面向信息物理融合的可重塑异元嵌入式组件协同建模与验证方法

Embedded components are the foundations for the construction of cyber-physical systems, and involved in a variety of computing model integration and collaborative work. There are some problems such as un-unified design methods, worse elasticity, high complexity, difficult to implement cyber-physical co-design and co-verification, etc. Aiming at the co-design of embedded components, sensing components, controlling components, communication components and physical components in heterogeneous environments, this project proposes a kind of open universal component model which is elastic, structurized and behavioral, used to model for embedded software/hardware and other heterogeneous components in a general method, so as to build their open models; the extendible unified description method is presented to specify various types of components in a unified specification so as to solve the inconsistency and inextensibility of description languages of different computing models; the multi-level co-verification based on open component models is put forward to ensure that models reflect the real modeling intentions of designers, and detect some design errors leading to modeling failures as early as possible, so as to implement the co-verification . It's a model-driven design process to establish the embedded systems and confirm its correctness, supports cyber-physical co-design and correctness by construction so as to avoid modifying repeatedly the design when problems are found in the system realization process, and provides the necessary theoretical and practical technical supports to establish embedded systems as cores of cyber-physical systems.

嵌入式组件是构建信息物理融合系统的基石，涉及多种计算模型的集成和协同工作，面临设计方法不统一、重塑性差、复杂性高、难以实现信息物理协同设计和验证等问题。项目针对异元环境下嵌入式、传感、控制、通信和物理组件协同设计，提出一种可重塑、结构化、可描述行为的且嵌入式软/硬件和其它异元组件通用的开放性组件模型，用统一方法进行建模，解决模型的不开放问题；提出可扩展一致描述方法，用统一规范描述各类组件，解决不同计算模型描述语言不一致和不可扩展问题；提出多级开放组件模型的协同验证方法，确保模型真实地反映设计者的建模意图，尽早检测出一些会导致建模失败的设计错误，解决验证的不可协同问题。这种模型驱动建立可重塑异元嵌入式组件并确认其设计正确性的过程，支持信息物理协同设计和边构建边纠正，可避免在系统实现过程中发现问题时再进行反复修改的弊端，为构建以嵌入式系统为核心的信息物理融合系统提供必要的理论和可行的技术支撑。

信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems, CPS）作为一种新型复杂信息系统，涉及多种计算模型的集成和协同工作，其嵌入式组成元素复杂、功能多变，并需要通信、传感、控制以及物理等组件协同完成某种特定的任务，面临设计方法不统一、计算模型多样化、重用性差、复杂性高、难以验证等问题，使得开发较复杂系统变得十分困难，甚至无法进行，或因为系统需求的不断变化或小组成员的流动导致项目失败，其协同设计是一个亟待解决的难题。同时，随着应用需求的提高，CPS的设计变得规模更庞大、功能更复杂，CPS设计变得难以管理。.为高效地开发具备可行性、可靠性的CPS，解决面向信息物理融合的可重塑嵌入式系统（软件/硬件）和传感、控制、通信、物理等系统采用不同模型建模和不同描述方法描述模型带来的不便，本项目研究面向信息物理融合的可重塑异元嵌入式组件协同建模与验证方法，以实现对各组成元素的开放建模、一致描述和协同验证，而非脱离实际环境孤立地进行系统设计。.研究嵌入式系统与其他异元系统协同设计的异元组件建模的基本方法，提出一种可重塑、结构化、可描述行为的CPS嵌入式异元组件模型，用统一的组件建模方法，构建异元组件模型。针对异元组件描述语言不一致和不可扩展的问题，提出可扩展一致描述方法，利用XML统一规范描述各类组件。针对异元组件模型的协同验证要求，提出异元组件模型的多级协同验证方法，设计出验证仿真平台——XModel，可有效跟踪设计全过程，验证模型的可行性和正确性，确保模型真实地反映设计者的设计意图，解决异元组件验证的不可协同问题。.本项目将CPS协同设计和网络与信息安全应用系统开发进行有机结合，为CPS应用开拓了新的方向。项目执行期间，已在WWW、MICPRO、电子学报等重要学术期刊及DEXA等高水平国际会议发表及录用相关学术论文62篇，其中SCI收录14篇，EI收录15篇；授权发明专利5件、实用新型专利13件，登记8件软件著作权；依托本项目已经培养博士生2名和硕士生12名。