信息物理系统中建模与仿真研究综述

向婉芹，杨 瓅，陈乙源

（重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

信息物理系统中建模与仿真研究综述

向婉芹，杨 瓅，陈乙源

（重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

物理信息融合系统由于兼具离散与连续动力学特征，且各子系统相互关联、组成复杂，其建模与仿真存在较大的挑战。本文首先介绍了信息物理系统的概念和特点，综述了其研究与设计、建模与仿真中存在的挑战；其次，将针对CPS的建模与仿真研究进行了分类和总结。

信息物理融合系统；建模；仿真

1 CPS的基本概念与特点

1.1 CPS基本概念

信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）是近年来研究的热点，其定义与概念尚未统一，一种广为接受的看法是［1］，CPS是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的，由可控、可信、可扩展的网络化物理硬件所构成的智能系统，是一个信息过程和物理过程互为反馈，且实现深度融合和实时交互的闭环系统，并能以安全、可靠、高效和实时的方式对物理实体进行监测或者控制［1］。研究CPS的最终目的，就是将虚拟信息和实际物理完全结合起来，从而改变现有工程系统的构建方式和方法。

在CPS的全称中，Cyber代表计算系统和网络系统所组成的信息世界，包括离散的计算进程、逻辑的通信过程和反馈控制过程等；Physical代表物理世界中的进程、对象或事件，它是指各种自然或人造系统，按照物理世界的客观规律在连续时间上的运行。

1.2 CPS的主要特征

CPS在结构和性能等方面主要有以下特征［2］。一是实时性，即在CPS中，感知、传输、控制反馈等环节，对实时性有较高要求。二是分布式，即系统中多个单元，相互协助完成任务，需要分布式信息处理。三是高可靠性，即CPS需要容错性，保证采集与反馈信息的可靠，实现系统稳定运行。四是强安全性，在CPS中，如果系统涉及多种重要场合，控制过程对物理环境有直接作用，必须具有强安全性才能保证系统可实现。五是多样性，在CPS中，设备多样，规模可变，网络多样，并且系统的类型也比较多。六是自治性，在CPS中，人处于辅助地位，系统可自动进行，资源可自动重组、配置。一种典型的CPS组成如图1所示。

图1 CPS组成示意图

2 CPS研究与建模中的难题

2.1 CPS研究中的难题

由于CPS的特点，很多已有的建模与仿真的方法和工具很难直接用在CPS的分析与设计中。因此，文献［3-4］通过分析CPS系统的特点，指出其设计与实现的关键在于需要对控制、通信与计算进行高度融合。与此同时，它也指出当前CPS研究中存在的9大难题：（1）混杂系统的建模与控制；（2）利用网络控制的设计与实现；（3）移动传感/驱动器网络的信息处理和控制问题；（4）实时系统抽象，即对实时嵌入式系统以及计算系统的抽象，要保证容错、优化等要求；（5）要确保系统的鲁棒性、可靠性、安全性；（6）研究面向CPS的基于模型的设计方法；（7）研究针对CPS的验证、测试的方法；（8）研究CPS系统的架构设计方法；（9）研究CPS系统的控制与策略设计。本文将主要对CPS建模与仿真中存在的难题进行梳理。

2.2 CPS中建模的难题

文献［5］中就CPS中建模存在的难题进行了分析，指出共有5类难题。

第一种是具备求解依赖性、非确定性，或者零动作性的建模。即因为CPS具有典型的混杂系统特性，连续模型与离散模型相互关联，其解相互影响，可能造成即使在关键模型解确定的情况下整体解也会不确定，甚至模型行为不唯一。

第二种是保持模型组件前后一致。一方面是在CPS中，由于各子系统及其模型相互关联，理想的测试与验证环境难以保证；另一方面是在嵌入式软件开发中，即使模型间采用同步技术，软件也会逐渐偏离模型，造成结果发散。

第三种是避免模型组件之间的失联。一般而言，模型越大，越难验证其组件间关联的正确性。文中提出了两类误差：（1）转换误差；（2）语法误差。

第四种是对功能与实现中的相互关联性进行建模。前述的模型均未考虑诸如关键平台以及通信网络中的实现细节，因此有必要对CPS中的软件与网络动态特性进行建模；此外，模型的实现也是一个很大的部分，且无法与模型功能整合到一起，因而要将实现模型与功能模型进行整体考虑。

第五种是对分布式特性进行建模。由于CPS天然具有分布式特性，而对分布式特性建模也会增加CPS建模的复杂性，因为这样会引入测量时间的不一致、网络演示、通信错误、系统状态的一致性以及分布式一致性等问题。

对此，文中提出了八种有益的方法：（1）基于计算的模型；（2）基于抽象语义的模型；（3）面向行为的模型；（4）混杂系统；（5）异构性模型；（6）模块化建模方法；（7）将行为与实现绑定，即基于质量管理的建模方法；（8）基于可靠语义传输与实现的建模方法。但这些方法还需要在CPS建模与仿真中深入研究，以便验证其可行性与有效性。

