信息物理系統(tǒng)中建模與仿真研究綜述

向婉芹，楊 瓅，陳乙源

（重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053）

信息物理系統(tǒng)中建模與仿真研究綜述

向婉芹，楊 瓅，陳乙源

（重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053）

物理信息融合系統(tǒng)由于兼具離散與連續(xù)動(dòng)力學(xué)特征，且各子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、組成復(fù)雜，其建模與仿真存在較大的挑戰(zhàn)。本文首先介紹了信息物理系統(tǒng)的概念和特點(diǎn)，綜述了其研究與設(shè)計(jì)、建模與仿真中存在的挑戰(zhàn)；其次，將針對(duì)CPS的建模與仿真研究進(jìn)行了分類和總結(jié)。

信息物理融合系統(tǒng)；建模；仿真

1 CPS的基本概念與特點(diǎn)

1.1 CPS基本概念

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，其定義與概念尚未統(tǒng)一，一種廣為接受的看法是［1］，CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的，由可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理硬件所構(gòu)成的智能系統(tǒng)，是一個(gè)信息過(guò)程和物理過(guò)程互為反饋，且實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互的閉環(huán)系統(tǒng)，并能以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者控制［1］。研究CPS的最終目的，就是將虛擬信息和實(shí)際物理完全結(jié)合起來(lái)，從而改變現(xiàn)有工程系統(tǒng)的構(gòu)建方式和方法。

在CPS的全稱中，Cyber代表計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所組成的信息世界，包括離散的計(jì)算進(jìn)程、邏輯的通信過(guò)程和反饋控制過(guò)程等；Physical代表物理世界中的進(jìn)程、對(duì)象或事件，它是指各種自然或人造系統(tǒng)，按照物理世界的客觀規(guī)律在連續(xù)時(shí)間上的運(yùn)行。

1.2 CPS的主要特征

CPS在結(jié)構(gòu)和性能等方面主要有以下特征［2］。一是實(shí)時(shí)性，即在CPS中，感知、傳輸、控制反饋等環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求。二是分布式，即系統(tǒng)中多個(gè)單元，相互協(xié)助完成任務(wù)，需要分布式信息處理。三是高可靠性，即CPS需要容錯(cuò)性，保證采集與反饋信息的可靠，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。四是強(qiáng)安全性，在CPS中，如果系統(tǒng)涉及多種重要場(chǎng)合，控制過(guò)程對(duì)物理環(huán)境有直接作用，必須具有強(qiáng)安全性才能保證系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)。五是多樣性，在CPS中，設(shè)備多樣，規(guī)模可變，網(wǎng)絡(luò)多樣，并且系統(tǒng)的類型也比較多。六是自治性，在CPS中，人處于輔助地位，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行，資源可自動(dòng)重組、配置。一種典型的CPS組成如圖1所示。

圖1 CPS組成示意圖

2 CPS研究與建模中的難題

2.1 CPS研究中的難題

由于CPS的特點(diǎn)，很多已有的建模與仿真的方法和工具很難直接用在CPS的分析與設(shè)計(jì)中。因此，文獻(xiàn)［3-4］通過(guò)分析CPS系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于需要對(duì)控制、通信與計(jì)算進(jìn)行高度融合。與此同時(shí)，它也指出當(dāng)前CPS研究中存在的9大難題：（1）混雜系統(tǒng)的建模與控制；（2）利用網(wǎng)絡(luò)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（3）移動(dòng)傳感/驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)的信息處理和控制問(wèn)題；（4）實(shí)時(shí)系統(tǒng)抽象，即對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)以及計(jì)算系統(tǒng)的抽象，要保證容錯(cuò)、優(yōu)化等要求；（5）要確保系統(tǒng)的魯棒性、可靠性、安全性；（6）研究面向CPS的基于模型的設(shè)計(jì)方法；（7）研究針對(duì)CPS的驗(yàn)證、測(cè)試的方法；（8）研究CPS系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法；（9）研究CPS系統(tǒng)的控制與策略設(shè)計(jì)。本文將主要對(duì)CPS建模與仿真中存在的難題進(jìn)行梳理。

