空中交通CPS结构特性及韧性评估

针对空中交通体系结构复杂、耦合性强、脆弱性高的特点,为缓解因受扰导致的级联失效现象,对其结构韧性进行研究。建立了空中交通信息物理系统(CPS)模型,提出同层度与层间度、同层介数与层间介数等指标,分析级联失效过程;提出空中交通CPS韧性的概念,并采用定量评估方法对受损能力和恢复能力进行度量;对比不同扰动-恢复策略下的空中交通CPS表现,制定最佳恢复策略,提高受扰时的韧性。以华东地区空中交通CPS为例进行分析,结果表明:空中交通CPS网络度分布服从幂率分布,介数服从指数分布;在基于介数度值扰动下,采用介数恢复策略可以有效提高受扰时空中交通CPS的韧性。

基于CPS的设备管理研究与应用

制造企业在智能制造改革过程中的主要目的是降低生产成本,提高生产效益,而当前生产设备的低利用率成为制约其发展的一大重要因素。对制造企业当前面临的生产状况进行分析,并将信息物理系统与企业的实际情况相结合,使用层次化的方法设计了一套设备管理系统。通过系统的建设,改善了数控机床的生产状况,使得生产设备得到了充分的利用,科学有效地提高了企业的生产效率,最终实现降本增效的目的。

工业互联网安全风险防控中的CPS应用探索

随着数字技术与传统基础设施的紧密结合,工业互联网已然逐步成为新基建领域的核心战场。新基建催生的全新产业形态和发展模式,势必带来全新的风险和挑战,这也是与传统环境相比较明显的差异之一。在全力推进“新基建”的过程中,必须高度警惕并防范可能出现的各类新型风险,将预防及管控工业风险视为至关重要的一环。因此,针对工业互联网安全风险防控中的信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)应用展开研究。

电力CPS的架构及其实现技术与挑战

引入前沿信息技术并把电力系统和信息系统进行深度融合是实现电力系统智能化的关键。信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)是通过3C(computation,communication,control)技术将计算、网络和物理环境融为一体的多维复杂系统,通过多技术有机融合,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务,具有非常广阔的应用前景,因而在国际上受到了普遍重视。在此背景下,基于CPS概念并结合电力系统特点,提出建立电力CPS的思路和框架。首先,概述了CPS的概念、主要功能和技术特征。之后,构造了电力CPS的架构和主要组成部分,指出了实现电力CPS的若干关键技术。最后,从基础理论、建模方法、仿真算法、安全性分析、可靠性分析、系统设计与规划、运行调度、标准化等方面讨论了电力CPS研究中所面对的主要挑战。

CPS体系结构设计

Cyber-Physical System(CPS)是基于网络和嵌入式系统等技术而发展起来的下一代智能系统。体系结构是CPS的骨架和灵魂。分析了CPS概念和特性,构建了CPS三层体系结构框架,分别为包含实体的物理层、将资源互联互通的网络层和为用户提供服务的应用层。并对各层进行了深入分析,给出了各层相关概念描述。通过智能交通系统体系结构实例证明了CPS三层体系结构框架符合CPS概念,能够反映CPS特性,能够指导未来CPS研究和系统开发。

基于CPS和数字孪生技术的智能制造课程建设——自动化专业实践课程教改探索

为满足新兴产业对人才的需求,改变传统自动化专业实践课程对学生吸引力不强的现状,东华大学信息科学与技术学院建设了以智能制造为主题的专业实践课程体系。其中,在面向离散制造的智能制造实践教学部分,应用西门子Tecnomatix Process Simulate软件,设计了基于数字孪生技术的多机器人生产线系统,用于培训学生对机器人进行离线编程及基于控制逻辑事件驱动的虚拟仿真;在自动化专业综合实习课程中,应用西门子NX MCD研制了基于CPS的工业智能制造虚拟仿真平台,使学生编制的PLC程序经数据通信控制该虚拟仿真平台上的工业智能制造生产线,实现虚拟设备调试和运行。该实践课程建设符合智能生产设计理念,为自动化专业工程实践教学改革提供了一种新的思路。

面向CPS系统仿真的建模方法研究与设计

CPS仿真建模在构建CPS系统时具有重要意义,不仅能够在系统开发过程中对系统进行验证和测试,而且是模型驱动开发中的重要环节。CPS系统通过精化和提炼可分为物理实体和计算实体,采用具有动态连续性、基于时间的运动状态行为模型构建物理实体;计算实体模型则采用基于有限状态机的离散系统行为模型进行构建。通过面向时间的状态精化对两种行为模型进行扩展,将两种扩展模型进行融合,完成CPS系统的建模仿真。分析了构建计算实体模型的统一建模语言(UML)以及构建物理实体模型的simulink/RTW建模工具的可行性,提出了基于UML框架的两种异质模型融合方法。

