陳浩鐸，張立臣

（廣東工業(yè)大學計算機學院，廣州 510006）

0 引言

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是一個集計算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與物理感知設備于一體的復雜系統(tǒng)。CPS 作為將信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)連接并融合在一起的混合系統(tǒng)，既能使計算機系統(tǒng)實時感知物理世界，又能通過指令控制執(zhí)行器改變物理世界，同時也能使物理系統(tǒng)具有網(wǎng)絡通信、實時計算、遠程協(xié)作的能力。CPS 目前主要應用在航空航天、醫(yī)療設備、交通管理和電力水利等安全攸關領域，這些系統(tǒng)大多具有資源受限、實時響應、容錯性強等特點，對系統(tǒng)的可靠性具有極高的要求，因此如何保障CPS 的可行性成為一個研究熱點。

目前國內(nèi)外有很多對于CPS 的研究，例如通過對文獻［1］的深入研究，本文給出了CPS 體系結(jié)構(gòu)的一般形式描述（見圖1），它由應用層、網(wǎng)絡層和物理層組成。應用層實現(xiàn)了用戶感知、控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡層通過網(wǎng)絡傳輸連接了CPS 在不同空間與時間的子系統(tǒng)；物理層是CPS 與物理世界的連接口，是傳感與執(zhí)行的最小單元。

圖1 CPS體系結(jié)構(gòu)

文獻［2］利用ADL 對CPS 系統(tǒng)進行建模分析，分別對傳感器、加熱器等物理層設備進行建模，把CPS 的多個子系統(tǒng)進行串聯(lián)并進行了行為分析。文獻［3］是基于混成自動機的車聯(lián)網(wǎng)CPS 系統(tǒng)進行了建模介紹分析，給出了車聯(lián)網(wǎng)CPS 的結(jié)構(gòu)，并使用傳統(tǒng)的Simulink 對車聯(lián)網(wǎng)CPS 系統(tǒng)進行仿真建模與驗證，通過實驗得出可通過CPS 系統(tǒng)對油門車速進行控制。文獻［4］引入了時空屬性，從物理實體的分類與特征深入研究CPS 物理實體的屬性及其位置變遷過程。Petri 網(wǎng)是一種功能強大的建模和分析工具，它既可利用數(shù)學公式進行抽象的表達分析，又可以借用圖表等更直觀地描述展現(xiàn)。文獻［5］介紹了將傳感器、執(zhí)行器、控制器等對象分為不同Agent節(jié)點，以Petri網(wǎng)為基礎語義，建立了一種面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的CPS 系統(tǒng)建模，通過數(shù)學分析方法以及支持的工具對系統(tǒng)進行仿真模擬實驗以確定系統(tǒng)的正確性與可靠性。文獻［6］提出一種GHPN 方法對CPS 系統(tǒng)建立量化的安全分析模型，將博弈理論和Petri 網(wǎng)建模方法進行結(jié)合，既能適用CPS 離散連續(xù)混合結(jié)構(gòu)的模式，又可模擬真實攻擊行為，并且對于飛機空中避撞系統(tǒng)進行了分析。文獻［7］針對無人汽車進行建模分析，并在Petri 網(wǎng)中引入了抑制弧與測試弧，并用Simulink 進行驗證。文獻［8］提出了一種在Petri 網(wǎng)的基礎上引入時空因素和連續(xù)變量，構(gòu)造了混成時空Petri 網(wǎng)（HSPN）模型，并對醫(yī)療CPS 系統(tǒng)進行了建模與可行性分析。文獻［9］引入時間空間因素對車聯(lián)網(wǎng)CPS 系統(tǒng)進行分析建模。文獻［10］提出一種面向方向的時空Petri網(wǎng)模型，并引入一種顏色集對CPS物理實體屬性信息進行定義，并使用CPNTools 對模型進行驗證。文獻［11］以汽車速度智能控制系統(tǒng)為例，提出了一種可能性混成自動機的CPS 建模方法。文獻［12］將CPS各個組成部分的工作抽象為時間自動機模型，并利用模型檢驗工具PAT 驗證其安全性、可靠性。Zhang 等對大數(shù)據(jù)驅(qū)動的云平臺的機器人系統(tǒng)進行了建模研究，將CPS系統(tǒng)進行分層建模，并用AADL 模型驗證了其可行性。Chen等對CPS時空成分進行了分析，并成功利用AADL對混成系統(tǒng)模型進行轉(zhuǎn)換驗證。以上的建模與研究并不完善，都存在著缺點，比如缺少對CPS事件的動態(tài)描述。所以本文提出以數(shù)據(jù)驅(qū)動CPS事件建模統(tǒng)一描述物理、控制、計算實體的時空動態(tài)變化，由數(shù)據(jù)的生產(chǎn)到最后的應用，數(shù)據(jù)始終圍繞著CPS各組件。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的CPS

