赛博物理系统的多范式建模方法

作者: [荷兰] Bedir Tekinerdogan 著 , 孙智孝译

出版社: 北京航空航天大学出版社

出版时间: 2023-08

版次: 1

ISBN: 9787512441194

定价: 99.00

装帧: 其他

开本: 16开

纸张: 胶版纸

分类: 计算机与互联网

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本书呈现了国际相关研究团队在支持赛博物理系统多范式建模（MPM4CPS）方面的研究成果，书中内容源于领先行业的实践经验以及研究性文献，聚焦该领域最先进的研究方法和实践案例，涵盖MPM4CPS研究团队创建的理论基础、形式化方法、工具以及相应教育资源和案例。读者将从本书中了解赛博物理系统（CPS）设计和运用的关键问题以及解决方案，并可从必需的软件工具的介绍中得到有关模型建立、分析和管理的有益指导。
读者将从书中学习到有关基于模型的系统工程（MBSE）中全面应用建模与仿真技术的基本理论以及研究方向。本书可作为系统工程、自主系统等学科的研究生教材，使学生系统地学习关于多范式建模本体框架的最新理论，并通过案例研究领悟相应的工程实践中的建模方法和分析流程。 Bedir Tekinerdogan是荷兰瓦赫宁根大学信息技术组的正教授和主席。他在荷兰特文特大学获得MSc学位（1994年）和计算机科学博士学位（2000年）。从2003年到2008年，他在特文特大学担任教职员，之后加入了比尔肯特大学，直到2015年。他在软件工程研究和教育方面拥有超过20年的经验。他的主要研究领域包括智能软件密集型系统工程。特别是，他专注于和感兴趣的领域包括软件架构设计、软件产品线工程、模型驱动开发、并行计算、云计算和系统工程。他参与了数十个国家和国际研究和咨询项目，与各种大型软件公司合作，担任首席研究员和领先的软件/系统架构师。他开发并教授了15门不同的学术软件工程课程，并向荷兰、德国和土耳其的50多家公司提供软件工程课程。

孙智孝是我国无人系统领域的著名专家，享受国务院特殊津贴，荣获全国五一劳动奖章、中国青年五四奖章集体等荣誉，荣获各级科技成果奖励数十项，取得授权和受理专利百余件，发表SCI、EI等论文十余篇，出版多部无人系统相关著作。第1章引言1

