 0 7 年到2 0 1 3 年在嵌入智能与系统的先进研究与技术 a r t m e i s 领域里投入超过7 0 亿美元 以使得它能在2 0 1 6 年成为智能电子系统的 世界领袖 日本 韩国 新加坡等也在相关方面进行了大量投入 以增强其竞争能力 我国对c p s 研究也非常重视 国家重点基础研究发展规划 国家重大科学研究 计划2 0 1 0 年重要支持方向 中包含了 物联网的演进蟹d 沛e rp h y s i c a ls y s t e m s 2 0 1 0 年1 月1 5 日 国家8 6 3 计划信息技术领域专家组在上海举办了 信息物理融合 系统c p s 发展战略论坛 中国的国家自然科学基金 9 7 3 计划和8 6 3 计划已经将c p s 技术研究列为重点支持的对象 2 第一章绪论 1 2 2s c a d e 的发展过程 s c a d e 的发展史就是一个将优秀的技术与安全关键性产品的设计融合的过程 二 十多年前 来自u j f c n r s 和g r e n o b l ep o l y t e c h n i ci n s t i t u t e i n p g 等科学机构 相关的学术研究实验室v e r i m a g 的p a u lc a s p i 和n i c o l a sh a l b w a c h s 发明了形式化 定义的同步语言一l u s t r e 用于关键性控制软件的开发 1 9 8 6 年 梅兰日兰 现在的 施耐德电气 工业控制公司 决定用l u s t r e 的理念去开发一种叫做s a g a 的工具 s a g a 工具被用来开发一个核反应工厂的监测和紧急情况处理系统 在s a g a 工具取得巨大 成功后 当时的梅兰日兰公司通过一家刚刚成立的软件设计公司一v e r i l o g 来将s a g a 作为一款商业工具进行评价 而恰在此时v e r i l o g 公司也了解到a r o s p a t i a l e 现在 的空中客车 独立开发了一款类似的软件s a o s a o 它曾经被用于开发a r o s p a t i a l e 的a 3 2 0 的电控飞行操作控制系统 并取得了巨大成功 通过这两项技术 v e r i l o g 软件开发公司和梅兰日兰公司和a r o s p a t i a l e 合作 融合s a o 和s a g a 两中工具的特 点开发出s c a d e 商业性的软件开发工具 s c a d e 被v e r i l o g 公司成功推广 直到1 9 9 3 年3 月被t e l e l o g i c 公司购买 s c a d e 被融合进了不断完善的t e l e l o g i c 公司生产线并且继续它的成功 2 0 0 1 年1 1 月1 日 爱斯特尔技术公司从t e l e l o g i c 公司购买了s c a d e 的整套商业产权 作为达成的协议 的一部分 所有的s c a d e 员工加入了爱斯特尔公司的r d 和市场工作组 被爱斯特尔 公司收购之后 对s c a d e 的不断改进使其成为高可靠性和安全关键性系统开发的明智 选择 2 0 0 5 年2 月 s c a d e 的c 代码生成器模块正式通过了i e c 6 1 5 0 8 标准的产品认 证 包括s i l 4 在内这个标准适用与所有安全水平 这个认证使得汽车 运输 医疗 和工业控制系统的设计者可以在范围不断扩大的质量关键性系统中开发和推广s c a d e 软件 如今 s c a d e 已经成为航空业界开发符合d o 一1 7 8 b 和e d 一1 2 b 标准的嵌入式软件的 标准工具 由已经取得成功的s c a d e 产品衍生出的s c a d ed r i v e 如今正逐渐成为汽车 行业关键性嵌入式软件开发的新型标准工具 广东工业大学硕士学位论文 1 3 课题的主要内容及组织形式 1 3 1 课题研究的主要内容 本文研究的主要内容有 信息物理融合系统 c p