一種離散連續(xù)混成的時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu)

趙紅專(zhuān)，孫棣華，程森林，趙　敏

(1. 信息物理社會(huì)可信服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044)

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一種離散連續(xù)混成的時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu)

趙紅專(zhuān)1,2，孫棣華1,2，程森林1,2，趙敏1,2

(1. 信息物理社會(huì)可信服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044)

為描述信息物理融合系統(tǒng)(cyber-physical system, CPS)中離散信息系統(tǒng)和連續(xù)物理系統(tǒng)交互融合的混成特性，基于混成自動(dòng)機(jī)理論，結(jié)合多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)和時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)方法，提出一種CPS體系架構(gòu). 該架構(gòu)用改進(jìn)的混成自動(dòng)機(jī)理論刻畫(huà)了離散空間和連續(xù)狀態(tài)混成的CPS體系架構(gòu)的主體，同時(shí)定義了基于時(shí)空事件的CPS事件，設(shè)計(jì)了基于MAS的CPS端，并運(yùn)用定義不同功能的CPS端和CPS事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制解析了CPS體系架構(gòu)內(nèi)部信息物理交互反饋過(guò)程. 最后以車(chē)速調(diào)控系統(tǒng)為例，采用提出的CPS體系架構(gòu)分析了協(xié)同駕駛過(guò)程中單一車(chē)輛內(nèi)部速度調(diào)控的信息物理融合過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行了形式化描述, 實(shí)例的形式化過(guò)程表明提出的體系架構(gòu)的有效性. 構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)為刻畫(huà)CPS的本質(zhì)特征提供了新的方法.

信息物理融合系統(tǒng)；體系架構(gòu)；混成自動(dòng)機(jī)理論；多智能體系統(tǒng)；時(shí)空事件

CPS具有對(duì)信息世界和物理世界全新的理解方式和對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全新思想，一經(jīng)提出就受到各國(guó)以及學(xué)術(shù)界的高度重視[1-3]. CPS是在時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制下并通過(guò)離散信息作用的連續(xù)物理演化過(guò)程，因此，CPS的本質(zhì)特征在于其離散的信息系統(tǒng)和連續(xù)的物理系統(tǒng)交互融合，具有典型的時(shí)空混成特性[4-6]. CPS的時(shí)空混成特性具體體現(xiàn)在計(jì)算實(shí)體和物理實(shí)體在空間及時(shí)間上的相關(guān)性，通過(guò)時(shí)間和空間位置來(lái)確定事件執(zhí)行順序、確保系統(tǒng)狀態(tài)和行為的正確性. 因此，CPS的系統(tǒng)體系架構(gòu)及其內(nèi)部融合機(jī)理是影響CPS實(shí)用性與效率的關(guān)鍵因素之一，對(duì)此展開(kāi)探索有助于深入理解CPS思想和利用CPS解決實(shí)際應(yīng)用中具有CPS典型特征的問(wèn)題[7-9].

現(xiàn)有CPS體系架構(gòu)的研究主要集中在對(duì)已有嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和拓展，通過(guò)分層并刻畫(huà)各層的特征和結(jié)構(gòu)來(lái)具體描述CPS體系架構(gòu). 如文獻(xiàn)[10]基于網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)分層設(shè)計(jì)了CPS體系架構(gòu)，每層進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)架構(gòu)的整體特性刻畫(huà)不夠；文獻(xiàn)[11]從嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的角度提出了一種CPS體系結(jié)構(gòu)原型，該體系結(jié)構(gòu)原型滿(mǎn)足CPS的幾個(gè)本質(zhì)特征要求，如：及時(shí)性、分布性、可靠性、容錯(cuò)性、安全性、可擴(kuò)展性和自治性，但未用具體的案例分析體現(xiàn)原型系統(tǒng)的特征；文獻(xiàn)[12]通過(guò)分析智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system，ITS)與CPS的現(xiàn)狀，并結(jié)合交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了交通信息物理融合系統(tǒng)(transportation cyber-physical system，T-CPS)基本架構(gòu)，詮釋了T-CPS各層次的功能及特點(diǎn)，討論了T-CPS的若干關(guān)鍵技術(shù)，但機(jī)理分析欠深入. 文獻(xiàn)[13]中提出了信息物理網(wǎng)(cyber-physical internet, CPI)的概念，并在原來(lái)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)5層體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了CPS層. 此外，也有從管理和服務(wù)的角度對(duì)CPS體系架構(gòu)的研究， 如文獻(xiàn)[14]從交通事故管理的角度提出了一種CPS感知控制結(jié)構(gòu)，但未涉及CPS混成特性；文獻(xiàn)[15]提出了一種基于服務(wù)CPS體系架構(gòu)，融合了計(jì)算和物理進(jìn)程，但未涉及其時(shí)空特性. 隨著對(duì)CPS混成特性的不斷重視，現(xiàn)有涉及CPS混成特性的研究多集中在具體應(yīng)用系統(tǒng)混成特性的形式化描述，未對(duì)CPS體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)歸納和抽象[16]. 通過(guò)對(duì)研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)CPS體系架構(gòu)的研究還處于探索階段，尚未形成統(tǒng)一的CPS體系架構(gòu)，特別是難以體現(xiàn)CPS典型的時(shí)空混成特性. 為此，本文以CPS中離散信息系統(tǒng)和連續(xù)物理系統(tǒng)的混成特性為切入點(diǎn)，通過(guò)解析CPS混成特性和時(shí)空特性，形成新的基于混成自動(dòng)機(jī)的離散空間和連續(xù)狀態(tài)混成的時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu).