1.1目标1

1.2本书概要2

1.2.1第一部分——本体框架3

1.2.2第二部分——方法和工具3

1.2.3第三部分——案例研究4

1.3致谢5

第一部分本体框架

第2章赛博物理系统多范式建模的本体基础9

2.1概述9

2.2本体开发方法10

2.2.1建模模式11

2.2.2领域分析流程12

2.3建模语言与建模工具14

2.3.1特征建模和FeatureIDE14

2.3.2网络本体语言（OWL）和Protégé14

2.3.3特征建模与OWL的集成16

2.4本体架构16

2.5共享本体18

2.5.1语言领域概念（LinguisticDC）18

2.5.2工作流领域概念（WorkflowDC）20

2.5.3项目管理领域概念（ProjectManagementDC）22

2.5.4架构领域概念（ArchitectureDC）24

2.5.5范式领域概念（ParadigmDC）26

2.6示例介绍28

2.6.1基于合集的赛博物理系统29

2.6.2HPI赛博物理系统实验室33

2.7总结3

参考文献37

第3章基于特征的赛博物理系统本体41

3.1概述41

3.2赛博物理系统的元模型42

3.3赛博物理系统的特征模型43

3.3.1顶层特征图43

3.3.2CPS的构成元素44

3.3.3非功能性需求47

3.3.4应用领域52

3.3.5学科52

3.4CPS的架构52

3.5示例53

3.5.1基于合集的赛博物理系统53

3.5.2HPI赛博物理系统实验室56

3.6总结58

参考文献58

第4章支持多范式建模的本体60

4.1概述60

4.2最先进的本体61

4.2.1核心建模概念61

4.2.2多形式化建模方法63

4.2.3模型管理方法65

4.3MPM本体72

4.3.1核心建模概念74

4.3.2微模型尺度（Micromodelling scale）74

4.3.3巨模型尺度（Megamodelling scale）75

4.4示例80

4.4.1基于合集的赛博物理系统80

4.4.2HPI赛博物理系统实验室（CPSLab）87

4.4.3仿真阶段89

4.5总结103

参考文献104

第5章支持赛博物理系统的多范式建模的集成本体114

5.1概述114

5.2最先进的技术115

5.2.1视角115

5.2.2基于模型的开发流程建模117

5.2.3建模范式118

5.3本体119

5.3.1视角119

5.3.2基于模型的工作流120

5.3.3建模范式121

5.4示例123

5.4.1基于合集的赛博物理系统（EBCPS）123

5.4.2HPI赛博物理系统实验室126

5.4.3建模范式132

5.5总结134

参考文献135

第二部分方法和工具

第6章通过双半球模型驱动方法支持赛博物理系统的组合139

6.1概述139

6.2赛博物理系统的组件140

6.3系统组合背景环境下的赛博物理系统142

6.4双半球模型驱动方法144

6.5双半球模型驱动方法用于解决组合问题147

6.6总结150

致谢151

参考文献151

第7章赛博物理生产系统原型开发中的多范式建模和协同仿真156

7.1概述156

7.2案例研究描述157

7.3技术159

7.3.1INTOCPS技术160

7.3.2初始模型161

7.3.3VDMRT/Overture的离散事件优先策略161

7.4方法论162

7.5子系统的建模163

子系统模型164

7.6验证和确认167

7.6.1同构阶段的实验167

7.6.2与物理系统相关的同构仿真分析172

7.6.3异构阶段的实验172

7.7总结174

7.7.1两个阶段的开发174

7.7.2关于方法论上的见解175

致谢176

参考文献176

第8章使用SEA_ML 开发基于智能体的赛博物理系统179

8.1概述179

8.2背景180

8.3相关工作1

8.4SEA_ML 183

8.4.1抽象句法183

8.4.2图形化具体句法184

