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上篇：信息物理融合系统现状与分析3

第1章 CPS简介3

1.1 CPS概述3

1.2 CPS与物联网、嵌入式系统、混成系统5

1.2.1 CPS与物联网6

1.2.2 CPS与嵌入式系统8

1.2.3 CPS与混成系统9

1.3 CPS的特点和挑战10

1.4 国外研究现状11

1.4.1 CPS模型11

1.4.2 CPS数据传输与管理技术13

1.4.3 CPS能源管理13

1.4.4 CPS安全14

1.4.5 CPS软件设计技术的研究现状15

1.4.6 CPS控制技术的研究现状15

1.4.7 面向具体应用的CPS研究现状16

1.5 国内研究现状19

1.6 本章小结20

参考文献21

第2章 CPS软件开发基础25

2.1 引言25

2.2 各种主流的CPS建模方法26

2.2.1 基于信道和面向参与者的CPS建模26

2.2.2 基于模态模型CPS建模27

2.2.3 基于格本体的CPS建模28

2.2.4 基于关联顺序的CPS建模28

2.3 CPS规约方法29

2.3.1 面向方面的规约方法29

2.3.2 语义时间自动机31

2.3.3 Hilbertean代数规约32

2.4 CPS系统集成33

2.4.1 CPS系统集成面临问题33

2.4.2 CPS系统集成方法34

2.5 CPS设计和开发方法36

2.5.1 CPS设计的挑战36

2.5.2 CPS设计需求36

2.5.3 CPS开发方法37

2.6 本章小结39

参考文献40

第3章 CPS关键属性分析43

3.1 CPS的安全性43

3.1.1 CPS安全需求43

3.1.2 CPS安全的潜在威胁44

3.1.3 CPS信息安全方案的主要机制45

3.1.4 CPS安全性解决方案47

3.1.5 CPS安全关键技术48

3.2 CPS的可靠性49

3.2.1 可靠性的定义49

3.2.2 可靠性与安全性的区别50

3.2.3 可靠性解决方案51

3.3 CPS的可信性53

3.3.1 CPS数据的可信性53

3.3.2 CPS网络的可信性54

3.3.3 CPS软件的可信性55

3.3.4 CPS模块间的可信性55

3.3.5 CPS中人的可信性56

3.3.6 CPS可信性研究的重要性56

3.3.7 电力CPS的可信性57

3.4 本章小结58

参考文献58

第4章 CPS测试与验证61

4.1 白盒测试61

4.1.1 面向CPS硬件的白盒测试61

4.1.2 面向CPS软件的白盒测试62

4.1.3 面向CPS网络的白盒测试63

4.1.4 面向CPS系统的白盒测试64

4.2 黑盒测试66

4.2.1 计算机系统测试66

4.2.2 嵌入式系统测试66

4.2.3 物联网和无线感知设备测试67

4.2.4 实时性测试68

4.2.5 CPS测试技术的现状68

4.2.6 CPS测试技术面临的困难69

4.3 CPS验证70

4.3.1 验证的必要性70

4.3.2 验证方法概述71

4.3.3 验证模型71

4.3.4 定理证明73

4.3.5 模型检验73

4.3.6 验证工具76

4.4 本章小结76

参考文献76

第5章 CPS典型案例分析80

5.1 智能交通系统80

5.1.1 体系结构81

5.1.2 智能交通CPS的主要构成81

5.1.3 智能交通所涉及的关键技术83

5.1.4 智能交通应用83

5.1.5 面临的挑战84

5.2 自主驾驶汽车85

5.2.1 汽车CPS原理介绍85

5.2.2 汽车CPS的实现86

5.2.3 汽车CPS架构与应用86

5.2.4 汽车远程信息服务系统87

5.2.5 汽车导航88

5.2.6 汽车安全系统89

5.3 高速铁路安全监控系统90

5.3.1 系统需完成的相关工作90

5.3.2 系统的体系结构90

5.3.3 安全监控系统的关键技术92

5.3.4 未来的研究方向93

5.4 智能电网94

5.4.1 智能电网的产生背景94

5.4.2 智能电网的含义94

5.4.3 智能电网的特点与目标95

5.4.4 智能电网的研究现状97

5.4.5 智能电网的关键技术100

5.5 智慧医疗102

5.5.1 智慧医疗的现有基础架构103

5.5.2 CPS推动医疗服务智能化105