1　CPS體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1CPS本質(zhì)特征

CPS是信息世界和物理世界高度融合的系統(tǒng). 美國(guó)自然科學(xué)基金[1]、Sztipanovits J[4]、 Edward Lee[17]、溫景容[8]、周興社[18]以及朱敏[19]等描述了CPS系統(tǒng)并總結(jié)了CPS系統(tǒng)的本質(zhì)特征. 通過(guò)歸納，CPS本質(zhì)特征主要表現(xiàn)在：1)信息處理進(jìn)程與物理控制進(jìn)程緊密結(jié)合，地位平等；2)CPS體現(xiàn)為多尺度，高可靠性；3)CPS是一種分析系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理來(lái)解決問(wèn)題的新思想；4)CPS是典型的時(shí)空系統(tǒng)；5)CPS是基于時(shí)空事件觸發(fā)的分布式系統(tǒng)；6)CPS具備動(dòng)態(tài)重組、重配置和自治特性；7)CPS是高安全和低時(shí)延系統(tǒng)；8)CPS能夠統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)內(nèi)部異質(zhì)元素，是分析典型信息物理系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制的有效方法.

1.2CPS體系架構(gòu)

現(xiàn)有極具代表性的研究，如Edward Lee等[17]基于嵌入式系統(tǒng)理論定義了CPS，利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)計(jì)算和物理過(guò)程的相互影響；Liu Sha等[20]基于實(shí)時(shí)同步系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)，闡述了CPS在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中面臨的一些挑戰(zhàn)以及引言中闡述的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、管理和服務(wù)等角度研究CPS體系架構(gòu).

然而，CPS是通過(guò)離散信息空間的信息因素來(lái)影響物理空間的連續(xù)過(guò)程，在有效處理信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)交互反饋實(shí)現(xiàn)深度融合，進(jìn)而可有效控制物理對(duì)象，最終提供高效服務(wù). 因此，文章針對(duì)CPS的本質(zhì)特征，從CPS時(shí)空混成特性以及時(shí)空動(dòng)態(tài)演化的角度，借鑒混成自動(dòng)機(jī)模型來(lái)描述CPS的離散與連續(xù)的混成特性，采用時(shí)空事件描述方法刻畫(huà)CPS時(shí)空事件，同時(shí)，參考MAS的智能自治性和協(xié)調(diào)交互性來(lái)設(shè)計(jì)CPS端結(jié)構(gòu). 將三者有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而可以形成一種新的面向離散和連續(xù)混成的CPS體系架構(gòu).

1.2.1 CPS體系架構(gòu)的混成特性描述

混成自動(dòng)機(jī)模型(hybrid automation model, HAM)是一種針對(duì)離散狀態(tài)和連續(xù)變化混合系統(tǒng)的形式化描述. 混成自動(dòng)機(jī)是在時(shí)間自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，增加隨時(shí)間連續(xù)變化的變量，并通過(guò)微分方程描述這些變量的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為. 混成自動(dòng)機(jī)模型作為混合系統(tǒng)形式化描述和算法分析框架，對(duì)強(qiáng)時(shí)空特性的混合系統(tǒng)建模和體系架構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值[21-22].