s 基本特征及概念的介绍 高安 全性软件开发环境 s c a d e 的开发过程及理论基础介绍 基于通信的列车控制系统 c b t c 的相关知识与技术理论介绍 对c b t c 系统进行基于s c a d e 的系统分析与设计 对c b t c 系统进行子系统划分 并分别对相关子系统进行分析与设计 对m a 计算功能 和列车状态管理功能分别进行了建模 并对列车状态管理功能模型做了模型仿真 最 后对使用s c a d e 分析c p s 的方法的优缺点进行了论证 1 3 2 课题研究组织形式 本文的组织形式如下 第一章本章首先介绍了课题的背景及意义 其次介绍了课题研究的国内外动态 包括信息物理融合系统和高安全性软件开发环境的发展状况 最后说明了课题研究的 主要内容 第二章本章介绍了本论文用到的一些相关知识和技术 首先对c p s 系统进行概 述 介绍了c p s 的定义 然后描述了c p s 的系统结构 分析其物理世界和信息世界的 交互方式 并介绍了c p s 系统的基本特征 其次对s c a d e 软件开发环境做了详细的介 绍 描述了s c a d e 开发系统的开发流程 并对相关步骤进行了说明 重点介绍了s c a d e 的图形化建模方式 指出l u s t r e 是s c a d e 同步编程的基础 第三章本章详细介绍了c b t c 系统 首先介绍了c b t c 的国内外发展状况 然后 对c b t c 系统进行了研究 对c b t c 的子系统进行了单独的介绍 然后就c b t c 系统与 传统列车运行控制系统的优点做了说明 对c b t c 系统进行了功能及需求分析 并对 c b t c 的子系统做了单独的系统分析 第四章本章采用s c a d e 工具对c b t c 的主要子系统进行了模型的构建 对移动授 权的计算功能做了数据流图建模 对列车状态管理功能做了有限状态机建模 然后在 s c a d e 环境下对列车状态管理功能的模型进行了仿真 并给出了仿真图 实验后对给 予s c a d e 的c p s 分析与设计的优缺点进行了阐述 4 第一章绪论 最后是对自己所做的部分工作进行了总结 并指出进一步有待研究的工作 广东工业大学硕士学位论文 第二章相关知识介绍 2 1 信息物理融合系统介绍 当今 嵌入式系统依旧是智能系统的主体 但是传统的嵌入式系统是封闭的 并 没有外留运算接口 不能满足现在物理设备可控 可信 可扩展等的功能需求 随着 计算机技术 无线通信技术 云计算技术等技术的发展与成熟 c p s 现在成为信息技 术的研究热点 8 c p s 实现了计算进程和物理世界的一体化设计 使得该系统更加智 能 可靠 实时协同 具有重要而广泛的应用前景 在未来c p s 将广泛应用于重要基 础设施的建设 国家防御系统 智能交通控制 环境监控 智能家居 航空与航天系 统 医疗保健等诸多领域 2 1 1 c p s 定义 对c p s 的定义现在还没有一个统一的定义 但是国内外学者都按照自己的理解从 不同方向对c p s 做了定义 比较有代表性的有 我国何积丰院士认为c p s 就是一个 综合环境感知 深度融合了计算 通信和控制能力的可控可扩展的网络化物理设备系 统 它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合 其最终目标是实 现信息世界和物理世界的完全融合 9 u c b 的l e e 教授对c p s 的定义 c p s 通过嵌入 式计算机和通信网络实现对物理进程的监控 并且通过反馈循环实现物理进程对计算 进程的影响 从而达到计算进程与物理进程的集成和相互影响 l 引 从以上定义可以看出 c p s 就是这样一类系统 它通过计算进程与物理进程的集 成 实现物理世界与计算进程的深度融合 计算进程可以实时高效的监控物理实体 物理实体借助计算进程实现对环境的感知 控制与反馈 2 1 2c p s 的系统结构 c p s 的基本组件包括传感器 s e n s o r 执行器 a c t