2.2 CPS中建模的難題

文獻(xiàn)［5］中就CPS中建模存在的難題進(jìn)行了分析，指出共有5類難題。

第一種是具備求解依賴性、非確定性，或者零動(dòng)作性的建模。即因?yàn)镃PS具有典型的混雜系統(tǒng)特性，連續(xù)模型與離散模型相互關(guān)聯(lián)，其解相互影響，可能造成即使在關(guān)鍵模型解確定的情況下整體解也會(huì)不確定，甚至模型行為不唯一。

第二種是保持模型組件前后一致。一方面是在CPS中，由于各子系統(tǒng)及其模型相互關(guān)聯(lián)，理想的測(cè)試與驗(yàn)證環(huán)境難以保證；另一方面是在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，即使模型間采用同步技術(shù)，軟件也會(huì)逐漸偏離模型，造成結(jié)果發(fā)散。

第三種是避免模型組件之間的失聯(lián)。一般而言，模型越大，越難驗(yàn)證其組件間關(guān)聯(lián)的正確性。文中提出了兩類誤差：（1）轉(zhuǎn)換誤差；（2）語(yǔ)法誤差。

第四種是對(duì)功能與實(shí)現(xiàn)中的相互關(guān)聯(lián)性進(jìn)行建模。前述的模型均未考慮諸如關(guān)鍵平臺(tái)以及通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，因此有必要對(duì)CPS中的軟件與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模；此外，模型的實(shí)現(xiàn)也是一個(gè)很大的部分，且無(wú)法與模型功能整合到一起，因而要將實(shí)現(xiàn)模型與功能模型進(jìn)行整體考慮。

第五種是對(duì)分布式特性進(jìn)行建模。由于CPS天然具有分布式特性，而對(duì)分布式特性建模也會(huì)增加CPS建模的復(fù)雜性，因?yàn)檫@樣會(huì)引入測(cè)量時(shí)間的不一致、網(wǎng)絡(luò)演示、通信錯(cuò)誤、系統(tǒng)狀態(tài)的一致性以及分布式一致性等問(wèn)題。

對(duì)此，文中提出了八種有益的方法：（1）基于計(jì)算的模型；（2）基于抽象語(yǔ)義的模型；（3）面向行為的模型；（4）混雜系統(tǒng)；（5）異構(gòu)性模型；（6）模塊化建模方法；（7）將行為與實(shí)現(xiàn)綁定，即基于質(zhì)量管理的建模方法；（8）基于可靠語(yǔ)義傳輸與實(shí)現(xiàn)的建模方法。但這些方法還需要在CPS建模與仿真中深入研究，以便驗(yàn)證其可行性與有效性。

3 面向CPS的建模與仿真

目前，針對(duì)CPS的建模與仿真研究比較多，大體可以分為建模與仿真方法研究、建模與仿真工具研究、建模與仿真環(huán)境研究三類。

3.1 仿真方法研究

文獻(xiàn)［6］中指出，由于CPS的特殊性，其具備的能力不能通過(guò)單獨(dú)的物理或者信息實(shí)體實(shí)現(xiàn)。針對(duì)現(xiàn)有的建模工具與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為，當(dāng)前的工具不能滿足CPS的建模需求，因而需要新的技術(shù)以及新的視角。因此，一方面提出了針對(duì)CPS的模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示；另一方面提出了一種針對(duì)CPS的建模框架，即基于模型的方法，并重視基于模型的前期融合。該框架的一些元素是現(xiàn)有的，比如建模語(yǔ)言及針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的生成器，另外一些技術(shù)也可用于構(gòu)建其他的元素。

圖2 CPS中模型與真實(shí)世界的結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)［7］中針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)基于模型設(shè)計(jì)方法中重單步結(jié)果而對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程語(yǔ)言不詳?shù)那闆r，提出了一種基于模型的CPS的設(shè)計(jì)方法。將CPS的模型設(shè)計(jì)方法從架構(gòu)抽象到概念實(shí)現(xiàn)，梳理成詳細(xì)和整體的步驟。具體而言，分為10個(gè)基本步驟：一是陳述問(wèn)題；二是物理過(guò)程建模；三是提取問(wèn)題特征；四是導(dǎo)出控制算法；五是選擇計(jì)算模型；六是明確硬件；七是仿真；八是構(gòu)造；九是軟件同步；十是核實(shí)、驗(yàn)證并測(cè)試。然后，以TBD（The Tunneling Ball Device）為例，演示了所提出的基于模型的CPS設(shè)計(jì)方法，并驗(yàn)證了其有效性。