CPS 是一種多組件（物理設備中心、計算中心、控制中心、執(zhí)行中心、數(shù)據(jù)中心）聯(lián)合工作的系統(tǒng)，其中各組件通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合。組件具體包括：

（1）物理設備中心。主要負責收集現(xiàn)實物理世界中的信息，將物理設備所收集到現(xiàn)實物理實體的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綄挠嬎阒行摹?/p>

（2）計算中心。主要是對物理設備收集到的信息進行處理與運算，將結(jié)果通過網(wǎng)絡傳至相應的控制中心。

（3）控制中心?？刂浦行闹饕ㄟ^計算中心傳輸?shù)慕Y(jié)果對下一步操作進行規(guī)劃，并將最終指令下達至執(zhí)行中心。

（4）執(zhí)行中心。執(zhí)行中心主要是根據(jù)指令對對應物理設備進行控制操作。

（5）數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心主要是保存計算中心的源數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果，同時保存控制中心作出的決策指令信息。

上述多組件CPS系統(tǒng)每時每刻都會產(chǎn)生各種各樣的數(shù)據(jù)，可知數(shù)據(jù)是CPS的靈魂。CPS系統(tǒng)主要通過傳感器自動感知現(xiàn)實物理世界的數(shù)據(jù)，并做出實時運算與分析，給出相應的決策，最后精準地執(zhí)行相應的操作改變物理設備。其中數(shù)據(jù)是自動的、自主的，并且數(shù)據(jù)在不停循環(huán)重復迭代著，因此本文提出一種以數(shù)據(jù)驅(qū)動的CPS 系統(tǒng)，從而更好地描述CPS的運作。從物理世界獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPS系統(tǒng)一系列運算操作后最終反饋到物理世界，具體描述如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動CPS的工作方式

2 CPS建模

2.1 物理對象建模

對于普通的物理對象，在CPS 系統(tǒng)中都必須有唯一的識別身份ID，用于區(qū)別不同的物理實體；物理對象既然存在于現(xiàn)實空間里，那就具有一定的空間屬性與非空間屬性，例如：靜止、運動等。物理對象中如傳感器、執(zhí)行器等設備，可以通過網(wǎng)絡接收或傳輸信息和指令，完成對現(xiàn)實環(huán)境的探測和改變。因此，本文提出一個五元組來表示物理模型（Physical Entity，PE）：

該模型具有唯一的ID 標識PE，用于區(qū)分不同的物理對象。PE表示該物理對象屬于哪一種實例對象，例如傳感器、執(zhí)行器等。同時每一個物理對象實體都有它自己所屬的空間屬性。用PE表示實體行為集合。表示物理對象所處的Petri網(wǎng)模型。

2.2 CPS事件建模

CPS 每個組件發(fā)生的操作都可以稱之為事件，因此事件包含了發(fā)生操作的多種基本因素（時間、空間信息等）。根據(jù)CPS 事件所包含屬性的不同，可以將CPS 事件分成四種：

（1）感知事件。傳感器作為底層的物理設備，主要負責感知物理設備信息并收集信息，比如物體的運動狀態(tài)、位置、溫度、濕度等基礎信息。

（2）計算事件。計算中心對數(shù)據(jù)進行初步過濾，過濾一些無用信息，壓縮消息重量，同時篩選相對有效的數(shù)據(jù)的特征，作為后續(xù)的機器學習等算法的數(shù)據(jù)輸入，利用算法對數(shù)據(jù)進行挖掘與聚類分析更加高效，最終在既定規(guī)則下得到結(jié)果進行傳輸。

