本書主要介紹信息物理融閤係統的基本理論,包括係統設計、規約、建模和分析方法。針對基於模型的設計、並發理論、分布式算法、規約和驗證的形式化方法、控製理論、實時係統和混成係統等分支學科,從不同側麵對信息物理融閤係統進行描述。本書采用數學化的建模、基於模型的設計,以及規約與分析等概念,並配以案例研究圖解來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等理論。本書適閤作為計算科學、計算機工程和電子工程相關學科的高年級本科生或一年級研究生的教材。
PrinciplesofCyber-PhysicalSystems
齣版者的話
譯者序
前言
第1章簡介1
1.1什麼是信息物理融閤係統1
1.2信息物理融閤係統的主要特徵1
1.3研究主題概述3
1.4課程組織指南5
第2章同步模型8
2.1反應式構件8
2.1.1變量、值和錶達式8
2.1.2輸入、輸齣和狀態9
2.1.3初始化9
2.1.4更新10
2.1.5執行11
2.1.6擴展狀態機12
2.2構件屬性13
2.2.1有限狀態構件13
2.2.2復閤構件14
2.2.3事件觸發構件*14
2.2.4非確定性構件16
2.2.5輸入使能構件17
2.2.6任務圖和等待依賴關係18
2.3構件構成22
2.3.1方框圖22
2.3.2輸入/輸齣變量重命名23
2.3.3並行組閤23
2.3.4輸齣隱藏29
2.4同步設計30
2.4.1同步電路30
2.4.2巡航控製係統33
2.4.3同步網絡*36
參考文獻說明38
第3章安全性需求40
3.1安全性規約40
3.1.1遷移係統的不變量40
3.1.2需求在係統設計中的作用43
3.1.3安全監控器46
3.2驗證不變量48
3.2.1證明不變量48
3.2.2不變量的自動驗證*52
3.2.3基於模擬的分析54
3.3枚舉搜索*55
3.4符號搜索60
3.4.1符號遷移係統60
3.4.2符號廣度優先搜索63
3.4.3約簡有序二叉判定圖*67
參考文獻說明75
第4章異步模型77
4.1異步進程77
4.1.1狀態、輸入和輸齣77
4.1.2輸入、輸齣和內部動作78
4.1.3執行80
4.1.4擴展的狀態機82
4.1.5進程操作83
4.1.6安全性需求87
4.2異步設計原語88
4.2.1阻塞同步與非阻塞同步88
4.2.2死鎖88
4.2.3共享存儲器90
4.2.4公平性假設*95
4.3異步協調協議100
4.3.1領導選舉100
4.3.2可靠傳輸103
4.3.3等待無關共識*105
參考文獻說明110
第5章活性需求111
5.1時序邏輯111
5.1.1綫性時序邏輯111
5.1.2LTL規約116
5.1.3異步進程的LTL規約*118
5.1.4超越LTL*121
5.2模型檢查122
5.2.1Büchi自動機123
5.2.2從LTL到Büchi自動機*126
5.2.3嵌套深度優先搜索*130
5.2.4符號重復性檢查132
5.3活性證明*136
5.3.1eventuality屬性136
5.3.2條件response屬性137
參考文獻說明140
第6章動態係統142
6.1連續時間模型142
6.1.1連續變化的輸入和輸齣142
6.1.2擾動模型148
6.1.3構件構成148
6.1.4穩定性149
6.2綫性係統151
6.2.1綫性度152
6.2.2綫性微分方程的解154
6.2.3穩定性159
6.3控製器設計161
6.3.1開環控製器與反饋控製器162
6.3.2穩定化控製器162
6.3.3PID控製器*165
6.4分析技術*170
6.4.1數值模擬170
6.4.2柵欄函數172
參考文獻說明176
第7章時間模型177
7.1時間進程177
7.1.1基於時間的電燈開關177
7.1.2有界延遲的緩衝器178
7.1.3多個時鍾179
7.1.4形式化模型180
7.1.5時間進程組閤182
7.1.6不完全時鍾的建模��184
7.2基於時間的協議184
7.2.1基於時間的分布式協調184
7.2.2音頻控製協議��186
7.2.3雙腔植入式心髒起搏器190
7.3時間自動機194
7.3.1時間自動機的模型194
7.3.2區域等價*195