u a t o r 和决策控制单元 d e c i s i o n m a k i n gc o n t r o lu n i t 传感器用来监控和感矢h t 部信号并将信号发送到决策 控制单元 执行器能够根据控制指令控制受控对象 决策控制对象能根据用户传感器 6 第二章相关知识介绍 的输入和用户自定义的规则生成控制指令 基本组件结合反馈循环控制机制 1 1 1 见图 2 1 构成了c p s 的基本功能逻辑单元 执行c p s 最基本的监测与控制功能 图2 1 c p s 的反馈环 f i g 2 1 f e e d b a c kl o o po fc p s c p s 的抽象结构如图2 2 所示 由图可知c p s 是通过 3 c c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n c o n t r 0 1 来实现物理世界与计算进程的紧密联系的 物理设备中嵌 入的大量传感器通过无线传感器网络来进行物理设备与计算机的通信 而执行器根据 计算得到的控制指令控制物理实体 决策控制单元则根据传感器的输入和用户定义的 规则生成控制指令 c p s 正是通过 3 c 的融合 以安全的 实时的 可靠的方式监 控一个物理实体的具体动作行为 从本质上说 c p s 是一个具有控制属性的网络系统 它包含传统控制中很少使用的无线网络 在使用中信息传播 共享 融合更为明确 开环与闭环控制并用1 1 2 1 s i e a l 图2 2 c p s 抽象结构 f i g 2 2 a b s t r a c ts t r u c t u r eo fc p s 广东工业大学硕士学位论文 2 1 3c p s 的特性 c p s 包含了未来无处不在的环境感知 嵌入式计算 网络通信和网络控制等系统 工程 使物理实体具有计算 通信 精确控制 远程协作和自治5 大功能 c p s 具有 与传统的嵌入式系统不同的一些特殊性质 1 3 l 1 6 1 深度嵌入性 嵌入式传感器与执行器使计算被深深地嵌入到每一个物理组 件 甚至可能被嵌入进物质里面 使得计算变的更普遍了 计算进程与物理世界变得 密不可分 2 复杂性 c p s 一般是服务一个大型的复杂系统 拥有不同类型的设备 不同 的通信网络 并且在时空层次上也包含了高度的复杂性 3 高安全性 相比较传统的软件系统 c p s 的系统规模与复杂性对信息系统安 全提出了更高的要求 4 异构性 c p s 包含了许多功能与结构不同的子系统 各个子系统之问要通过 有线或无线网络的通信方式进行协调工作 因此c p s 也被称为系统的系统 s y s t e m so f s y s t e m s 5 自适应性 作为未来的智能系统 c p s 应具备当环境变化时的自适应 重配 置的能力 6 高可信赖性 物理世界不是完全可预测和可控的 对于意想不到的条件必 须保证c p s 的鲁棒性 2 2 o a d e 相关知识介绍 s c a d e 的核心是l u s t r e 语言 它是一种同步程序设计语言 专门适用于反应式系 统的编程 在使用s c a d e 设计时所用的图形描述符需要转换成l u s t r e 语言 然后在 此基础上进行模型检查 模拟仿真 形式化验证 代码自动生成等工作 甚至可以直 接采用l u s t r e 语言的文本方式来搭建软件模型 扳应式系统和同步假设正是l u s t r e 语言中与模型设计直接相关的两个基础概念 并且s c a d e 只适用于反应式系统的开发 因此在正式介绍s c a d e 之前有必要先简单介绍反应式系统和同步假设理论 第二章相关知识介绍 2 2 1 反应式系统和同步假设 程序及其控制的系统分为转换式系统 t r a n s f o r m a t i o n a ls y s t e m 和反应式系 统 r e a c ti v es y s t e m 两大类 1 7 转换式系统可以看作是从初始状态到终止状态 或 终止结果 的函数 