基于异构模型融合的CPS系统仿真建模方法研究

单一的离散系统仿真或连续系统仿真已无法满足复杂的CPS系统仿真需求。结合CPS一体化模型的3类实体,对计算实体构建基于事件驱动的离散事件仿真模型(UML模型),对物理实体构建基于动态连续时间坐标的连续时间仿真模型(Simulink模型),并以刻画计算实体和物理实体的交互接口和行为特征为目的,进行协同仿真,构建交互实体模型。给出并分析了UML/Simulink协同建模的优点,研究并分析了3种不同的模型融合方法,结合无人机模型,从模型级对CPS一体化模型的融合进行了分析设计。

CPS与未来制造业的发展:中德美政策与能力构建的比较研究

在全球再工业化的浪潮下,网络-实体系统(Cyber-Physical System,CPS)成为各国实现制造业升级的关键。本文以服务主导逻辑为理论基础,构建融合技术、能力和应用为一体的CPS架构,分析中国、德国和美国的制造业政策与报告,对比三个国家信息化与工业化融合战略布局的异同。研究发现,制造业正在向以用户为中心的制造服务化进行转变。在CPS能力体系的构建中,中国注重强化工业基础实力,德国强调制造业高度集成,美国侧重社会力量助力制造创新。

面向CPS的时间戳不确定事件调度算法

信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)作为计算过程和物理过程的统一体,是集计算、通信、控制于一体的下一代智能系统。事件是连接信息世界和物理世界的重要元素,但是在实际应用中,由于数据的漏读,各个监测系统之间事件的时间粒度不匹配,来自分布式系统的事件存在着时间不同步问题等原因,会造成事件的时间戳不确定。利用时间戳不确定复杂事件的剪枝技术改进时间戳确定事件调度的低水标记算法,提出了时间戳不确定的复杂事件调度算法,并对CPS中的读写事件进行了合理调度。实验证明该算法的事件调度准确性高,保证将正确的事件执行顺序反馈给CPS系统。

基于体系结构能耗建模的CPS软件可信性评估方法

信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)是一种计算系统和物理环境紧密结合的网络化嵌入式系统,软件作为其重要的使能部件,如果在其设计阶段能够考虑能耗影响等问题,则能有效提高软件及系统的可信性.软件体系结构在设计阶段为构造软件的结构、行为和关键属性提供设计模型和指导,对CPS软件体系结构能耗进行建模,分析和评估能耗对CPS软件可信性的影响,可以在设计阶段发现其体系结构能耗设计缺陷,并重新设计软件体系结构,从而有效提高CPS软件可信性.基于此,首先基于能耗时间Petri网建立了CPS软件体系结构能耗模型,并分析了影响CPS软件可信性的能耗问题;针对这些问题,将分析得到的能耗数据作为建立可信性指标模型的基础,提出了基于能耗指标模型的CPS可信性评估方法;最后通过实例建模和分析,进一步说明该方法的有效性.

描述CPS物理实体的时空Petri网模型

时间Petri网在经典Petri网的基础上引入了时间因素,不仅能分析逻辑层次的系统性能,还能分析时间层次的系统性能,然而包含空间因素的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)的产生需要对时间Petri网进行拓展。CPS集成计算系统和物理系统,不仅能够实时感知物理环境信息,并且能够通过物理实体改变物理环境。对CPS的物理层面特点进行了深入分析,研究了CPS物理实体的属性及其位置变迁过程,提出了一种CPS物理实体的形式化建模方法。在时间Petri网的基础上引入了空间因素,构造了时空Petri网模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为,并且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。最后以机器人控制系统为例,进一步阐述了时空Petri网模型的有效性。

基于CPS方法与脆弱性评估的制造系统健康状态智能诊断

现有的制造系统健康管理技术很少应用信息物理系统(CPS),也很少有学者从脆弱性的角度探究制造系统的"病因"。根据制造系统的结构特征和健康管理技术原理,提出在其关键设备上嵌入基于CPS与脆弱性分析的健康管理模块,以实现系统健康状态与影响因素的在线动态分析。重点研究基于脆弱性的系统健康状态判断方法、基于数据驱动的制造系统性能异常判断和亚健康状态下设备异常因素的识别。基于嵌入式CPS的制造系统设备健康状态诊断与分析可以根据设备服役过程中的脆弱性状况判断设备的健康状态,基于数据驱动的设备异常因素判断方法可以监测设备服役过程中的性能参数变化情况,及时判断造成设备异常的关键因素。通过柔性制造系统仿真实验,证明了所提方法可实时判断系统的健康状态,有效识别导致设备亚健康状态的性能参数。

