基于XML的信息物理融合系统组件建模与仿真

打开文本图片集

摘 要：信息物理融合系统（CPS）涉及多种计算模型的集成和协同工作，针对CPS设计方法不统一、重塑性差、复杂度高、难以协同建模验证等问题，提出一種结构化、可描述行为的异元组件模型。首先，用统一组件建模方法进行建模，解决模型不开放问题;然后，用可扩展标记语言（XML）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;最后，用多级开放组件模型的协同仿真验证方式进行仿真验证，解决验证的不可协同问题。通过通用组件建模方法、XML组件规范描述语言以及验证工具平台XModel对医用恒温箱进行了建模、描述和仿真。医用恒温箱的案例表明，这种模型驱动建立可重塑异元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。

关键词：信息物理融合系统;组件;可扩展标记语言;XModel;开放模型;协同仿真

中图分类号： TP391.9计算机仿真

文献标志码：A

Abstract： Cyber Physical System （CPS） involves the integration and collaboration of various computing models. Concerning the problems of inconsistent CPS design methods， poor plasticity， high complexity and difficulty in collaborative modeling and verification， a structured and descriptive heterogeneous component model was proposed. Firstly， the model was constructed by a unified component modeling method to solve the problem that the model was not open. Then， eXtensible Markup Language （XML） was used to realize the standard description of all kinds of components to resolve the inconsistency and non-extensibility of different computing model description languages. Finally， the collaborative simulation verification method of multi-level open component model was used to realize the simulation verification to solve the non-collaboration problem of verification. The medical thermostat was modeled， described and simulated by the general component modeling method， the XML component standard description language and the verification tool platform XModel. The case of medical thermostat shows that， the proposed model-driven process of building reconfigurable heterogeneous components and confirming their design correctness supports the collaborative design of cyber physics and the correction while constructing， avoiding repeated modifications when problems are found in the process of system implementation.

Key words： Cyber Physical System （CPS）; component; eXtensible Markup Language （XML）; XModel; open model; collaborative simulation

0 引言

专用信息处理的嵌入式系统[1]是包含了集成计算、通信与控制的新一代多维智能系统，是信息物理融合系统（Cyber Physical System， CPS）[2]的核心技术之一，广泛应用于工业、航空、医药、交通机器人等领域。自2005年CPS被提出至今，各国科研人员和学者从CPS的理论方法、系统设计及具体实现等不同层面进行探讨和研究，各自提出了对CPS概念的理解。本文对CPS的理解是CPS强调用户空间、信息空间与物理空间的感知、传输、处理和控制过程，突出对物理空间的实时、动态的信息控制与信息服务的特点，构成了一个能通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现人、机、物世界的密切互动，如图1所示。CPS组成复杂、功能多变[3]，需要与通信、传感、控制及物理等组件协同设计，使系统开发变得难以把握，高效的协同设计方法成为迫切的需求和紧要的任务。

一个完整的CPS涉及到人、机、物等异构单元的协同工作，不只是一个单独运作的装置，它的异元组件主要是体现在三个方面：一是CPS软件组件和硬件组件，其分析、设计、编码、测试方法存在显著差异;二是CPS组件与传感、控制、通信、物理等组件的功能特点、计算模型（连续、离散）、描述（文本、图形）和验证（形式化验证、仿真、测试）方法不一致，难以协同设计;三是CPS组件在不同的应用环境中所采用的种类、型号、连接形式迥然不同，规模差异较大，设计时需要较好的可重塑性。