函数可以是多值的 在计算结束后会得到一个最终结果 而反应 式系统可以看作是一个不断接收输入和产生输出的系统 当前的输出可能影响以后的 输入 反应式系统的特点是维持与其环境之间不断地交互作用 而并非产生一个最终 结果 反应式系统的模型如图2 3 所示 由图可以看出在反应式系统中 它通过与外 部环境的不断交互 不断的产生输出并接收输入 不断地进行与环境之间的相互反馈 图2 3 反应式系统模型 f i g 2 3 m o d e lo f r e a c t i v es y s t e m 在处理反应式系统时 由于系统与环境之间是一个动态交互的过程 在任意时间 点上反应式系统都是处在一个产生输出并接收输入的状态下 反应式系统不仅仅是设 计一个周期性的接收输入和产生输出的处理器过程 在当前产生的输出会加载到系统 的输入里面 并会对下一个输出产生影响 这样对系统设计的复杂度和系统处理时间 提出了很高的要求 同步假设 s y n c h r o n yh y p o t h e s i s 正是在这种情况之下被提出来 的 同步假设是假设反应式系统的处理速度无限快 即是说在考虑反应式系统的时候 可以认为系统在一个可以忽略不计的时间粒度上响应输入和产生输出 然后等待下一 个输入 由于这个时间粒度不可分割 因此 在系统响应输入并产生输出的时间微粒 中 系统并没有发生其他的变化 仅仅只是在那个时间粒度上接收了输入并完成了输 9 广东工业大学硕士学位论文 出 由图2 4 可以看出 在同步假设中引入了物理时间和逻辑时间的概念 在实际的 物理时间中 输入和输出时有反应时间的 但是在同步假设中将其抽象为了逻辑时间 即系统在瞬间产生输出 可以看出来 在现实情况下同步假设的情况是不可能发生的 任何系统都不会有这种反应速度 但是对反应式系统的分析可以看出 反应式系统在 周期地进行接收输入和产生输出的过程中 只要能够保证在新的输入进入系统之前完 成系统对上次输入的响应 就可以满足同步假设的情况 在设计反应式系统时 使用 同步假设理可以大大简化对反应式系统的设计考虑 图2 4 物理时间与逻辑时间 f i g 2 4 p h y s i c a lt i m ea n dl o g i c a lt i m e 在设计反应式系统时 l u s t r e 语言里面引入了基本时钟这个概念 所谓的基本时 钟就是指一段非常微小的时间段 利用基本时钟概念可以将将实际的物理时间划分为 许多离散的时间段 在将物理时间划分为离散时间段时 必须保证离散时间段的间隔 够小 还要保证反应式系统计算产生输出的时间必须要小于系统产生输入的时间 保 证了这两点之后就可以从将物理时间转化为逻辑时间 逻辑时间即是对物理时间在系 统上的抽象 1 0 第二章相关知识介绍 2 2 2s c a d e 的开发流程 基于模型的y 型开发流程如图2 5 所示 从图2 5 可以看出基于模型的软件开发 流程类似于传统软件开发的v 模型开发方式 在传统软件开发流程中常常使用到v 型 开发模型 在v 型开发过程中也包括在图2 5 显示的几个阶段 在v 型开发中编码阶 段位于整个v 字型的最底端 需求分析 概要设计 详细设计构成v 字型的左边三个 阶段 而在右边与这三个阶段对应的是系统测试 集成测试 单元测试 系统需求分 析对应系统测设 概要设计对应集成测试 详细设计对应单元测试 可以看出基于模 型的y 型开发里将单元测试和编码过程省略过去了 在传统软件开发中 系统开发的 中心是代码额编写 通过需求分析 概要设计 详细设计都在为代码的编写创造条件 代码编写完之后必须要对代码的正确性进行验证 就是单元测试 集成测试 系统测 试 单元测试是系统划分的单元代码编写完成且无编译错误后对单元模块进行的测 试 可以发现b u g 并及时修正 集成测试发现单元模块组合起来后形成的集成模块的 错误并更正 最后是对整个系统进行测试 测试系统运行是否正常等 18 图2 5 基于模型的y 型开发流程 f i g 2 5 b a s e do nm o d e lo f