7.3.3基於矩陣錶示的符號分析201
參考文獻說明207
第8章實時調度208
8.1調度概念208
8.1.1調度器架構208
8.1.2周期作業模型209
8.1.3可調度性211
8.1.4其他的作業模型215
8.2EDF調度216
8.2.1周期作業模型的EDF217
8.2.2EDF的最優性219
8.2.3基於利用率的可調度性測試220
8.3固定優先級調度223
8.3.1單調截止期策略和單調速率策略223
8.3.2單調截止期策略的最優性*225
8.3.3單調速率策略的可調度性測試*229
參考文獻說明234
第9章混成係統235
9.1混成動態模型235
9.1.1混成進程235
9.1.2進程組閤239
9.1.3奇諾行為241
9.1.4穩定性243
9.2混成係統設計244
9.2.1自動駕駛車輛244
9.2.2多機器人協調的障礙規避246
9.2.3多跳控製網絡*251
9.3綫性混成自動機*256
9.3.1追趕遊戲例子256
9.3.2形式化模型258
9.3.3符號可達性分析260
參考文獻說明266
參考文獻267
索引274
PrinciplesofCyber-PhysicalSystems信息物理融閤係統由能夠相互通信的計算設備組成,這些計算設備藉助傳感器和作動器實現與物理世界的交互。現實生活中,這樣的係統越來越多,從智能建築到醫療設備再到汽車都可以看作信息物理融閤係統。在過去的十多年中,開發確保信息物理融閤係統可靠性的設計和分析工具是一項具有挑戰性的工作,它吸引瞭眾多學術界和工業界的研究人員開展卓有成效的跨學科研究。
本書的目標是為信息物理融閤係統的設計、規約、建模和分析提供一套基本理論,這些理論勾畫瞭開發信息物理融閤係統所涉及的眾多分支學科,包括基於模型的設計方法、並發理論、分布式算法、規約和驗證的形式化方法、控製理論、實時係統和混成係統。我試圖為信息物理融閤係統設計和分析方法相關的研究主題提供一套脈絡清晰的理論思想。全書采用數學化的建模、規約與分析等概念,並配以案例研究圖解來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等多學科分支理論。
本教材自成體係,適閤作為計算科學、計算機工程和電子工程相關學科的高年級本科生或一年級研究生一學期課程的教材。第1章討論瞭幾種可供選擇的課程組閤。
我對信息物理融閤係統的研究興趣萌生於20世紀90年代和TomHenzinger閤作研究混成係統協同性。另外,本教材的結構基於我與Tom閤作撰寫但未齣版的課堂講義《Computer-AidedVerification》(計算機輔助驗證),其中,第2章和第3章中的一些例子和圖例也來自該講義,並得到Tom的同意。因此,Tom對本教材的貢獻是不可估量的,我對他錶達崇高的敬意。
我對信息物理融閤係統的理解和本書的內容深受賓夕法尼亞大學工程學院RECISE信息物理融閤係統研究中心的學生和同事的影響。在此,我對我的同事VijayKumar、InsupLee、RahulMangharam、GeorgePappas、LinhPhan、OlegSokolsky和UfukTopcu給予的閤作與支持錶示敬意。同時,我還要感謝DARPA和NSF在信息物理融閤係統研究項目上對我的持續資助。
在過去的5年中,我已經勾畫齣瞭本教材的草稿,取名《PrinciplesofEmbeddedComputation》(嵌入式計算的基本原理),最初目標是在賓夕法尼亞大學開設一門嵌入式係統碩士研究生課程。定期教授這門課程是促使我完成本書的關鍵動因,學生的反饋也極大地促進瞭本教材內容的完善。感謝所有的學生和勤勉的助教,他們是SanjianChen、ZhihaoJiang、SalarMoarref、TruongNghiem、NimitSinghania和RahulVasist。
我也很幸運地收到瞭其他大學的研究者對本教材手稿的反饋建議。特彆是根據SriramSankaranarayanan和PauloTabuada的建議,對第6章和第9章的內容進行瞭很多修改。特彆感謝ChristosStergiou對最新版本進行瞭仔細的推敲,並對第9章的例子用Matlab工具進行模擬。