基于变采样周期的CPS多重优先级调度研究

信息物理融合系统(CPS)是实现能源互联网中信息技术和电网技术融合的重要技术体系。针对在CPS中采用传统调度策略导致的高丢包率、低利用率和网络延时长等问题,提出了一种多重优先级的调度策略,该调度策略能够保证信息在网络中传递的灵活性;基于该调度策略,针对CPS不同组成部分的特点,提出了两种变采样周期算法,该算法能够同时兼顾网络资源情况和系统控制性能,使系统在网络资源受限的情况下能够达到稳定状态。最后,根据能源互联网的特点,描述了如何将该调度策略应用于能源互联网中。

一种离散连续混成的时空事件驱动的CPS体系架构

为描述信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)中离散信息系统和连续物理系统交互融合的混成特性,基于混成自动机理论,结合多智能体系统(multi-agent system,MAS)和时空事件驱动方法,提出一种CPS体系架构.该架构用改进的混成自动机理论刻画了离散空间和连续状态混成的CPS体系架构的主体,同时定义了基于时空事件的CPS事件,设计了基于MAS的CPS端,并运用定义不同功能的CPS端和CPS事件驱动机制解析了CPS体系架构内部信息物理交互反馈过程.最后以车速调控系统为例,采用提出的CPS体系架构分析了协同驾驶过程中单一车辆内部速度调控的信息物理融合过程,并对其进行了形式化描述,实例的形式化过程表明提出的体系架构的有效性.构建的CPS体系架构为刻画CPS的本质特征提供了新的方法.

CPS系统物理实体时空一致性建模与分析

CPS作为一个混合系统,是计算系统和物理系统的集中体现,注重计算进程和物理进程行为一致性分析与刻画。传统建模方式只针对物理进程和计算进程进行单一建模,难以满足CPS物理实体状态转移时空一致性的要求,在此基础上提出一种新的建模方法。将CPS时空状态转移融合成一个状态转移实时时空事件,并在时间Petri网基础上引入空间标签,建立时空Petri网模型,利用时空Petri网对物理实体状态转移过程进行分析。最后通过列车控制系统实例进一步分析了时空模型的有效性,从而例证了该方法的可行性。

基于混成自动机的CPS行为建模与属性验证

系统实时性、安全性和可靠性等非功能属性是信息物理系统在诸多领域应用的关键因素。论文在分析CPS模型构建与分析验证中面临的挑战的基础上,提出了一种CPS行为建模与属性验证方法。该方法首先基于混成自动机对CPS的行为进行建模,然后将此模型转换为混合程序模型,最后在定理证明器KeYmaera中对HP模型的属性进行形式化验证。文中论述了行为模型描述语言的结构,建立了混成自动机模型与HP模型之间的转换规则,分析了模型转换的一致性。应用实例表明:该方法既能简单直观地描述CPS动态行为,又能对CPS的属性进行严格的形式化验证,且有效避免了形式化验证中的状态空间爆炸问题。

CPS拓扑结构节点重要性排序方法

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)拓扑结构中节点重要性排序是CPS拓扑分析的重要方面。针对CPS内在结构特征,构建一种CPS拓扑结构模型——交互网络模型。然后结合CPS信息交互特点定义节点交互介数作为衡量具体节点重要性度量,阐明该测度能够反映节点的相对重要度,并给出了时间复杂度为多项式阶的节点重要性排序有效算法。最后构建CPS拓扑实例进行分析,并与节点介数进行对比,说明节点重要性排序能够为CPS的运行和防护提供重要参考。

面向智能棉纺生产的CPS架构及其关键技术

棉纺行业是中国纺织产业中最重要的基础行业之一,在推进其智能制造和加速产业转型升级方面必须有自己的创新.在分析了棉纺智能化发展状况和所面临的挑战后,根据信息物理系统(cyber-physical system,CPS)的特征和现代棉纺生产流程的现状,以工业大数据和信息集成技术为基础,提出了面向智能棉纺生产的"感知-通信-融合-控制"4层CPS框架结构,在此基础上探讨了该架构的关键技术.CPS架构及其关键技术将有力促进智能棉纺生产各类资源的高效配置、生产流程智能优化、质量和效率的大幅提升.

基于CPS的智能控制生产线框架设计

设计合理的智能控制生产线框架可以降低生产成本、提高生产效率、更好地支持用户对产品个性化、定制化的要求。未来对生产线的智能控制必将是信息域和物理域深度融合的结果,在分析CPS内涵和特点的基础上,使用层次化的方法设计了一个基于CPS的智能控制生产线框架,从资源层、资源组织管理层、资源服务层、应用层详细阐述了框架的设计思路,给出了该框架网络化互联、分段化建模、模块化服务、个性化定制的实现流程,该框架能够有效地实现对生产线智能化闭环控制。