因此，可以將CPS離散性和連續(xù)性統(tǒng)一在混成自動(dòng)機(jī)抽象模型中，借鑒混成自動(dòng)機(jī)模型將描述連續(xù)動(dòng)態(tài)行為的微分方程嵌入到傳統(tǒng)的離散狀態(tài)機(jī)模型中，從而使自動(dòng)機(jī)模型具有了描述連續(xù)行為能力.

為構(gòu)建CPS體系架構(gòu)的主體，首先定義一個(gè)七元組(L,C,X,W,E,Ainv, Aact) ，表達(dá)式為

基于混成自動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)中，用混成自動(dòng)機(jī)的離散狀態(tài)體現(xiàn)CPS的離散特征，CPS每一個(gè)離散狀態(tài)有一個(gè)使其保持在這個(gè)離散狀態(tài)的關(guān)聯(lián)不變式，通過(guò)有向邊結(jié)構(gòu)表示離散狀態(tài)之間的遷移關(guān)系. 利用防衛(wèi)條件和重置條件標(biāo)記每條邊的連續(xù)狀態(tài)，防衛(wèi)條件也稱(chēng)為遷移條件，重置條件是在遷移發(fā)生后，觸發(fā)條件重置，為下一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換提供限制條件. 當(dāng)滿(mǎn)足防衛(wèi)條件和重置條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)離散的狀態(tài)遷移. 基于混成自動(dòng)機(jī)模型的CPS狀態(tài)為一個(gè)二元偶，即

其中： q為離散狀態(tài)，x 為連續(xù)變量，q∈Q，q滿(mǎn)足Ainv(q).

設(shè)基于混成自動(dòng)機(jī)的CPS的兩個(gè)轉(zhuǎn)換狀態(tài)為Si=F(qi,xi)，Sj=F(qj,xj)，如果存在狀態(tài)遷移e∈E:qi→q，并且xi,xj的取值滿(mǎn)足e上的防衛(wèi)條件和重置條件，這個(gè)遷移(Si,Sj) 稱(chēng)為一個(gè)跳轉(zhuǎn)，Sj為Si的跳轉(zhuǎn)后繼. 這個(gè)過(guò)程可以描述CPS信息空間與物理空間的交互過(guò)程.

1.2.2基于MAS的CPS端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MAS由不同的單個(gè)Agent為完成某一特定任務(wù)組成的集合. 單個(gè)Agent要對(duì)周?chē)h(huán)境狀況作出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的響應(yīng)，同時(shí)能處理與其他Agent的沖突，或者與其他Agent協(xié)調(diào)處理沖突、規(guī)劃行為并最終作出決策. Agent通過(guò)傳感器感知環(huán)境，通過(guò)執(zhí)行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)來(lái)影響環(huán)境[23]. MAS的自組織能力和智能協(xié)調(diào)能力為CPS端的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路

將CPS信息基元和物理基元智能融合后得出決策的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部信息的感知和執(zhí)行結(jié)果反饋的端口，稱(chēng)為CPS端. CPS端按功能需求，或完成信息轉(zhuǎn)換，或完成能量轉(zhuǎn)換. 因此，CPS端是CPS不可或缺的部分. 基于MAS和CPS端的功能特性，設(shè)計(jì)的CPS端Dclient可以描述為

其中：CID為區(qū)分不同的功能的CPS端的ID；F為描述單一CPS端自身功能的函數(shù)；S為單一CPS端在完成任務(wù)和實(shí)時(shí)交互過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)集；T為單一CPS端的自身任務(wù)集；O為單一CPS端需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)集；P為單一CPS端為完成任務(wù)應(yīng)采取的策略集；A為完成任務(wù)所執(zhí)行的動(dòng)作集；I為單一CPS端完成任務(wù)所需要的各種信息的集；E為從外部環(huán)境獲取的信息集；RFB為任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的反饋信息集.

