信息物理融合构件接口契约模型

In this proposal, we take the view that a Cyber-Physical System (CPS) has an evolving component-based or Systems of Systems (SoS) architecture. The architectural components include cyber components, physical components (or processes), and interface components, that are networked through various interaction and communication mechanisms. A cyber component interacts with other cyber components or senses its environment through interfaces, such as sensors. Then it processes information to deliver services to the environment or to control and coordinate physical components though interface components, such as curators. .. Evolution happens when cyber components can sense the environment better and increase its processing power so as to deliver better and more services, control and coordinate more and better physical components. This will make the originally separated components interconnected to communicate and collaborate. Another way of evolution is, based on the infrastructure of the current CPS(s), more cyber-physical components are developed and plugged into the system. .. We propose to develop an interface-contract based model cyber-physical components and develop a theory of refinement and composition that supports a) the definition of the meaning of cyber-physical component architecture, b) requirements elucidation and analysis of trustworthy cyber-physical components, where trustworthiness includes functionality, safety, security, interoperability, timing ,fault-tolerance and robustness, c). identification of weaknesses and vulnerabilities of different of aspects of trustworthiness in a given architecture and design of corresponding enhancements, and d) model-driven design and deployment of cyber-physical components.

信息物理融合系统（CPS）有不断演化的基于构件的体系结构，构件包括信息构件、物理构件和接口，并通过各种通讯机制组成网络系统。信息构件通过接口（如传感器）感知环境、处理感知到的信息而提供服务、或者通过接口（如启动器）控制和协调物理构件。一种演化形式通过改进感知，提高处理信息的性能，从而达到更好的控制和协调、使原来分离的构件进行交互和合作。另一种形式是在已有的CPS提供的服务的基础上，开发新的构件并集成到原来的CPS。 本项目拟建立一个基于接口契约的CPS构件的模型及其精化与组合理论，以期支持 a) CPS体系结构的语义；b) CPS构件的可信需求获取和分析，可信需求包括安全性、防侵腐攻击性、互操作、实时、容错、抗干扰等； c) 根据体系结构检查各种可信需求方面的漏洞和隐患及其相应的构件和接口，描述相应的加强和改进措施；d）模型驱动的可信CPS构件的开发和集成。

信息物理融合系统（CPS）有不断演化的基于构件的体系结构，构件包括信息构件、物理构件和接口，并通过各种通讯机制组成网络系统，构件具有复杂的异质性。本项目拟建立一个基于接口契约的CPS构件的模型及其精化与组合理论，实现模型驱动的可信CPS构件的开发和集成。为此，我们重点研究了如下几个内容并取得了一系列成果。.1. 信息物理融合系统的接口契约模型和模型驱动设计方法：我们提出了基于模型的rCOS软件工程方法到信息物理系统的扩展，对传统基于模型的软件工程方法与CPS或更一般HCPS 的软件建模和设计的关系，尤其是从传统的软件建模与设计到HCPS的软件建模与设计的演化与联系有了实质性的理解；我们提出了基于形式化的需求模型和规约进行原型自动化生成从而进行需求确认的模型驱动开发技术并开发了从需求模型自动生成原型系统的工具RM2PT。.2. 信息物理融合系统的软件抽象与体系架构：我们总结了软件工程发展中软件抽象的推动作用，包括程序设计语言、系统软件和体系架构模式，揭示了提CPS的软件工程对新的软件抽象的需求以及建立这些抽象的挑战性，包括人机物融合计算自动机理论，基于界面的多层次横向和纵向开放的体系架构，以及支持软件定义HCPS的程序设计模型。我们研究了如何应用微服务架构模式和思想进行CPS的开发、运维和演化，提出了一种从遗留系统的功能日志和非功能日志中识别微服务的自动化方法，提出了一套自动化微服务识别的流程，并开发原型工具 Log2MS 以支撑该流程的实践。.3. 信息物理融合系统的验证方法：我们将机器学习技术与CPS形式化验证技术相结合，提出了基于神经网络的CPS安全性验证方法；我们研究了智能CPS系统中神经网络部件的鲁棒性问题并提出了验证方法。.基于上述成果，我们共发表论文20余篇，获批1项国家自然基金重点项目和1项国际合作交流项目，开发工具3套并进行了实例研究，培养的研究生中有3名硕士已经顺利毕业，还有4个博士研究生继续在研这个项目的问题。另外开展了数十次国际国内学术交流，产生了广泛的影响。本项目所取得的理论、方法和工具成果为我们下一步进行人机物融合系统的建模理论和软件定义方法研究奠定了坚实的基础，也对相关领域其他研究人员有重要借鉴意义。