3 面向CPS的建模与仿真

目前，针对CPS的建模与仿真研究比较多，大体可以分为建模与仿真方法研究、建模与仿真工具研究、建模与仿真环境研究三类。

3.1 仿真方法研究

文献［6］中指出，由于CPS的特殊性，其具备的能力不能通过单独的物理或者信息实体实现。针对现有的建模工具与实践经验，可以认为，当前的工具不能满足CPS的建模需求，因而需要新的技术以及新的视角。因此，一方面提出了针对CPS的模型系统结构，如图2所示；另一方面提出了一种针对CPS的建模框架，即基于模型的方法，并重视基于模型的前期融合。该框架的一些元素是现有的，比如建模语言及针对嵌入式系统的生成器，另外一些技术也可用于构建其他的元素。

图2 CPS中模型与真实世界的结构示意图

文献［7］中针对现有文献对基于模型设计方法中重单步结果而对设计过程语言不详的情况，提出了一种基于模型的CPS的设计方法。将CPS的模型设计方法从架构抽象到概念实现，梳理成详细和整体的步骤。具体而言，分为10个基本步骤：一是陈述问题；二是物理过程建模；三是提取问题特征；四是导出控制算法；五是选择计算模型；六是明确硬件；七是仿真；八是构造；九是软件同步；十是核实、验证并测试。然后，以TBD（The Tunneling Ball Device）为例，演示了所提出的基于模型的CPS设计方法，并验证了其有效性。

文献［8］中分别研究了CPS物理实体的仿真建模方法、计算实体的仿真建模方法、计算-物理融合的仿真建模方法，并结合实例进行了验证。对物理实体进行仿真建模一般基于物理定律，对计算实体仿真建模一般采用状态机图，用来表示计算实体基于事件驱动的离散过程。基于Rhapsody采用模型转换技术实现CPS计算-物理融合的仿真建模。结合月球车实例，利用MATLAB/Simulink建立系统的物理模型，利用UML状态机图等建立系统的计算模型。在Rhapsody环境中将Simulink模型及代码导入到实时UML模型中，实现了系统的模型融合，对融合模型进行仿真。其仿真结果满足用户需求，验证了利用模型转换技术可以较好地实现CPS计算-物理融合的仿真建模。

3.2 仿真工具研究

文献［9］中针对当前CPS建模与仿真中存在的巨大挑战，通过分析CPS建模的特性，并与Modelica的特点进行对比，指出Modelica具备的对象建模、公式建模、关联建模、混杂建模等能力与CPS的特性完美契合。进而，文中利用Modelica，提出一种对CPS中的信息模型、物理模型、接口模型进行统一建模的方法。该方法为CPS的设计、分析及验证提供了基础。

针对CPS具备通信网络、信息处理、控制系统、物理系统多域并存的特点，文献［10］中提出了一种建模与联合仿真工具箱——HybridSim，其建构如图3所示。在实现时，其操作步骤如下：一是可以将已有的系统组件导入SysML，使得工程人员仅需SysML模块即可进行CPS设计；二是HybridSim能够从SysML中直接生成功能型实物模型单元（FMU）以及配置脚本；三是HybridSim能够利用功能型实物模型单元的相关接口，进行信息交换和同步，实现联合仿真。

图3 CPS中模型与真实世界的结构示意图

3.3 仿真环境研究

文献［11］中认为，CPS需要联合仿真平台，以便能够同时获取物理与信息动态。该文作者在其前期工作的基础上，建立了一套针对CPS的联合仿真平台，新的平台具有一些不可缺少的特性。在讨论平台的工程建设步骤中，为了证明将来集成多种仿真环境的工具的效益，几种替代设计也被提了出来，对每种设计被剔除或采纳的原因也有深入讨论。然后，作者对其提出平台的有效性进行了检验，确保其能正常工作。最后，作者利用演示性示例显示了该平台的能力。具体而言，该平台集成了一个网络仿真器：ns-2，一种针对大型复杂物理系统的建模语言：Modelica。其主要创新在于，新的平台能够对Modelica内部的异步事件进行响应，而这一点是现有的大部分工具所忽视的。其具体策略如图4所示。

图4 ns-2与Modelica联合仿真中的异步事件响应策略

文献［12］中提出物理信息融合能源系统（Cyber-Physical Energy Systems， CPES）是电网技术、供需两侧智能通信以及分布式嵌入计算协调相互融合的产物，其目的是实现高效、可靠、经济的电能传输。由于系统中关联部分或子系统的异源特性，新建CPES或将传统电网改造为CPES，不仅挑战性大，且耗时长。针对这一特点，基于模型的设计方法被引入到CPES的设计中。该文演示了基于模型的设计方法及其相关工具，其目的是针对住宅微网，设计并验证多种控制算法的有效性。本文提出的联合仿真工具是GridMat，其结构如图5所示。

图5 GridMat的结构框架示意图

文献［13］中介绍了一种信息物理建模语言Modelica及其开发环境OpenModelica。其主要特点是：易于使用，可视化建模，预设模型模块丰富，具备可复用模块可用于自定义模型库，支持对有多域特征的复杂应用建模和仿真。

4 结束语

本文对近年来面向CPS的建模与仿真研究进行了部分梳理，并按照方法、工具以及环境三个方面进行了分类，可为CPS研究提供一点参考和帮助。

［1］ 何积丰.Cyber-physical Systems［J］.中国计算机学会通讯，2010，（1）: 25-29.

［2］ 温景容.信息物理融合系统［J］.自动化学报，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-），讲师，研究方向为电力系统及自动化。