文獻(xiàn)［8］中分別研究了CPS物理實(shí)體的仿真建模方法、計(jì)算實(shí)體的仿真建模方法、計(jì)算-物理融合的仿真建模方法，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行仿真建模一般基于物理定律，對(duì)計(jì)算實(shí)體仿真建模一般采用狀態(tài)機(jī)圖，用來(lái)表示計(jì)算實(shí)體基于事件驅(qū)動(dòng)的離散過(guò)程?；赗hapsody采用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPS計(jì)算-物理融合的仿真建模。結(jié)合月球車實(shí)例，利用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的物理模型，利用UML狀態(tài)機(jī)圖等建立系統(tǒng)的計(jì)算模型。在Rhapsody環(huán)境中將Simulink模型及代碼導(dǎo)入到實(shí)時(shí)UML模型中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模型融合，對(duì)融合模型進(jìn)行仿真。其仿真結(jié)果滿足用戶需求，驗(yàn)證了利用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)CPS計(jì)算-物理融合的仿真建模。

3.2 仿真工具研究

文獻(xiàn)［9］中針對(duì)當(dāng)前CPS建模與仿真中存在的巨大挑戰(zhàn)，通過(guò)分析CPS建模的特性，并與Modelica的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，指出Modelica具備的對(duì)象建模、公式建模、關(guān)聯(lián)建模、混雜建模等能力與CPS的特性完美契合。進(jìn)而，文中利用Modelica，提出一種對(duì)CPS中的信息模型、物理模型、接口模型進(jìn)行統(tǒng)一建模的方法。該方法為CPS的設(shè)計(jì)、分析及驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

針對(duì)CPS具備通信網(wǎng)絡(luò)、信息處理、控制系統(tǒng)、物理系統(tǒng)多域并存的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［10］中提出了一種建模與聯(lián)合仿真工具箱——HybridSim，其建構(gòu)如圖3所示。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，其操作步驟如下：一是可以將已有的系統(tǒng)組件導(dǎo)入SysML，使得工程人員僅需SysML模塊即可進(jìn)行CPS設(shè)計(jì)；二是HybridSim能夠從SysML中直接生成功能型實(shí)物模型單元（FMU）以及配置腳本；三是HybridSim能夠利用功能型實(shí)物模型單元的相關(guān)接口，進(jìn)行信息交換和同步，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

圖3 CPS中模型與真實(shí)世界的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 仿真環(huán)境研究

文獻(xiàn)［11］中認(rèn)為，CPS需要聯(lián)合仿真平臺(tái)，以便能夠同時(shí)獲取物理與信息動(dòng)態(tài)。該文作者在其前期工作的基礎(chǔ)上，建立了一套針對(duì)CPS的聯(lián)合仿真平臺(tái)，新的平臺(tái)具有一些不可缺少的特性。在討論平臺(tái)的工程建設(shè)步驟中，為了證明將來(lái)集成多種仿真環(huán)境的工具的效益，幾種替代設(shè)計(jì)也被提了出來(lái)，對(duì)每種設(shè)計(jì)被剔除或采納的原因也有深入討論。然后，作者對(duì)其提出平臺(tái)的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)，確保其能正常工作。最后，作者利用演示性示例顯示了該平臺(tái)的能力。具體而言，該平臺(tái)集成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真器：ns-2，一種針對(duì)大型復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模語(yǔ)言：Modelica。其主要?jiǎng)?chuàng)新在于，新的平臺(tái)能夠?qū)odelica內(nèi)部的異步事件進(jìn)行響應(yīng)，而這一點(diǎn)是現(xiàn)有的大部分工具所忽視的。其具體策略如圖4所示。

圖4 ns-2與Modelica聯(lián)合仿真中的異步事件響應(yīng)策略

文獻(xiàn)［12］中提出物理信息融合能源系統(tǒng)（Cyber-Physical Energy Systems， CPES）是電網(wǎng)技術(shù)、供需兩側(cè)智能通信以及分布式嵌入計(jì)算協(xié)調(diào)相互融合的產(chǎn)物，其目的是實(shí)現(xiàn)高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的電能傳輸。由于系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)部分或子系統(tǒng)的異源特性，新建CPES或?qū)鹘y(tǒng)電網(wǎng)改造為CPES，不僅挑戰(zhàn)性大，且耗時(shí)長(zhǎng)。針對(duì)這一特點(diǎn)，基于模型的設(shè)計(jì)方法被引入到CPES的設(shè)計(jì)中。該文演示了基于模型的設(shè)計(jì)方法及其相關(guān)工具，其目的是針對(duì)住宅微網(wǎng)，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證多種控制算法的有效性。本文提出的聯(lián)合仿真工具是GridMat，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GridMat的結(jié)構(gòu)框架示意圖