5.5.3 智慧医疗案例109

5.6 本章小结110

参考文献111

第6章 CPS主要问题浅析113

6.1 CPS信息流问题113

6.1.1 信息流113

6.1.2 CPS信息流的特殊性114

6.1.3 CPS信息流模型115

6.1.4 CPS中的信息流116

6.1.5 信息流安全验证方法118

6.2 离散和连续问题119

6.3 时间同步问题119

6.4 抽象体系问题119

6.5 环境感知120

6.6 多源、异构、海量数据的传输与处理120

6.7 CPS的可验证性121

6.8 软件工程方面122

6.9 系统的安全性及可预测性122

6.10 其他问题123

6.11 本章小结123

参考文献124

下篇 信息物理融合系统建模与验证129

第7章 CPS建模与验证研究概述129

7.1 研究背景129

7.2 研究现状130

7.2.1 CPS建模相关研究130

7.2.2 相关验证技术研究131

7.3 存在的问题以及解决方法137

7.4 本章小结139

参考文献139

第8章 微分动态逻辑与CPS验证145

8.1 概述145

8.2 微分动态逻辑146

8.2.1 基本语法146

8.2.2 HP元模型149

8.2.3 微分动态逻辑验证方法151

8.3 HybridUML建模154

8.3.1 HybridUML语义基础：CHARON154

8.3.2 HybridUML数学元模型155

8.3.3 HybridUML规约补充159

8.3.4 利用HybridUML建模过程162

8.4 从HybridUML模型到HP模型转换163

8.4.1 静态结构转换规则164

8.4.2 动态行为转换规则166

8.4.3 模型转换规则应用的模板171

8.4.4 KeYmaera输入代码生成172

8.5 模型转换一致性173

8.6 实例分析174

8.6.1 建模174

8.6.2 模型转换与属性规约176

8.7 属性验证177

8.8 本章小结181

参考文献181

第9章 微分代数动态逻辑与CPS验证185

9.1 微分代数动态逻辑185

9.1.1 微分代数程序185

9.1.2 DAL公式187

9.1.3 基于DAL的属性规约与验证思想188

9.2 基于HybridUML的CPS建模190

9.2.1 HybridUML191

9.2.2 扩展的HybridUML多元组195

9.2.3 CPS建模198

9.3 HybridUML模型向DAP转换202

9.3.1 基本语义转换203

9.3.2 系统模型转换208

9.4 实例分析213

9.4.1 空中避撞系统描述与建模213

9.4.2 模型转换217

9.4.3 DAL属性规约及推理验证219

9.5 本章小结221

参考文献222

第10章 微分代数时序动态逻辑与CPS验证226

10.1 微分代数时序动态逻辑226

10.1.1 dTL和DAL公式比较226

10.1.2 dTL和DAL语义比较228

10.1.3 dTL和DAL相继式演算比较232

10.2 CPS建模与属性验证236

10.2.1 CPS建模237

10.2.2 CPS属性规约240

10.2.3 微分代数时序动态逻辑的语义241

10.2.4 微分代数时序动态逻辑的相继式演算245

10.3 实例分析252

10.3.1 飞机避撞系统建模252

10.3.2 飞机避撞系统安全性规约255

10.3.3 飞机避撞系统安全性验证255

10.4 本章小结257

参考文献257

第11章 QdL与CPS自适应性验证261

11.1 概述261

11.2 量化微分动态逻辑262

11.2.1 基于QdL演算的属性验证263

11.2.2 操作模型——QHP264

11.2.3 QHP元模型265

11.2.4 QHP代码格式267

11.3 层次mode模型到QHP代码的转换267

11.3.1 基于语义一致性的模型转换268

11.3.2 QHP模型到QHP代码的转换273

11.4 实例建模与验证276

11.4.1 实例描述277

11.4.2 HybridUML建模及QHP代码生成278

11.4.3 自适应属性规约及验证280

11.5 本章小结284

参考文献285

第12章 结束语292

12.1 工作总结292

12.2 工作展望293

附录 缩略词表294