（3）控制事件?？刂浦行呢撠熃邮沼嬎阒行乃玫降倪\算結(jié)果，根據(jù)既定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行判斷，形成控制事件進行傳達。

（4）執(zhí)行事件。主要是通過執(zhí)行器根據(jù)控制中心發(fā)送的信息，對物理設備進行改變。CPS要確保各組件之間是以串行的模式運行，不能跨組件進行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

根據(jù)幾種不同的CPS 事件，可見CPS 系統(tǒng)中的操作都伴隨著事件的產(chǎn)生，本文從事件本身屬性出發(fā)，發(fā)現(xiàn)存在事件組成、空間分布等特性，設計出新的事件表示方法。將事件（Event，E）表示為一個六元組：

E代表事件的唯一標識ID，在生成事件時生成。E標識為事件的類型屬性，如傳感器感應、計算設備計算等。E表示事件發(fā)生的起始與結(jié)束時間，E=(,)，且當=時為離散時間點；當＜為連續(xù)時間段。E=(,,)表示事件發(fā)生的地點，(,,)表示空間坐標。E表示事件發(fā)生的實體對應編號。E表示被影響的對象編號。

3 擴展Petri網(wǎng)

由于基礎的Petri 網(wǎng)功能較簡單，本文在基礎Petri 網(wǎng)上引入空間、時間屬性并且引入條件變遷的概念來描述Petri 網(wǎng)中物理實體的變化情況?？臻g屬性、時間信息是為了描述該物理實體在現(xiàn)實世界里的地理位置、時間信息，在發(fā)生變遷事件時，可以反映出該物理實體的實際位置轉(zhuǎn)化，而條件變遷可以更好地描述出物體發(fā)生變化的規(guī)律。條件變遷的作用是為有向變遷規(guī)定一個激發(fā)條件，當且僅當該變遷連接的庫所包含的令牌滿足條件時，才會激發(fā)此變遷。

Petri 網(wǎng)在描述CPS 系統(tǒng)時主要通過以下3點：

（1）利用Petri 網(wǎng)的令牌轉(zhuǎn)移情況來表示物理實體發(fā)生狀態(tài)或位置的改變。

（2）在Petri 網(wǎng)中加入了空間、時間屬性來表示物理事件、實體的狀態(tài)屬性。

（3）引入條件變遷概念描述物理狀態(tài)改變的過程。

根據(jù)上述3點特性，本文提出以一個七元組來 表 示 擴 展Petri 網(wǎng) 模 型（Extended Petri Net，EPN）

4 實例分析

文獻［15］對現(xiàn)代汽車CPS 大數(shù)據(jù)的若干問題進行了闡述，本文以帶有前撞預警系統(tǒng)FCWS（Forward Collision Warning System，F(xiàn)CWS）功能的智能汽車作為建模分析對象，以驗證所提擴展Petri 網(wǎng)模型的可行性。FCWS 可以在汽車碰撞前發(fā)出緊急的碰撞警告，提醒駕駛員提前做出制動措施，以有效降低追尾事故。先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）通過傳感器（如攝像頭、雷達）進行信息感知與動態(tài)辨識目標，有效提高汽車的主動安全。

文獻［16］給出了FCWS 前撞預警系統(tǒng)的組成架構(gòu)，首先，F(xiàn)CWS系統(tǒng)的感知層通過傳感器（攝像頭、雷達）進行環(huán)境感知以獲取前方障礙物（車輛、物體）相對距離、相對車速、相對位置等目標信息；緊接著FCWS 系統(tǒng)的決策層將感知層獲取到的信息進行處理；最后，F(xiàn)CWS系統(tǒng)通過控制層發(fā)出聲光預警（或觸覺振動方式）以警示駕駛員，駕駛員收到提示信息后，進行汽車操作。圖3給出了FCWS的工作方式。

圖3 FCWS工作方式

在裝有FCWS 系統(tǒng)的智能汽車上的物理對象可以概括為：車輛、雷達和FCWS，下面將分別對其進行形式化的定義：

其中Car表示汽車唯一標識id。Car表示當前汽車所在的物理位置信息， Car=(,,)分別表示汽車的狀態(tài)：車速、剎車、加速；Car表示汽車當前的時間信息；Car表示汽車所屬的網(wǎng)絡；EPN 表示汽車所處的Petri網(wǎng)絡標識。