文獻(xiàn)［13］中介紹了一種信息物理建模語(yǔ)言Modelica及其開(kāi)發(fā)環(huán)境OpenModelica。其主要特點(diǎn)是：易于使用，可視化建模，預(yù)設(shè)模型模塊豐富，具備可復(fù)用模塊可用于自定義模型庫(kù)，支持對(duì)有多域特征的復(fù)雜應(yīng)用建模和仿真。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)近年來(lái)面向CPS的建模與仿真研究進(jìn)行了部分梳理，并按照方法、工具以及環(huán)境三個(gè)方面進(jìn)行了分類，可為CPS研究提供一點(diǎn)參考和幫助。

［1］ 何積豐.Cyber-physical Systems［J］.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2010，（1）: 25-29.

［2］ 溫景容.信息物理融合系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，（4）：507-517.

［3］ Park K J，Zheng R，Liu x.Cyber-physical systems：Milestones and research challenges［J］.Computer Communications，2012，36：1-1.

［4］ Shi J，Wan J，Yan H，et al.A survey of cyber-physical systems［C］//2011 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing（ WCSP）.Nanjing 2011：1-6.

［5］ Derler P，Lee E A，Sangiovanni-Vincentelli A L.Addressing modeling challenges in cyber-physical systems［J］.Berkeley：EECS Department，University of California， 2011.

［6］ Karsai G，Sztipanovits J.Model-integrated development of cyber-physical systems［C］//6th IFIP WG 10.2 International Workshop，SEUS 2008. Anacarpi，Capri Island.Italy，2008： 46-54.

［7］ Jensen J C，Chang D H，Lee E A.A model-based design methodology for cyber-physical systems［C］//2011 7th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference （IWCMC）.Istanbul 2011：1666-1671.

［8］ Li Xiaoyu，Wang Yuying，Zhou Xingshe，et al.Approach for cyber-physical system simulation modeling［J］.Journal of System Simulation，2014，（3）：631-637.

［9］ Junjie T，Jianjun Z，Jianwan D，et al.Cyber-physical systems modeling method based on modelica［C］//2012 IEEE Sixth International Conference on Software Security and Reliability Companion （SERE-C）.Gaithersburg：IEEE，2012：188-191.

［10］ Wang B，Baras J S.HybridSim：A modeling and co-simulation toolchain for cyber-physical systems［C］//2013 IEEE/ACM 17th International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications （DS-RT）.Delft IEEE，ACM， 2013：33- 40.

［11］ Al-Hammouri A T.A comprehensive co-simulation platform for cyber-physical systems［J］.Computer Communications，2012，（1）：8-19.

［12］ Farugue MA AI，Ahourai F.A model-based design of cyberphysical energy systems［C］//Design Automation Conference （ASP-DAC）.2014 19th Asia and South Pacific，Singapore：IEEE，2014：97-104.

［13］ Fritzson P.Modelica-A cyber-physical modeling language and the openmodelica environment［C］//2011 7th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC).Istanbul:IEEE，2011：1648-1653.

A Study on the Modeling and Simulation of the CPS

XIANG Wan-qin，CHEN Yi-yuan，AO Wei
（Chongqing Electric Power College ，Chongqing 400053，China）

The cyber-physical systems（CPS）are a complex system with the characteristics of both the discrete dynamics and the continuous dynamics and interconnected subsystems，there are great difficulties in the modeling and simulation of the CPS．This article introduces the concept and features of the CPS as well as the challenges in the research，design，modeling and simulation．In addition，it probes into related researches on the modeling and simulation of the CPS in recent years．

CPS；modeling；simulation

TP391.9

A

1008-8032（2015）05-0043-05

2015-03-04

向婉芹（1981-），講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及自動(dòng)化。