信息物理系統(tǒng)軟件設(shè)計自動化專題前言*

卜 磊 , 陳銘松 , 朱 祺 , 劉 超

1(計算機(jī)軟件新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京大學(xué)),江蘇 南京 210093)2(南京大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,江蘇 南京 210093)3(軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用教育部工程研究中心(華東師范大學(xué)),上海 200241)4(華東師范大學(xué) 軟件工程學(xué)院,上海 200241)5(Department of Electrical and Computer Engineering,Northwestern University,Evanston,USA)6(北京航空航天大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,北京 100191)

為了更精確地認(rèn)識與改造世界,新一代的嵌入式系統(tǒng)必須將計算世界與物理世界作為緊密交互的整體進(jìn)行認(rèn)知,實(shí)現(xiàn)集計算、通信與控制于一體的深度融合的理論體系與技術(shù)框架,即信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems,簡稱CPS).與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不同,CPS 充分考慮了計算部件與物理環(huán)境的深度融合,通過將設(shè)備智能化連接,實(shí)現(xiàn)物理環(huán)境系統(tǒng)與計算系統(tǒng)之間精確感知與高效協(xié)同.基于CPS 理念設(shè)計出來的計算設(shè)備可以根據(jù)具體任務(wù)需求自適應(yīng)地調(diào)整與配置計算邏輯,精確智能地獲取外部物理環(huán)境信息并做出針對性的實(shí)時反應(yīng),完成安全可靠的控制服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的有機(jī)統(tǒng)一.

隨著人們對信息技術(shù)質(zhì)量要求的不斷提高,CPS 迅速在眾多安全攸關(guān)領(lǐng)域得以部署承擔(dān)關(guān)鍵任務(wù).從遠(yuǎn)程精準(zhǔn)醫(yī)療到智能軌道交通,從無人駕駛到航空航天,從智慧城市到智能制造,無處不見CPS 的身影.雖然CPS 在眾多領(lǐng)域獲得成功,然而由于其涉及多維時空約束、異構(gòu)物理/計算進(jìn)程交互、運(yùn)行環(huán)境不確定等因素,CPS 設(shè)計復(fù)雜度極高.在缺乏設(shè)計自動化方法與技術(shù)的情況下,CPS 開發(fā)周期長且質(zhì)量難于保證.日益復(fù)雜的CPS 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)在給產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界帶來巨大挑戰(zhàn)的同時,也創(chuàng)造了大量新的機(jī)遇,CPS 設(shè)計自動化目前已成為國際相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注與研究熱點(diǎn).

本專題采取自由投稿的方式,共收到14 篇投稿.特約編輯邀請了30 余位領(lǐng)域?qū)＜覅⑴c審稿,每篇稿件至少邀請3 位專家進(jìn)行評審,每篇錄用稿件都經(jīng)過至少3 輪審稿.14 篇稿件中共計10 篇稿件通過第1 輪評審,8 篇稿件通過第2 輪評審,并在CCF 軟件工程專業(yè)委員會、系統(tǒng)軟件專業(yè)委員會年會全國軟件與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議NASAC2019 會議上進(jìn)行了報告.經(jīng)過第3 輪終審及少數(shù)稿件的第4 輪復(fù)審后,最終有6 篇論文入選本專題.

《基于SHML 的CPS 行為建模及仿真》提出了一種面向CPS 領(lǐng)域的建模及仿真方法,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個集成的面向CPS 行為的建模與仿真平臺,為CPS 的建模及仿真提供了一種有效的方法及工具支撐.

《垂懸指針檢測與防御方法》針對復(fù)雜系統(tǒng)軟件中廣泛出現(xiàn)的懸垂指針問題進(jìn)行研究,提出了一種名為DangDone 的垂懸指針防御方法,通過在編譯時的程序轉(zhuǎn)換來定位潛在的垂懸指針并防御use-after-free 或double-free 漏洞.

《自主機(jī)器人多智能體軟件架構(gòu)及伴隨行為機(jī)制》提出了基于多智能體的自主機(jī)器人控制軟件軟件架構(gòu),以及基于相應(yīng)架構(gòu)的伴隨行為機(jī)制.該工作基于分步規(guī)劃和動態(tài)決策的思想設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)自主決策算法DAAB,并在相應(yīng)仿真環(huán)境和實(shí)際機(jī)器人環(huán)境上進(jìn)行了案例分析.

《軌道交通聯(lián)鎖領(lǐng)域特定語言的形式化》基于軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)中故障的隨機(jī)性和行為實(shí)時性的特點(diǎn),提出了基于建立隨機(jī)混成系統(tǒng)模型來仿真、預(yù)測軌道交通連鎖系統(tǒng)的方法.該方法在實(shí)際聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例研究,并在UPPAAL-SMC 平臺上進(jìn)行了事故模型的預(yù)測分析.

《基于AADL 的失效概率分配及安全性評估方法》綜合考慮 AADL 架構(gòu)的層次化設(shè)計、模型復(fù)雜度和構(gòu)件失效造成影響的嚴(yán)重程度,針對安全關(guān)鍵系統(tǒng)提出基于 AADL 的失效概率分配方法,以應(yīng)對安全性評估過程中如何分配失效概率的問題.相關(guān)技術(shù)在飛控CPS 系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)例研究.

《馬爾可夫信息物理系統(tǒng)拒絕服務(wù)攻擊安全控制》研究了馬爾可夫跳變信息物理系統(tǒng)在模態(tài)依賴拒絕服務(wù)(DoS)攻擊下的安全控制問題.提出了一種新穎的模態(tài)依賴事件觸發(fā)策略來減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗.

本專題面向信息物理系統(tǒng)的研究人員和工程人員,內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)建模、系統(tǒng)架構(gòu)、可信保障等領(lǐng)域,反映了我國學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域的高水平研究成果.感謝《軟件學(xué)報》編委會、CCF 軟件工程專委會、系統(tǒng)軟件專委會對專題工作的指導(dǎo)和幫助,感謝專題全體評審專家及時、耐心、細(xì)致的評審工作,感謝踴躍投稿的所有作者.希望本專題能夠?qū)π问交椒ǖ目蒲泄ぷ饔兴龠M(jìn).

?？丶s編輯、北航計算機(jī)學(xué)院劉超教授在?？幕I劃階段分享了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn),并在征稿、審稿等環(huán)節(jié)做了大量的工作,使得?？瘜?shí)施過程得以順利開展.然而,在本專刊即將完成之際,劉超老師卻因病永遠(yuǎn)離開了我們.劉老師睿智、謙遜、淵博、平和,為推動我國軟件工程事業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),我們借此表達(dá)深深的懷念和敬意.