正版新书]赛博物理系统工程建模与—赛博物理系统的复杂挑战 支

部简介

章赛博物理系统工程中建模与应用的复杂3

1.1概述/3

1.2CPS多模态的本质特征/4

1.3为什么CPS工程如此复杂/5

1.4CPS工程的M&S技术/8

1.5智能、适应和自主方面/10

1.5.1智能/10

1.5.2自主/13

1.5.3适应/14

1.6总结/15

致谢/17

参考文献/17

第2章智能赛博物理系统运行和设计中的挑战22

2.1概述/22

2.2联网的自动驾驶汽车/

.人类的体能和认知能力的演变/24

..1能量效率和身体操控/25

..2认知/25

..语言与交流/25

..4从自然到技术/25

2.4智能赛博物理系统的全景/26

2.4.1工程系统分类/26

2.4.2工程系统集成体的生命周期/28

2.5系统运行中的挑战/29

2.5.1互联运行/29

2.5.2协同运行/31

2.6系统设计和测试中的挑战/32

2.6.1设计/32

2.6.2测试/33

2.7结论/34

参考文献/35

第3章北约应用建模和支持自主系统的演进43

3.1概述/43

3.2北约的自主系统/44

3.2.1北约RTO/SAS097:支持未来北约作战的机器人计划/45

3.2.2MCDC:自主系统(2013—2014年)/46

3..北约M&S优异中心(COE)在自主系统和赛博领域的努力/48

3.3自主系统的建模与会议(MESAS)/49

3.3.12014年MESAS/50

3.3.22015年MESAS/51

3.3.32016年MESAS/52

3.3.42017年MESAS/53

3.4自主系统:未来的挑战和机遇/54

3.4.1两用技术是可靠和可持续的关键/55

3.4.2新方案中的两用功能/56

3.4.3应急管理中的自主系统支持北约实现新的能力/57

3.5结论/59

参考文献/59

第二部分支持CPS工程的建模技术

第4章多视角建模和整体———支持很好复杂系统分析的系统思维方法67

4.1概述/67

4.2相关研究工作/70

4.3MPM&HS的概念基础/72

4.4多视角建模/73

4.4.1复杂系统的通用本体/74

4.4.2层面层级/75

4.4.3尺度层级/75

4.4.4模型层级/76

4.5整体/

4.6MPM&HS流程/77

4.7应用/78

4.8讨论/81

4.8.1多视角模型的整体集成背后的语义是什么/82

4.8.2如何验整体集成/82

4.9结论/83

参考文献/83

第5章赛博物理系统层级化协同的统一框架89

5.1概述/89

5.2相关工作/91

5.3HyFlow形式化方法/91

5.3.1基本的HyFlow模型/92

5.3.2案例:脉冲积分器/92

5.3.3HyFlow网络模型/94

5.4数值积分/95

5.4.1指数积分器/96

5.4.2几何积分器/97

5.4.3模型的可组合/9

5.5流形随机Petri网/99

5.6结论/102

参考文献/102

第6章基于模型的体系工程权衡分析106

6.1概述/106

6.2体系、赛博物理系统和物联网/106

6.3体系权衡分析的挑战/108

6.4基于模型的架构作为体系权衡分析的框架/111

6.5建立体系目标和评估准则/116

6.6评估可选的方案/117

6.6.1支持体系权衡空间分析的轻量级分析工具/118

6.6.2支持体系权衡空间分析的集成工程环境/122

6.7结论/124

参考文献/126

第7章管控物联网生态系统复杂和风险的系统实体结构建模130

7.1概述/130

7.2IoT的定义以及以设备为中心的世界观/132

7.3系统实体结构(SES)模型/134

7.4IoT模型/138

7.5案例研究:Mirai攻击/140

7.5.1说明/140

7.5.2使用IoT的SES模型对Mirai用例建模/140

7.6IoT的风险/146

7.6.1IoT技术后果/146

7.6.2综合风险评估框架/146

7.7结论/147

参考文献/149

第三部分基于的CPS工程

第8章支持CPS嵌入式控制器高效开发的模型连续155

8.1概述与动机/155

8.1.1赛博物理系统的控制/156

8.1.2DEVS作为建模和的形式化方法/158

8.1.3模型连续的方法/159

8.2相关技术背景/160

8.2.1DEVS框架/161

8.2.2PowerDEVS器/162

8..机器人操作系统中间件/162

8.3应用ROS的DEVS(DoveR):基于模型连续的方的实现/163

8.3.1PowerDEVS引擎与ROS中间件之间的通信/165

8.3.2RaspberryPi的嵌入式/18

8.4机器人实验平台:硬件和模型/168

8.4.1连续的机器人模型和离散的调节控制器/169

8.4.2硬件描述/170

8.5实验案例研究:以模型连续为中心的方支持控制器的开发/171

8.6实施DoveR的挑战/174

8.7结论/175