CPS端通過(guò)感知外部環(huán)境信息，采集物理對(duì)象狀態(tài)信息并結(jié)合信息物理融合獲得的決策對(duì)外部請(qǐng)求或控制對(duì)象作出迅速的響應(yīng)，同時(shí)能與其他CPS端協(xié)調(diào)并處理沖突，規(guī)劃行為并共同完成任務(wù)以準(zhǔn)確控制物理對(duì)象. CPS端結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　CPS端結(jié)構(gòu)

CPS端根據(jù)不同的功能而分為感知CPS端、控制CPS端、執(zhí)行CPS端以及協(xié)調(diào)CPS端，其中感知CPS端、執(zhí)行CPS端以及控制CPS端之間通過(guò)互通信和狀態(tài)反饋進(jìn)行信息或能量的轉(zhuǎn)換，或控制物理對(duì)象執(zhí)行任務(wù)，或感知物理對(duì)象狀態(tài)和環(huán)境信息；協(xié)調(diào)CPS端根據(jù)各CPS端狀態(tài)，動(dòng)態(tài)分配任務(wù)，協(xié)調(diào)各CPS端共同完成目標(biāo). CPS端因完成不同任務(wù)存在差異性，這種差異性表現(xiàn)為體量、位置以及功能的差異.

在上述CPS體系架構(gòu)主體的基礎(chǔ)上，利用MAS的特征設(shè)計(jì)的CPS端則在CPS主體的層面上完善了CPS，同時(shí)引入驅(qū)動(dòng)CPS運(yùn)轉(zhuǎn)的CPS時(shí)空事件，最終構(gòu)建了準(zhǔn)確描述CPS特征的基于混成自動(dòng)機(jī)的多智能體時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu),構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)如圖2所示.

在上述CPS體系架構(gòu)中，信息和能量的轉(zhuǎn)換是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程. 感知CPS端獲取環(huán)境和物理對(duì)象狀態(tài)信息的過(guò)程，可以理解為物理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為信息系統(tǒng)的信息過(guò)程；信息空間的決策信息送入控制CPS端，協(xié)調(diào)CPS端與控制CPS端通過(guò)互聯(lián)互通互操作形成決策指令，并傳入執(zhí)行CPS端準(zhǔn)確控制物理對(duì)象，這個(gè)過(guò)程可以理解為信息系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)化為物理系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程. 因此，整個(gè)信息和能量的轉(zhuǎn)換往復(fù)循環(huán)都是通過(guò)協(xié)調(diào)CPS端與其他CPS端的通信、分配、調(diào)節(jié)以及協(xié)同任務(wù)共同完成的.

圖2　CPS體系架構(gòu)

2　CPS融合循環(huán)過(guò)程

CPS融合循環(huán)過(guò)程是基于CPS時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的能量與信息轉(zhuǎn)換過(guò)程，從控制系統(tǒng)角度可以將這個(gè)過(guò)程看成是一個(gè)前饋補(bǔ)償和反饋控制相結(jié)合的綜合過(guò)程.

2.1基于時(shí)空特性的CPS事件模型

在CPS中，事件的時(shí)間和空間特性是體現(xiàn)CPS交互融合的本質(zhì)特征之一，其物理事件的發(fā)生在時(shí)間和空間上一般是分離的，而事件的時(shí)空信息在采集、傳輸及處理過(guò)程中卻具有同步特性. 信息系統(tǒng)中，時(shí)間是離散的點(diǎn)，精確度受到諸多限制；物理系統(tǒng)中，物理對(duì)象狀態(tài)是連續(xù)的動(dòng)態(tài)演變，演變過(guò)程受時(shí)間約束和標(biāo)識(shí). 因此，時(shí)空事件根據(jù)事件屬性、時(shí)間和地點(diǎn)描述信息世界或者物理世界的一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)的狀態(tài)，一般可以定義為

式中：E為事件類(lèi)型識(shí)別符，i為事件序列號(hào)，ti為事件發(fā)生的時(shí)間，li為事件發(fā)生地點(diǎn)，Vi為事件發(fā)生屬性的集合. 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合CPS事件的本質(zhì)屬性，得到CPS時(shí)空事件的模型[24], 表示為

2.2基于CPS時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的前饋補(bǔ)償和反饋控制過(guò)程