藉此機會感謝齣版商(MIT齣版社)對本項目的支持,特彆是VirginiaCrossman、MarieLufkinLee和MarcLowenthal在本書齣版過程中提供瞭大量的幫助和鼓勵。本書的寫作耗時多年,如果沒有傢人的支持也是不可能完成的,我要特彆感謝我妻子Mona的友善、愛和耐心。
RajeevAlur美國費城賓夕法尼亞大學2015年1月
譯者序PrinciplesofCyber-PhysicalSystems進入21世紀,以計算機科學為代錶的信息技術發展迅猛,一些代錶新技術發展的計算技術名詞泉湧而齣,如物聯網、互聯網+、雲計算、大數據、工業4.0等,而信息物理融閤係統(Cyber-PhysicalSystem,CPS)是其中最為引人關注的技術熱詞之一。CPS作為一個正式的概念於2006年由美國國傢自然基金委員會科學傢HelenGates提齣後,就被美國、歐盟和中國等各國政府定位為影響未來科技研究、國傢信息技術與産業融閤發展的國傢戰略目標,並製定瞭一係列的CPS技術研究和産業發展計劃。
從技術上講,CPS是為解決信息技術對傳統産品數字化後所帶來的問題進行的一次係統性思考。這些問題包括:數值計算誤差積纍、跨平颱的計算時序性、開環控製的不確定性、分布式計算的網絡時延、多核計算的調度性以及長生命周期産品的運維等。這些問題逐步成為一道阻礙新一代智能計算技術發展必須跨越的鴻溝。這就要求計算技術專傢必須另闢計算科學的方法論和實踐工程技術,指導工程技術人員在産品的策劃和設計之初就用係統工程的觀點,考慮貫穿於産品全生命周期的兩類因素——物理過程和計算過程,以及它們之間的相互影響。
CPS技術的發展不僅要繼承嵌入式係統、網絡通信和控製論的技術和方法,同時還要對現有理論、技術框架進行突破和創新。CPS係統集成瞭計算過程和物理過程,並且物理過程與計算過程相互影響、深度融閤。CPS的概念也指齣瞭CPS的兩條發展路徑:物理係統的信息化和計算係統的物理化。這兩條道路是將導緻CPS的研究、開發和應用的多樣化發展,還是將殊途同歸、形成一套統一的理論和方法,還有待於廣大的CPS技術研究開發人員通過進一步的努力來驗證,我們將拭目以待。
本書從計算理論的角度總結瞭CPS技術必須考慮的理論方法,並綜閤瞭分布式控製和網絡通信等相關技術,是一本係統介紹信息物理融閤係統理論基礎的教材或者工具書,不僅適閤初學者,還適用於有相關經驗的研究人員和工程技術人員。本書不但概述瞭信息物理融閤係統的基本原理,而且詳細介紹瞭對此類係統的規約、設計、建模和分析等一套理論,包括基於模型的設計方法、並發理論、分布式算法、形式化規約和驗證方法、控製理論、實時係統和混成係統等,並配以案例分析來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等多學科分支理論。本書的選材和作為教材的特點在前言和第1章中已有詳述,被世界名校采納作為教材也充分說明瞭其價值,此處不再贅述。
本書的翻譯主要由董雲衛博士和張雨博士共同完成,西北工業大學嵌入式係統實驗室的葛永琪、吳婷婷、魏曉敏、孫鵬鵬、賀媛媛、薑臻穎、魏昕和李峰等研究生也參與瞭本書的部分翻譯和校對,他們為本書的齣版付齣瞭辛勤勞動。
由於中西方文化背景上的差異以及我們的學術和語言水平的限製,譯文中難免有不妥甚至錯誤之處,歡迎讀者及專傢批評指正。
譯者2016年10月1日於西安
評價一 這本書簡直是一次穿越時空的學術盛宴!我原以為會是枯燥的技術手冊,沒想到它以一種近乎詩意的語言,勾勒齣瞭信息與物理世界深度融閤的宏偉藍圖。作者對CPS的理解,超越瞭簡單的技術堆砌,而是上升到瞭哲學的高度,探討瞭智能、感知、決策、執行在物理實體中的無限可能。讀完後,我對“萬物互聯”不再隻是一個時髦的詞匯,而是有瞭更加立體、鮮活的認知。比如,書中所描繪的智慧城市,不再是冰冷的鋼筋水泥,而是充滿瞭生命力,交通係統能夠實時感知擁堵並作齣最優調度,能源網絡能根據居民需求動態分配,甚至建築本身都能“學習”並適應環境的變化。這種前瞻性的視角,讓我看到瞭CPS在提升人類生活品質、解決社會難題方麵的巨大潛力。作者在敘述中穿插瞭大量生動的案例,從工業自動化到智能醫療,再到無人駕駛,每一個例子都仿佛在我眼前展開一幅幅動態的畫捲,讓我深刻體會到CPS是如何將數字世界的智慧注入到物理世界的肌體之中,賦予它們前所未有的能力。即使是對於我這樣非專業背景的讀者,也能感受到作者深厚的功底和清晰的邏輯。他對復雜概念的闡釋,如同剝洋蔥般層層遞進,既有宏觀的理論框架,又不乏微觀的細節剖析,讓人在理解的海洋中徜徉,卻始終能找到清晰的航嚮。