8.4.3转换186

8.5使用SEA_ML 的基于智能体CPS的建模和开发186

8.6多智能体垃圾收集CPS的开发190

8.6.1系统设计190

8.6.2系统开发192

8.6.3演示证明194

8.7总结197

致谢198

参考文献198

第9章CREST——用于混合CPS建模的DSML203

9.1概述203

9.2混合的形式化方法204

9.2.1定时和混合自动机工具206

9.2.2离散形式化的混合扩展206

9.3使用CREST开展领域特定的混合建模207

9.3.1CREST句法208

9.3.2CREST语义212

9.3.3验证215

9.4实现216

9.5讨论218

9.6总结219

参考文献219

第三部分案例研究

第10章应用MPM方法开发基于物联网和无线传感器网络的CPS——智能火灾

探测案例研究227

10.1概述227

10.2需求获取228

10.3系统设计231

10.3.1架构设计231

10.3.2详细设计232

10.4建模和仿真236

10.5实现238

10.5.1硬件设置238

10.5.2软件开发239

10.5.3日志管理器241

10.5.4测试和验证242

10.6FTG PM框架下的多范式开发流程243

10.6.1形式化转换图形（FTG）246

10.6.2流程模型（PM）246

10.7总结247

10.8文献和进一步阅读248

致谢248

参考文献248

第11章开发面向行业的跨领域的赛博物理系统学习规划252

11.1概述252

11.2相关工作254

11.3白俄罗斯和乌克兰的就业市场现状256

11.3.1白俄罗斯就业市场的需要256

11.3.2乌克兰劳动力市场的需要257

11.4COST行动对欧洲 CPS 课程的投入258

11.5识别行业的需要259

11.5.1关于CPS课程研究的方法259

11.5.2白俄罗斯研究机构调查分析260

11.5.3乌克兰企业调查分析261

11.5.4研究机构调查结果263

11.6白俄罗斯和乌克兰大学CPS课程的COST调查结果的验证263

11.7讨论与结论265

致谢266

参考文献266

附录缩略语表273
内容简介:
本书呈现了国际相关研究团队在支持赛博物理系统多范式建模（MPM4CPS）方面的研究成果，书中内容源于领先行业的实践经验以及研究性文献，聚焦该领域最先进的研究方法和实践案例，涵盖MPM4CPS研究团队创建的理论基础、形式化方法、工具以及相应教育资源和案例。读者将从本书中了解赛博物理系统（CPS）设计和运用的关键问题以及解决方案，并可从必需的软件工具的介绍中得到有关模型建立、分析和管理的有益指导。
读者将从书中学习到有关基于模型的系统工程（MBSE）中全面应用建模与仿真技术的基本理论以及研究方向。本书可作为系统工程、自主系统等学科的研究生教材，使学生系统地学习关于多范式建模本体框架的最新理论，并通过案例研究领悟相应的工程实践中的建模方法和分析流程。
作者简介:
Bedir Tekinerdogan是荷兰瓦赫宁根大学信息技术组的正教授和主席。他在荷兰特文特大学获得MSc学位（1994年）和计算机科学博士学位（2000年）。从2003年到2008年，他在特文特大学担任教职员，之后加入了比尔肯特大学，直到2015年。他在软件工程研究和教育方面拥有超过20年的经验。他的主要研究领域包括智能软件密集型系统工程。特别是，他专注于和感兴趣的领域包括软件架构设计、软件产品线工程、模型驱动开发、并行计算、云计算和系统工程。他参与了数十个国家和国际研究和咨询项目，与各种大型软件公司合作，担任首席研究员和领先的软件/系统架构师。他开发并教授了15门不同的学术软件工程课程，并向荷兰、德国和土耳其的50多家公司提供软件工程课程。

孙智孝是我国无人系统领域的著名专家，享受国务院特殊津贴，荣获全国五一劳动奖章、中国青年五四奖章集体等荣誉，荣获各级科技成果奖励数十项，取得授权和受理专利百余件，发表SCI、EI等论文十余篇，出版多部无人系统相关著作。
目录:
第1章引言1

