赛博物理系统的多范式建模方法_(荷)BedirTekinerdogan等著;孙智孝译_9787512441194

本书呈现了国际相关研究团队在支持赛博物理系统多范式建模（MPM4CPS）方面的研究成果，书中内容源于领先行业的实践经验以及研究性文献，聚焦该领域最先进的研究方法和实践案例，涵盖MPM4CPS研究团队创建的理论基础、形式化方法、工具以及相应教育资源和案例。读者将从本书中了解赛博物理系统（CPS）设计和运用的关键问题以及解决方案，并可从必需的软件工具的介绍中得到有关模型建立、分析和管理的有益指导。

读者将从书中学习到有关基于模型的系统工程（MBSE）中全面应用建模与仿真技术的基本理论以及研究方向。本书可作为系统工程、自主系统等学科的研究生教材，使学生系统地学习关于多范式建模本体框架的最新理论，并通过案例研究领悟相应的工程实践中的建模方法和分析流程。

序者序

当今世界我们所面对的工程化系统正在加剧地变得更加复杂，其中最为重要的特征就是不断呈现着由物理、软件和网络等多个方面的集成，真正复杂的、多学科的和工程化的系统多属于赛博物理系统（简称CPS）的范畴。因此，构思、开发和建造这样的系统是一项卓越的系统工程的努力，不仅具有技术考量及物理约束的挑战性，而且会涉及诸如通信、控制、计算以及人机交互协同等带来的影响。随着CPS设计和运用现实需求的不断增加，依赖以往在单个领域的工程学科（机械、电气、网络或软件）拥有的知识和技能已无法提供完整的解决方案。在当今的系统工程领域，我们迫切需要寻求并建立一种统一的理论以及系统化的设计方法、技术和工具。

在此，针对CPS固有的跨学科的本质特征，结合当前系统工程面向基于模型的转型方向，将建模、仿真和分析（MS&A）作为开发赛博物理系统的关键使能。为支持在所有研究领域之间建立沟通的公共背景知识，通过研究相关建模语言中的模型规范、转换及其语义技术，综合分析多个学科相关的不同的建模技术，旨在寻求最为合理的建模形式，在最为合适的抽象层级之上清晰地明确系统的各个组成部分以及各个层面的建模方式，由此多范式建模（MPM）应运而生，今天学术界和工程界普遍将MPM当作未来应对CPS设计和应用挑战的有效路径。

关于本体框架

本体在系统所处的背景环境中捕捉与问题空间和解决方案相关的一般性知识。在此将背景环境表示为我们所认识世界的高层实体（类型和领域）的分类学的层级树，从而概括和抽象，用来指导我们对事物进行分类。从最高到最低层级的所有实体都可作为概念出现，而低层级的实体（概念和实例）将继承其高层实体的一般特性并同时拥有各自独特的特性。本体框架成为我们选择用来构建本体模型的结构、功能和内容的定义，就像关系数据库或面向对象编程语言那样，而无需从头开始创建自己的本体框架。

本书首先翔实地进行有关本体框架的描述并定义本体框架的建模方法和工具，通过提供共享本体、CPS本体（领域本体）和 MPM 本体（方法本体）之间的跨领域概念来详细阐述和集成这些本体，并利用基于模型的开发流程、元模型（如megamodel）支持的视角以及对应的形式化概念，引导在更广泛的背景环境中，探索并获得关于支持赛博物理系统多范式建模（MPM4CPS）应用的正确方向和实际方法。

关于方法及其工具

正是由于赛博物理系统的异构性，因此需要一种适应多学科组件的灵活并通用的建模方法，以应对和管控系统组合的复杂性。双半球模型驱动（简称2HMD）方法成功应用于各种领域的建模以及软件设计，其中模型最为突出的特征就是既适用于人的理解又支持模型的自动转换。将2HMD方法与CPS的建模方法相结合，为我们提供了一个组合和分析系统组件的机会，从而在理想的和实际的系统之间发现和弥补差别。进而，在离散事件优先（DEfirst）的方法论的指导下，使用离散事件（DE）形式化方法来识别各类不同模型之间的合理的通信接口和交互协议，构造系统最初的、抽象的概念模型；之后使用协同仿真（cosimulation）技术逐步增加协同模型（comodel）的细节，逐渐用更详细的模型取代上述的概念模型，前者如满足物理现象的连续时间（CT）的模型。

书中具体介绍了使用特定领域的建模语言来开发基于智能体（Agentbaesd）的 CPS 方法，并研究在各类执行平台上实现这些系统。此时，系统将基于状态转换的离散事件与基于变量的连续求解相融合，运用混合系统建模的表达能力支持高度复杂系统的定义，由此赛博物理系统可在错综复杂的背景环境中得以建模，并利用一个易学的图形化界面在Python工具的支持下，实现CPS模型的高效建模、仿真和验证。

关于案例研究

赛博物理系统由不同的硬件、软件、计算和通信组件所组成，在设计和开发中重点考虑通信、传感器与物理组件的有效组合。书中案例重点描述使用 MPM 方法设计和开发基于物联网的CPS，其中涵盖系统在无线传感器网络（WSN）节点、物联网（IoT）元素跨平台之间的通信，传感器和作动器之间物理世界与系统使用者的交互控制以及传感器、边缘（Edge）及网关的嵌入式组件。复杂系统的开发既要考虑其结构又要考虑其行为，在CPS开发流程的不同阶段，如需求分析、设计、建模和仿真以及实现，MPM方法在流程模型中提供系统开发的数据流和控制流，并应用形式化转换图和流程模型（FTG PM）技术，旨在通过发现关键的转换来提升CPS及其开发的能力。

本书还介绍了欧洲一些领先的大学在硕士和博士课程上创立MPM4CPS基础理论和研究的成果，为应对CPS开发中跨领域专业共识知识体系的挑战，弥合CPS领域研究人员、工程师培训与高校教育之间的隔阂，详细阐明并给出相关学科的发展路线图。

阅读和翻译本书的过程，就好像一次启航重新认知未来系统基本特征和新型系统工程范式的旅程，作者不仅为我们呈现了未来赛博物理系统运用的宏大全景和探索路径，而且所涉及的大量相关文献又为我们设立了研究和实践的路标。愿与各位读者同行，祝在学习的路途中愉快、充实！

译者

2023年6月

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