發(fā)布時間：2017-08-03 14:34

  本文關(guān)鍵詞：基于混成時空Petri網(wǎng)的CPS建模及驗(yàn)證

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【摘要】：信息物理融合系統(tǒng)(CPS)是一類集成了計(jì)算過程、通信網(wǎng)絡(luò)、物理過程、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及控制系統(tǒng)的大型,復(fù)雜的實(shí)時反饋系統(tǒng)。由于CPS內(nèi)部異構(gòu)單元之間的通訊、交互和協(xié)同的形式錯綜復(fù)雜,因此需要建立一個完善的模型對CPS進(jìn)行描述和分析。這依賴于良好的建模方法以及完善的仿真和驗(yàn)證工具。Petri網(wǎng)是對離散變量以及并行系統(tǒng)的數(shù)字表示,是一種用令旗牌流水動的方式來表達(dá)系統(tǒng)動作態(tài)變化的網(wǎng)格絡(luò),適用于描寫述異常步并且發(fā)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型。傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)是一種簡易單的過去程模樣型,無法描述系統(tǒng)在時間方面以及空間層面的內(nèi)容。因此論文構(gòu)造了混成時空Petri網(wǎng)模型(HSPN),使其不僅能夠描述物理實(shí)體邏輯以及時間層次的行為,而且能夠描述物理實(shí)體位置變遷所引起的狀態(tài)變化。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network)是一種基于概率論與圖論的數(shù)學(xué)模型,便于計(jì)算機(jī)的處理,適合應(yīng)用于CPS中的決策與判斷機(jī)制。UML作為可視化描述結(jié)構(gòu)和行為的標(biāo)準(zhǔn)語言,在實(shí)時系統(tǒng)中發(fā)揮了比較重要的作用。UML時序圖不僅能細(xì)致的描述對象間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,同時也能夠展現(xiàn)交互次序以及其中的時間細(xì)節(jié)。CPS的系統(tǒng)復(fù)雜度及可靠性要求遠(yuǎn)高于一般的傳統(tǒng)系統(tǒng),因此使用傳統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)并不合適。UPPAAL是基于時間自動機(jī)的一個實(shí)時系統(tǒng)驗(yàn)證的工具,具有很強(qiáng)的仿真和驗(yàn)證能力,符合CPS系統(tǒng)建模的驗(yàn)證要求。但需要利用UML時序圖將HSPN模型轉(zhuǎn)換為與其語義等價的一組TA模型。再使用模型驗(yàn)證工具UPPAAL對此混成時空Petri網(wǎng)的模型進(jìn)行驗(yàn)證。論文選取CPS最重要的研究領(lǐng)域之一的醫(yī)療信息物理融合系統(tǒng)(MCPS)作為建模對象。在充分分析CPS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個合理的MCPS的體系結(jié)構(gòu),并提出一種混成時空Petri網(wǎng)的建模方法對MCPS進(jìn)行建模分析。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對于不確定性推理的數(shù)據(jù)分析能力,作為MCPS的內(nèi)部診斷機(jī)制,通過UML時序圖對MCPS的典型事件進(jìn)行描述,并轉(zhuǎn)換為TA模型,通過UPPAAL工具進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。對MCPS模型的仿真與驗(yàn)證結(jié)果表明論文中采用的混成時空Petri網(wǎng)建模方法保證了CPS對于高可靠性與實(shí)時性的要求,同時體現(xiàn)了物理實(shí)體在時間與空間上的連續(xù)變化。證明了這是一種可行的,安全的建模機(jī)制,是對MCPS描述與分析十分有效的方法。
【關(guān)鍵詞】：信息物理融合系統(tǒng)(CPS) 混成時空Petri網(wǎng) 時間自動機(jī)(TA) UPPAAL
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP202;TP301.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-12
• 1.1 研究背景及意義8-9
• 1.2 研究內(nèi)容9-10
• 1.3 本文組織結(jié)構(gòu)10-12
• 第2章 CPS建模仿真研究現(xiàn)狀12-20
• 2.1 CPS主要特征及建模挑戰(zhàn)12-14
• 2.1.1 CPS主要特征12-13
• 2.1.2CPS建模挑戰(zhàn)13-14
• 2.2 CPS主要建模方法14-19
• 2.2.1 一體化建模方法14-17
• 2.2.2 異構(gòu)模型融合建模方法17-18
• 2.2.3 事件驅(qū)動建模方法18-19
• 2.3 本章小結(jié)19-20
• 第3章 基于事件CPS的形式化表達(dá)20-27
• 3.1 CPS體系結(jié)構(gòu)20-21
• 3.2 CPS物理實(shí)體建模21-23
• 3.2.1 物理實(shí)體分類22-23
• 3.2.2 物理實(shí)體建模23
• 3.3 事件消息建模23-26
• 3.3.1 CPS事件定義24
• 3.3.2 CPS事件分類24
• 3.3.3 CPS事件形式化24-25
• 3.3.4 事件權(quán)重值算法25-26
• 3.4 本章小結(jié)26-27
• 第4章 混成時空Petri網(wǎng)模型27-38
• 4.1 Petri網(wǎng)27-32
• 4.1.1 Petri網(wǎng)概述27-28
• 4.1.2 Petri網(wǎng)特征28-29
• 4.1.3 Petri網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)29-31
• 4.1.4 Petri網(wǎng)的基本性能31-32
• 4.2 混成時空Petri網(wǎng)32-33
• 4.2.1 混成時空Petri網(wǎng)的屬性32-33
• 4.2.2 混成時空Petri網(wǎng)的定義33
• 4.3 實(shí)例建模33-37
• 4.4 本章小結(jié)37-38
• 第5章 基于HSPN的MCPS建模與驗(yàn)證38-50
• 5.1 MCPS體系架構(gòu)38-39
• 5.2 基于貝葉斯理論的MCPS決策機(jī)制39-40
• 5.2.1 MCPS的診斷過程39-40
• 5.2.2 貝葉斯在醫(yī)療診斷系統(tǒng)的應(yīng)用40
• 5.3 時間自動機(jī)40-41
• 5.4 UPPAAL及需求規(guī)范41-44
• 5.4.1 UPPAAL概念41-42
• 5.4.2 UPPAAL的驗(yàn)證規(guī)范42-43
• 5.4.3 HSPN模型到TA模型的轉(zhuǎn)換43-44
• 5.5 基于HSPN的MCPS建模與驗(yàn)證44-49
• 5.5.1MCPS轉(zhuǎn)換為UML時序圖44-46
• 5.5.2 MCPS的仿真46-49
• 5.6 本章小結(jié)49-50
• 第6章 總結(jié)50-52
• 6.1 本文工作總結(jié)50-51
• 6.2 未來工作展望51-52
• 參考文獻(xiàn)52-56
• 攻讀碩士學(xué)位期間參與課題情況56-57
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文及軟件著作權(quán)情況57-58
• 致謝58-59

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本文編號：614881