CPS時(shí)空事件的發(fā)生會(huì)影響目標(biāo)物理對(duì)象的控制決策和狀態(tài)改變. 因此，感知CPS端實(shí)時(shí)感知目標(biāo)物理對(duì)象初始狀態(tài)，在CPS時(shí)空事件發(fā)生之前，將CPS時(shí)空事件發(fā)生的動(dòng)作信息同時(shí)傳給受控對(duì)象，參與目標(biāo)物理對(duì)象的控制決策. 這種動(dòng)作信息稱(chēng)為前饋信息. CPS前饋信息連同目標(biāo)本身狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)采集、傳輸、處理后，得到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物理對(duì)象狀態(tài)改變的決策信息. 將此決策信息傳到控制CPS端，形成決策指令，此時(shí)協(xié)調(diào)CPS端與控制CPS端互聯(lián)互通互操作，執(zhí)行CPS端接收決策指令改變目標(biāo)物理對(duì)象狀態(tài)，控制完成后的目標(biāo)對(duì)象狀態(tài)反饋到目標(biāo)物理對(duì)象的信息空間，根據(jù)目標(biāo)誤差調(diào)整控制命令，如此循環(huán)，最終準(zhǔn)確控制物理對(duì)象達(dá)到誤差范圍內(nèi)的目標(biāo)狀態(tài)，完成反饋控制. 前饋補(bǔ)償和反饋控制同時(shí)進(jìn)行，在目標(biāo)規(guī)定誤差范圍內(nèi)有限循環(huán)，形成CPS能量和信息轉(zhuǎn)換的內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)過(guò)程，其流程如圖3所示.

圖3　CPS運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)過(guò)程

3　實(shí)例描述與分析

在有效通信的范圍內(nèi)，道路中的多輛通信車(chē)輛可以看成一個(gè)具有自主協(xié)調(diào)能力的有機(jī)組合體，通過(guò)車(chē)車(chē)交互協(xié)調(diào)，形成車(chē)間距和車(chē)速穩(wěn)定的車(chē)流，能有效提高道路中車(chē)輛的主動(dòng)安全性、車(chē)流行駛速度和道路通行能力[25-26]. 車(chē)輛信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)交互融合，在邏輯或物理上相鄰的通信車(chē)輛構(gòu)成的協(xié)同駕駛系統(tǒng)就是一個(gè)典型的CPS. 單一車(chē)輛作為受控目標(biāo)和信息載體，在交通信息以及其他車(chē)輛信息的影響下，通過(guò)各種CPS端結(jié)構(gòu)的交互融合，從而與邏輯或物理上相鄰的通信車(chē)輛構(gòu)成協(xié)同駕駛系統(tǒng). 因此，單一車(chē)輛內(nèi)部的信息物理融合過(guò)程如圖4所示.

圖4　單一車(chē)輛的CPS單元

車(chē)輛狀態(tài)的改變是通過(guò)其速度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 因此，通過(guò)形式化描述車(chē)輛速度控制過(guò)程來(lái)刻畫(huà)車(chē)輛內(nèi)部信息物理融合過(guò)程. 駕駛者通過(guò)油門(mén)踏板傳送一個(gè)油門(mén)指令給發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)將一個(gè)轉(zhuǎn)速送到傳動(dòng)裝置，此時(shí)油門(mén)傳感器將油門(mén)的狀態(tài)信息送到傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成輸出力矩送到車(chē)輪，車(chē)速傳感器將當(dāng)前車(chē)速信息發(fā)送給傳動(dòng)控制裝置，傳動(dòng)控制裝置根據(jù)駕駛者油門(mén)指令信息、當(dāng)前速度信息以及控制規(guī)則庫(kù)向傳動(dòng)裝置發(fā)出控制命令，以實(shí)時(shí)控制車(chē)速的大小. 單一車(chē)輛速度控制系統(tǒng)如圖5所示.

圖5　車(chē)輛速度控制系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)車(chē)輛內(nèi)部感知、傳動(dòng)以及控制3個(gè)步驟的形式化建模，來(lái)分析協(xié)同系統(tǒng)中單一車(chē)輛信息物理融合過(guò)程[27].

控制CPS端的建模為Cclient=(Ccmd,c→{Cup,Cdown,Cstop})，傳動(dòng)CPS端的建模為T(mén)client=(Ttrans,{Tgear,Ccmd,Ttorque,TR},{Tretate,Cclient},{Tout},Tdom,THA,Tsystem,DTCS)，感知CPS端的建模為Pclient=({Pthrottle,x→[0,1]},{Psystem,PHA},DSSA). 其中，Ccmd為控制指令集；Coperation為控制操作集；Ttrans為傳動(dòng)指令集；Tgear為加速檔類(lèi)別；Ttorque為傳動(dòng)輸出矩；TR為傳動(dòng)轉(zhuǎn)速；Tsystem為傳動(dòng)系統(tǒng)函數(shù)；HA為組件動(dòng)態(tài)行為的混成自動(dòng)機(jī)；dom為組件屬性到數(shù)據(jù)類(lèi)型的映射關(guān)系；Tdom(Tgear)={1,2,3,4} ；DTCS為傳動(dòng)控制系統(tǒng)函數(shù)；Pthrottle為油門(mén)控制指令集；φ(x) 為油門(mén)開(kāi)度函數(shù)；DSSA為車(chē)速感知服務(wù)函數(shù)；數(shù)據(jù)信息的兩種操作讀和寫(xiě)分別用“?”和“?”表示，Vvelocity?Vstate表示從端口讀入數(shù)據(jù)變量Vvelocity到車(chē)輛模式Vstate中，Vvelocity?Vstate表示將車(chē)輛模式Vstate從端口輸出變量Vvelocity；“||”為邏輯或，“:=”為初始化賦值；Cupth與Cdownth表示車(chē)輛模式的閾值. 單一車(chē)輛的CPS運(yùn)行控制系統(tǒng)如圖6所示.

