赛博物理系统工程建模与仿真

**部分 简 介

第1章 赛博物理系统工程中建模与仿真应用的复杂性 SaurabhMittal,AndreasTolk / 3

1.1 概 述 /3

1.2 CPS多模态的本质特征 / 4

1.3 为什么 CPS工程如此复杂 / 5

1.4 CPS工程的 M&S技术 / 8

1.5 智能性、适应性和自主性方面 /10

1.5.1 智能性/ 10

1.5.2 自主性/13

1.5.3 适应性/ 14

1.6 总 结/15

致 谢 /17

参考文献 / 17

智能赛博物理系统运行和设计中的挑战 SebastianCastro,PieterJ.Mosterman,AkshayH.Rajhans,etal/ 22

2.1 概 述/22

2.2 联网的自动驾驶汽车/23

2.3 人类的体能和认知能力的演变/24

2.3.1 能量效率和身体操控/25

2.3.2 认 知/ 25

2.3.3 语言与交流/25

2.3.4 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

北约应用建模和仿真支持自主系统的演进 JanMazal,AgostinoG.Bruzzone,MicheleTuri,etal / 43

3.1 概 述…/43

3.2 北约的自主系统/ 44

3.2.1 北约 RTO/SAS 097:支持未来北约作战的机器人计划/ 45

3.2.2 MCDC:自主系统(2013—2014年)/46

3.2.3 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 自主系统的建模与仿真会议(MESAS)/49

3.3.1 2014年 MESAS / 50

3.3.2 2015年 MESAS / 51

3.3.3 2016年 MESAS / 52

3.3.4 2017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 多视角建模和整体仿真———支持非常复杂系统分析的系统思维方法 MamadouK.Traoré / 67

4.1 概 述/67

4.2 相关研究工作/ 70

4.3 MPM&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 整体仿真/77

4.6 MPM&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 如何验证整体集成/ 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仿真的统一框架 FernandoJ.Barros /= 89

5.1 概 述/89

5.2 相关工作/91

5.3 HyFlow 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

5.3.3 HyFlow 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 模型的可组合性/98

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 AleksandraMarkina Khusid,RyanB.Jacobs,JudithDahmann /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性和风险的系统实体结构建模 SaurabhMittal,SheilaA.Cane,CharlesSchmidt,etal / 130

7.1 概 述 /130

7.2 IoT 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

7.4 IoT 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

7.6 IoT 的风险 / 146

7.6.1 IoT 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 基于仿真的CPS工程

第8章 支持 CPS嵌入式控制器高效开发的仿真模型连续性 RodrigoD.Castro,EzequielPeckerMarcosig,JuanI.Giribet / 155

8.1 概述与动机 / 155

8.1.1 赛博物理系统的控制 /156

8.1.2 DEVS作为建模和仿真的形式化方法 /158

8.1.3 仿真模型连续性的方法 /159

8.2 相关技术背景 / 160

8.2.1 DEVS框架 / 161

8.2.2 PowerDEVS仿真器 /162

8.2.3 机器人操作系统中间件 /162

8.3 应用 ROS的 DEVS(DoveR):基于模型连续性的方法论的实现 / 163

8.3.1 PowerDEVS引擎与 ROS中间件之间的通信 / 165

8.3.2 RaspberryPi的嵌入式仿真 /168

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 实验性案例研究:以模型连续性为中心的方法论支持控制器的开发/ 171

8.6 实施 DoveR的挑战 / 174

8.7 结 论 /175

参考文献/ 176

第9章 预测慢性病症状事件的 CPS设计方法论 KevinHenares,JosuéPag,JoséL.Ayala,etal /179

9.1 概 述 /179

9.1.1 移动云计算与健康中的预测建模 /179

9.1.2 IoT 的能源效率 / 180

9.1.3 偏头痛疾病 / 181

9.1.4 CPS设计中的建模与仿真 /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

9.2.3 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 能量消耗和可扩展性问题 …/194

9.4.1 能量消耗 / 194

9.4.2 可扩展性问题 195

9.5 结 论 /197

参考文献/ 198

第10章 面向自主应用基于模型的工程 RahulBhadani,MattBunting,JonathanSprinkle /200

10.1 概 述/200

10.2 背 景/200

10.2.1 验证与确认/201

10.2.2 基于模型的系统方法:关联到 CPS /202

10.2.3 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仿真/208

10.4.1 基于模型的工程中的计算建模/209

10.4.2 软件在环仿真/ 211

10.4.3 硬件在环仿真/ 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

第11章 关注赛博物理系统的安全 ZachFurness/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

11.2.3 能源系统:智能电网 /230

11.3 CPS安全 M&S的挑战和机遇/231

11.3.1 将 M&S应用于系统安全工程和强韧性/231

11.3.2 CPS安全的数字孪生概念 /232

11.3.3 将 M&S应用于 CPS风险评估 /232

11.3.4 CPS赛博靶场 / 232

参考文献/ 233

第12章 赛博物理系统强韧性———框架、测度、复杂性、挑战和未来方向 MdArifulHaque,SachinShetty,BheshajKrishnappa / 236

12.1 概 述/236

12.2 赛博强韧性:相关研究工作简介 /236

12.3 赛博物理系统的强韧性/ 237

12.3.1 强韧 CPS的特征 /239

12.3.2 强韧性测度的要求/239

12.4 强韧性测度和框架/ 239

12.4.1 CPS赛博威胁态势 /240

12.4.2 CPS强韧性测度 /241

12.4.3 CPS的赛博强韧性框架 /243

12.5 定性的 CPS强韧性测度 /246

12.6 CPS强韧性的定量建模 /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 风险和强韧性的建模与估计/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

12.7 CPS强韧性测度的仿真平台 /254

12.7.1 定性仿真平台/254

12.7.2 定量仿真平台/255

12.7.3 验证和确认计划/ 256

12.7.4 仿真平台的用例/ 256

12.8 复杂性、挑战和未来方向 …/258

12.9 结 论/260

参考文献/ 261

第13章 社会结构中的赛博创造物 E.DanteSuarez,LorenDemerath /265

13.1 概 述/265

13.2 赛博物理系统的涌现性/ 267

13.3 分布式代理:描述多层次结构和机构的语言 /269

13.4 社会适应性:对于人类适应并操控环境的自然延伸 / 274

13.5 复杂性与社会性:CPS与社会科学的适配点 /275

13.6 CPS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 第14章 赛博物理系统工程建模与仿真应用复杂性的研究主题 AndreasTolk,SaurabhMittal /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

14.2.3 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 赛博物理系统强韧性/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———用建模和仿真均衡人们的热情和谨慎 KrisRosfjord /305

参考文献/ 306

附 录 词汇表…/307