参考文献/176

第9章预测慢病症状事件的CPS设计方179

9.1概述/179

9.1.1移动云计算与健康中的预测建模/179

9.1.2IoT的能源效率/180

9.1.3偏头痛疾病/181

9.1.4CPS设计中的建模与/182

9.2一般的架构/182

9.2.1数据采集系统/183

9.2.2鲁棒预测系统/183

9..专家决策系统/187

9.3软件模型和物理实现/187

9.3.1软件模型/189

9.3.2物理实现/191

9.4能量消耗和可扩展问题/194

9.4.1能量消耗/194

9.4.2可扩展问题195

9.5结论/197

参考文献/198

0章面向自主应用基于模型的工程200

10.1概述/200

10.2背景/200

10.2.1验与确认/201

10.2.2基于模型的系统方法:关联到CPS/202

10..基于模型的V&V/203

10.2.4面向自主的应用/204

10.3基于模型的工程方法/204

10.3.1基于模型的工程的工作流/206

10.3.2特定领域建模环境/207

10.4基于模型的工程中的建模与/208

10.4.1基于模型的工程中的计算建模/209

10.4.2软件在环/211

10.4.3硬件在环/212

10.5用例:控制车辆CPS的速度/212

10.6用例:CPS设计的特定领域建模语言/215

10.7结论/216

参考文献/217

第四部分赛博元素

1章关注赛博物理系统的安全227

11.1赛博物理系统/227

11.1.1赛博物理系统的定义/227

11.1.2相关系统/227

11.2面临的安全挑战/228

11.2.1运输:车辆安全/228

11.2.2健康IT:医疗设备安全/229

11..能源系统:智能电网/0

11.3CPS安全M&S的挑战和机遇/1

11.3.1将M&S应用于系统安全工程和强韧/1

11.3.2CPS安全的数字孪生概念/2

11.3.3将M&S应用于CPS风险评估/2

11.3.4CPS赛博靶场/2

参考文献/

2章赛博物理系统强韧———框架、测度、复杂、挑战和未来方向

12.1概述/

12.2赛博强韧:关研究工作简介/

1.赛博物理系统的强韧/

1..1强韧CPS的特征/

1..2强韧测度的要求/

12.4强韧测度和框架/

12.4.1CPS赛博威胁态势/240

12.4.2CPS强韧测度/241

12.4.3CPS的赛博强韧框架/243

12.5定的CPS强韧测度/246

12.6CPS强韧的定量建模/248

12.6.1关键赛博资产的建模/248

12.6.2跳板攻击的建模/249

12.6.3风险和强韧的建模与估计/249

12.6.4攻击场景的建模与设计/252

12.6.5基础物理过程和设计约束的建模/253

12.7CPS强韧测度的平台/254

12.7.1定平台/254

12.7.2定量平台/255

12.7.3验和确认计划/256

12.7.4平台的用例/256

12.8复杂、挑战和未来方向/258

12.9结论/260

参考文献/261

3章社会结构中的赛博创造物265

13.1概述/265

13.2赛博物理系统的涌现/267

13.3分布式代理:描述多层次结构和机构的语言/269

13.4社会适应:对于人类适应并操控环境的自然延伸/274

13.5复杂与社会:CPS与社会科学的适配点/275

13.6CPS结构:应用到人类方面/277

13.7结论/284

参考文献/285

第五部分发展方向

第六部分4章赛博物理系统工程建模与应用复杂的研究主题291

14.1概述/291

14.2在本书中识别的研究挑战/292

14.2.1公共的形式化方法/292

14.2.2复杂的环境/293

14..复杂的工具集/294

14.2.4多视角挑战/296

14.2.5复杂项目中支持更好沟通的M&S方法/297

14.2.6赛博物理系统强韧/298

14.2.7支持人-机团队/299

14.3讨论/300

参考文献/300

结束语赛博物理系统——用建模和均衡们的热情和谨慎305

参考文献/306

附录词汇表/307

主编简介

SaurabhMittal是 MITER公司(位于俄亥俄州费尔博恩)、实验和博弈部门的 首席科学家,国际建模与学会(SCS)(位于加利福尼亚州圣地亚哥)副、董事会 成员;拥有亚利桑那大学图森分校和计算机工程博士和硕士,并在系统和 工业工程以及管理和信息系统领域获得两个辅修;与他人合作发表100多篇文献, 包括书籍章节、期刊和会议,其中有3本书涉及复杂系统、体系(系统之系统)、 复杂自适应系统、涌现行为、建模和(M&S)以及跨多学科的基于 M&S的系统工 程;曾在许多国际会议计划/技术委员会任职,是著名学术期刊的人,并在 SCS Transactions、《防务 M&S》杂志和《复杂组织体架构(EA)知识体》的编辑委员会任职; 曾获美国亚利桑那大学的“卓越领导奖”、美国的民间合同方奖———金鹰奖, 以及SCS的“杰出服务和专业贡献奖”。