Radar表示Radar 的類型，例如攝像頭、雷達等；Radar表示當前Radar 的唯一標識id；Radar表示雷達狀態(tài)，例如：可用、停用等；Radar表示雷達收集到的數(shù)據(jù)；Radar表示雷達采集數(shù)據(jù)的時間點；Radar表示當前雷達所屬的網(wǎng)絡；EPN表示所屬的EPN網(wǎng)。FCWS系統(tǒng)是屬于車輛的防撞系統(tǒng)，在一些中高級車上，不但在發(fā)動機上應用FCWS，在其它許多地方都可發(fā)現(xiàn)FCWS 的蹤影。因此接下來將形式化表示FCWS系統(tǒng)。

FCWS表示FCWS 系統(tǒng)的獨特id 標識；FCWS表 示FCWS 系 統(tǒng) 的 狀 態(tài)；FCWS表 示FCWS 系統(tǒng)給駕駛員的警告信息；FCWS表示FCWS 系統(tǒng)接收到CPS 控制中心下發(fā)的指令信息；FCWS表示FCWS 系統(tǒng)所屬的網(wǎng)絡；EPN表示當前所屬的EPN網(wǎng)絡。

FCWS前撞預警系統(tǒng)的設定如下：在高速公路的場景下，時速在80 km/h，需保持車距大于80 m；車速在90 km/h，需保持車距在90 m 以上，以此類推，同時要求與前車車距不得低于50 m，F(xiàn)CWS系統(tǒng)會在車速大于100 km/h且車距在100 m以內(nèi)時發(fā)出告警。

圖4 為車輛FCWS 系統(tǒng)的EPN 網(wǎng)絡模型。在圖4 中，雙圓圈表示的是連續(xù)庫所，單圓圈代表的是離散庫所，空心矩形表示的是連續(xù)變遷，實心矩陣表示離散變遷。在此模型里引入了3個條件變遷（圖中表示為黑色圓圈連接點），分別是（，），（，）和（，），它們是由庫所所引出的條件變遷，對應的觸發(fā)條件分別是()＜50，50 ≤()＜100 和()＞100（此場景以車速100 km/h 為例，（）代表與前方物體的距離，單位為m）。當()＜50，車輛執(zhí)行變遷T，障礙物距離小于50 m 強減速預警；當50 ≤()＜100 時，車輛執(zhí)行變遷，障礙物距離大于50 m 又小于100 m 弱減速預警，且變遷優(yōu)先級高于；當()＞100 時，車輛執(zhí)行變遷，標識清零，不做提示。其余變遷均為普通有向變遷（圖中表示為箭頭連接），圖4 中EPN各節(jié)點的名稱和含義如表1所示。

圖4 FCWS系統(tǒng)的擴展Petri網(wǎng)模型

表1 EPN各節(jié)點名稱及含義

5 結(jié)語

CPS 是一種通過物理設備感知物理環(huán)境并且通過操控物理設備從而改變物理實體的復雜系統(tǒng)。其系統(tǒng)復雜程度遠超一般的信息存儲系統(tǒng)，這為CPS 的建模與驗證分析帶來了極大的挑戰(zhàn)。對此，本文提出了一種擴展Petri 網(wǎng)模型，它可適用于由離散和連續(xù)相混合的CPS 系統(tǒng)。主要以CPS 事件來描述CPS 的運作方式，通過數(shù)據(jù)的收集以及運算結(jié)果來描述CPS 的操控與執(zhí)行。在此基礎上引入了條件變遷來描述條件事件，使得模型更加合理化，從而完成對復雜CPS 系統(tǒng)的描述建模以及其中物理對象的變化過程展示。最后利用擴展Petri 網(wǎng)對裝有前撞預警系統(tǒng)的車輛進行建模，下一步將針對系統(tǒng)的安全性以及可用性進行研究，改進Petri網(wǎng)模型，并計劃利用現(xiàn)有工具，進一步設計詳盡的模型驗證方法進行研究。