(a)感知過(guò)程

(b)傳動(dòng)過(guò)程

(c)控制過(guò)程

Fig.6The process of cyber physical fusion model of a single vehicle in cooperative driving system

基于建立的CPS體系架構(gòu)來(lái)形式化描述協(xié)同駕駛中單一車(chē)輛的信息物理融合過(guò)程，能夠客觀地刻畫(huà)典型CPS應(yīng)用系統(tǒng)的信息物理融合過(guò)程，體現(xiàn)其交互反饋的本質(zhì)特征.

4　結(jié)　論

1)針對(duì)CPS的本質(zhì)特征和內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，構(gòu)建了一種離散連續(xù)混成的時(shí)空事件驅(qū)動(dòng)的CPS體系架構(gòu). 提出的體系架構(gòu)描述了CPS中離散連續(xù)的時(shí)空混成特性，同時(shí)運(yùn)用信息與能量的循環(huán)轉(zhuǎn)換來(lái)解析CPS信息物理融合的過(guò)程.

2)提出的體系架構(gòu)突破了傳統(tǒng)CPS體系架構(gòu)僅僅是對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層體系的改進(jìn)與升級(jí)，是對(duì)CPS體系架構(gòu)理論的一種新探索和嘗試.

3)提出的體系架構(gòu)是一種表征CPS框架和刻畫(huà)信息物理融合過(guò)程的新方法，在理論上為未來(lái)CPS的發(fā)展和體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)在實(shí)踐中為解決各種典型信息物理融合問(wèn)題，特別是刻畫(huà)交通應(yīng)用系統(tǒng)本質(zhì)特征和揭示交通領(lǐng)域強(qiáng)時(shí)空混成系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律提供了新的思路.

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(編輯魏希柱)

A hybrid discrete and continuous CPS architecture driven by spatial-temporal event

ZHAO Hongzhuan1,2, SUN Dihua1,2, CHEN Senlin1,2, ZHAO Min1,2

(1.Key Laboratory of Cyber Physical Social Dependable Service Computation (Chongqing University), Ministry of Education,Chongqing 400044, China; 2.School of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

In order to describe the hybrid characteristics of the discrete cyber system and the continuous physical system, a novel CPS architecture is proposed based on hybrid automata model, Multi-Agent System (MAS) and spatial-temporal event driven mechanism. The main body of our CPS architecture is constructed based on improved hybrid automata theory. Meanwhile, by defining spatial-temporal event-based CPS event, designing the MAS-based CPS client architecture, and using the defined CPS clients with different functions and CPS event driven mechanism, the inherent cyber physical interaction and feedback process of the CPS architecture is analyzed. Finally, taking the vehicular velocity regulation and control system for instance, the inherent cyber-physical fusion process of vehicular velocity regulation and control in cooperative driving system is analyzed and formalized with our proposed CPS architecture, and the formalization process demonstrates the effectiveness of our proposed CPS architecture. The proposed CPS architecture provides novel thoughts and methods for describing the inherent characteristics of CPS.

cyber-physical system (CPS); system architecture; hybrid automata theory; multi-agent system (MAS); spatial-temporal event

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.029

2015-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(61573075)；重慶市“151”科技重大專(zhuān)項(xiàng)(cstc2013jcsf-zdzxqqX0003)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金(106112014CDJZR178801); 重慶市自然科學(xué)基金(cstc2016jcyjA0565)

趙紅專(zhuān)(1985—)，男，博士研究生;

孫棣華(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

孫棣華，d3sun@163.com

TP30

A

0367-6234(2016)09-0170-06