AndreasTolk是 MITER公司(位于弗吉尼亚州汉普顿)的高级管理人员,是弗吉 尼亚州诺福克市 OldDominion大学的兼职教授;拥有德国联邦武装大学计算机科学博 士和理学硕士;研究兴趣包括计算和认识论的基础、M&S的约束以及计算科 学中构成基于模型的解决方案的数学基础;发表了250多篇同行评审的期刊、书籍 章节和会议,并编辑了10部有关 M&S以及系统工程主题的教科书和纲要;是建 模与学会的会员、IEEE和计算机协会的高级会员。

译者简介

高星海，研究员，北京航空航天大学系统研究院系统架构首席，国际系统工程委员会（INCOSE）认系统（CSEP）。曾任中国航空工业集团公司信息技术中心常务副主任，金航数码科技有限责任公司总，航空工业集团公司系统工程推进办公室副主任等。多年来，面向高端装备领域复杂系统的创新开发和管理，大力推进基于模型的系统工程，组织建立全球认可的系统工程培训和认体系，目前培训人员超过1500人，300多人获得国际系统认。曾主持两化深度融合创新体验中心建设和运营，建立国内的系统工程技术服务团队。曾出版译著《基于模型的系统工程有效方法》。作为主要创造人之一参加的大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设项目，获2018年全国企业管理现代化创新成果一等奖。

新书推介——《赛博物理系统工程建模与》

认识和方法的进步，一定会为MBSE带来些什么……
在系统工程生命周期流程活动中不断融入的建模与技术，这正反映了基于模型的系统工程（MBSE）方的自我创造过程。当我们有区别地看待基于模型、基于这两个方法时，从认识和方法的进步角度，MBSE将呈现出一个新的应用模式——CPS工程，其核心特征我们可以概括为两个方面：
1、 系统工程所面对的广义系统对象有了公共的工程范式。
其中，包括复杂自适应系统（CAS）、体系（系统之系统，SoS）、物联网（IoT）、软件密集型系统、网络系统（NS）、实时嵌入式系统（RTES）等，将其共特征归纳为赛博物理系统（CPS）：由通信、计算和控制物理行为的系统，并以此作为未来的智能系统的基础架构，在CPS工程中将特别关注所涌现的智能、自主和适应等特的表达，由形式化模型的构造而解决系统特的创造，这正是智能系统开发、或者系统智能开发的系统工程的解决方案。
2、 由模型连续、追溯构建的共生环境，支持复杂体系和系统的持续演进。
跨越贯穿系统的概念、规范和运行三个层级，结合在线-虚拟-构造（LVC）技术的深化应用，形成支持CPS工程的多视角建模与整体（MPM&HS）的实验框架，在此贯穿运行场景的概念模型、物理系统模型、指挥/控制/通信/计算的赛博模型以及真实系统动态数据等，构建虚实混合的共生演进环境，从而支持复杂体系和系统的概念化构思、场景化演进的开发和实现过程。

本书面向赛博物理系统(CPS)的智能、自主和适应的复杂特征,聚焦建模与(M&S)技术 在基于模型的工程、基于的工程等方面的研究成果,广泛汇编并综述近年来国际上多个组 织、研究团体的相应的文献和验项目,面对被广为关注的智慧城市、自主驾驶、复杂防务体系等多个 应用领域,详细阐述 CPS工程中 M&S技术的应用模式;同时,就普适解决方案享概 念,如 CPS统一本体架构、自主系统协同框架、自主系统架构、复杂系统强韧测度以及社会系 统演进等,提出了卓有建树的开放研究思路和探索方向,从而激发读者对 M&S的研究兴趣,并将 其应用于CPS工程的技术与管理流程中,使本书成为基于模型的系统工程(MBSE)中应用 M&S 技术和方法的一站式参考,从而为工程领域提供的设计和评估能力发挥重要的作用。

本书适合从事复杂组织体系和工程系统开发方法研究的学者,以及系统架构师、系统 等从业者阅读;可作为系统工程大学教育中复杂系统设计分析的专业课程的教材,也可作为专业 课程扩展领域的参考书,如针对计算机科学的人工智能和赛博安全、工程和控制工程的嵌入式实 时系统、机械工程的现场制造系统等。