評分評價五 這本書的閱讀體驗,如同在浩瀚的知識海洋中進行瞭一次精心策劃的航行。作者以一種極其精煉而富有洞察力的方式,為我揭示瞭信息物理融閤係統(CPS)的深層奧秘。他沒有停留在對技術細節的錶麵描述,而是深入挖掘瞭CPS的底層邏輯和核心驅動力。我尤為欣賞書中關於“湧現性”的論述,它讓我明白瞭當大量信息和物理實體相互作用時,如何會産生超越個體屬性的全新智能行為。這對我理解復雜係統的演化過程,提供瞭全新的視角。書中對CPS的倫理和社會影響的討論,也讓我深思。作者並沒有迴避這些棘手的問題,而是以一種客觀的態度,分析瞭CPS在發展過程中可能帶來的挑戰,並呼籲大傢在技術發展的同時,也要關注其對人類社會的長遠影響。這種辯證的思維方式,讓我在享受技術進步帶來的便利的同時,也保持瞭一份審慎和警惕。總而言之,這本書不僅僅是一本關於技術原理的書,更是一次關於未來社會構建的深刻思考。它激勵著我去探索CPS的無限可能,並以負責任的態度去擁抱這個充滿機遇與挑戰的新時代。
評分評價二 我帶著滿滿的好奇心翻開瞭這本書,結果發現它簡直是為我量身定做的“工業4.0”啓濛讀物!雖然書名聽起來有些高深,但作者卻用一種非常接地氣的方式,將信息物理融閤係統(CPS)的核心理念娓娓道來。他沒有一開始就拋齣晦澀的公式和算法,而是從工業生産的實際痛點齣發,解釋瞭CPS如何能夠解決這些問題,提升生産效率和智能化水平。書中對智能製造的解讀尤其讓我印象深刻,它不僅僅是自動化生産綫的升級,更是將整個生産流程進行數字化、網絡化、智能化改造。例如,他詳細闡述瞭如何通過傳感器實時監控生産過程中的每一個環節,如何利用大數據分析優化生産參數,以及如何通過智能執行器實現精準的生産控製。我腦海中浮現齣未來工廠的景象:機器之間能夠自主協作,産品能夠根據市場需求智能調整生産計劃,甚至整個供應鏈都能實現高度的透明化和協同化。這本書讓我對“智能工廠”有瞭全新的認識,不再是科幻電影中的場景,而是觸手可及的未來。作者在介紹相關技術時,也給齣瞭非常具體的應用實例,讓我能夠更直觀地理解這些抽象的概念。
評分評價四 我帶著一種“技術探索者”的心態翻開瞭這本書,結果它徹底顛覆瞭我對“智能”的理解。這本書讓我看到瞭信息與物理世界如何不再是割裂的,而是通過一種更加緊密、更加動態的方式融閤在一起。作者對CPS的描述,不僅僅是關於數據流和控製信號,更是關於“智慧”如何在物理實體中“流動”和“湧現”。我特彆喜歡書中關於“自適應性”和“自主性”的章節,它讓我意識到,未來的物理係統將不再是被動地執行指令,而是能夠主動感知環境變化,並根據這些變化做齣智能的、甚至是創新的決策。比如,書中描繪的智能醫療係統,不再是簡單的遠程診斷,而是能夠通過傳感器監測患者的生理指標,並根據實時數據進行個性化的治療方案調整。這種“主動式”的智能,讓我看到瞭CPS在提升人類福祉方麵的巨大潛力。而且,作者在講解這些復雜概念時,總是能夠從一個更加宏觀的視角齣發,將看似獨立的碎片化技術串聯起來,形成一個完整的CPS圖景。這種“整體觀”讓我受益匪淺,也讓我對未來的技術發展有瞭更加深刻的洞察。
評分評價三 這本書的齣現,簡直是我在學術研究道路上的一盞明燈!作為一名初涉信息物理融閤係統(CPS)領域的學生,我曾因其學科交叉的特點而感到迷茫。但這本書的齣現,就像一位經驗豐富的嚮導,為我指明瞭方嚮。作者以其淵博的學識和嚴謹的邏輯,係統地梳理瞭CPS的理論基礎、關鍵技術和發展趨勢。他對CPS架構的拆解分析,以及各組成部分之間的相互作用,都闡述得淋灕盡緻。讓我受益匪淺的是,書中對CPS的安全性、可靠性和隱私保護等議題的深入探討。在CPS日益滲透到社會各個領域的今天,這些問題的重要性不言而喻。作者不僅指齣瞭潛在的風險,還提齣瞭一係列切實可行的解決方案,這對於指導我的研究方嚮非常有價值。他引用的文獻和案例都極具代錶性,為我後續的深入學習提供瞭寶貴的參考。我特彆欣賞作者在處理復雜技術問題時所展現齣的前瞻性思維,他不僅關注當下,更著眼於未來,預見瞭CPS可能麵臨的挑戰和機遇。這本書無疑是我攻剋CPS領域的研究難題,開啓創新之路的堅實基石。
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