1.1目标1

1.2本书概要2

1.2.1第一部分——本体框架3

1.2.2第二部分——方法和工具3

1.2.3第三部分——案例研究4

1.3致谢5

第一部分本体框架

第2章赛博物理系统多范式建模的本体基础9

2.1概述9

2.2本体开发方法10

2.2.1建模模式11

2.2.2领域分析流程12

2.3建模语言与建模工具14

2.3.1特征建模和FeatureIDE14

2.3.2网络本体语言（OWL）和Protégé14

2.3.3特征建模与OWL的集成16

2.4本体架构16

2.5共享本体18

2.5.1语言领域概念（LinguisticDC）18

2.5.2工作流领域概念（WorkflowDC）20

2.5.3项目管理领域概念（ProjectManagementDC）22

2.5.4架构领域概念（ArchitectureDC）24

2.5.5范式领域概念（ParadigmDC）26

2.6示例介绍28

2.6.1基于合集的赛博物理系统29

2.6.2HPI赛博物理系统实验室33

2.7总结3

参考文献37

第3章基于特征的赛博物理系统本体41

3.1概述41

3.2赛博物理系统的元模型42

3.3赛博物理系统的特征模型43

3.3.1顶层特征图43

3.3.2CPS的构成元素44

3.3.3非功能性需求47

3.3.4应用领域52

3.3.5学科52

3.4CPS的架构52

3.5示例53

3.5.1基于合集的赛博物理系统53

3.5.2HPI赛博物理系统实验室56

3.6总结58

参考文献58

第4章支持多范式建模的本体60

4.1概述60

4.2最先进的本体61

4.2.1核心建模概念61

4.2.2多形式化建模方法63

4.2.3模型管理方法65

4.3MPM本体72

4.3.1核心建模概念74

4.3.2微模型尺度（Micromodelling scale）74

4.3.3巨模型尺度（Megamodelling scale）75

4.4示例80

4.4.1基于合集的赛博物理系统80

4.4.2HPI赛博物理系统实验室（CPSLab）87

4.4.3仿真阶段89

4.5总结103

参考文献104

第5章支持赛博物理系统的多范式建模的集成本体114

5.1概述114

5.2最先进的技术115

5.2.1视角115

5.2.2基于模型的开发流程建模117

5.2.3建模范式118

5.3本体119

5.3.1视角119

5.3.2基于模型的工作流120

5.3.3建模范式121

5.4示例123

5.4.1基于合集的赛博物理系统（EBCPS）123

5.4.2HPI赛博物理系统实验室126

5.4.3建模范式132

5.5总结134

参考文献135

第二部分方法和工具

第6章通过双半球模型驱动方法支持赛博物理系统的组合139

6.1概述139

6.2赛博物理系统的组件140

6.3系统组合背景环境下的赛博物理系统142

6.4双半球模型驱动方法144

6.5双半球模型驱动方法用于解决组合问题147

6.6总结150

致谢151

参考文献151

第7章赛博物理生产系统原型开发中的多范式建模和协同仿真156

7.1概述156

7.2案例研究描述157

7.3技术159

7.3.1INTOCPS技术160

7.3.2初始模型161

7.3.3VDMRT/Overture的离散事件优先策略161

7.4方法论162

7.5子系统的建模163

子系统模型164

7.6验证和确认167

7.6.1同构阶段的实验167

7.6.2与物理系统相关的同构仿真分析172

7.6.3异构阶段的实验172

7.7总结174

7.7.1两个阶段的开发174

7.7.2关于方法论上的见解175

致谢176

参考文献176

第8章使用SEA_ML 开发基于智能体的赛博物理系统179

8.1概述179

8.2背景180

8.3相关工作1

8.4SEA_ML 183

8.4.1抽象句法183

8.4.2图形化具体句法184

8.4.3转换186

8.5使用SEA_ML 的基于智能体CPS的建模和开发186

8.6多智能体垃圾收集CPS的开发190

8.6.1系统设计190

8.6.2系统开发192

8.6.3演示证明194

8.7总结197

致谢198

参考文献198

第9章CREST——用于混合CPS建模的DSML203

9.1概述203

9.2混合的形式化方法204

9.2.1定时和混合自动机工具206

9.2.2离散形式化的混合扩展206

9.3使用CREST开展领域特定的混合建模207

9.3.1CREST句法208

9.3.2CREST语义212

9.3.3验证215

9.4实现216

9.5讨论218

9.6总结219

参考文献219

第三部分案例研究

第10章应用MPM方法开发基于物联网和无线传感器网络的CPS——智能火灾

探测案例研究227

10.1概述227

10.2需求获取228

10.3系统设计231

10.3.1架构设计231

10.3.2详细设计232

10.4建模和仿真236

10.5实现238

10.5.1硬件设置238

10.5.2软件开发239

10.5.3日志管理器241

10.5.4测试和验证242

10.6FTG PM框架下的多范式开发流程243

10.6.1形式化转换图形（FTG）246

10.6.2流程模型（PM）246

10.7总结247

10.8文献和进一步阅读248

致谢248

参考文献248

第11章开发面向行业的跨领域的赛博物理系统学习规划252

11.1概述252

11.2相关工作254

11.3白俄罗斯和乌克兰的就业市场现状256

11.3.1白俄罗斯就业市场的需要256

11.3.2乌克兰劳动力市场的需要257

11.4COST行动对欧洲 CPS 课程的投入258

11.5识别行业的需要259

11.5.1关于CPS课程研究的方法259

11.5.2白俄罗斯研究机构调查分析260

11.5.3乌克兰企业调查分析261

11.5.4研究机构调查结果263

11.6白俄罗斯和乌克兰大学CPS课程的COST调查结果的验证263

11.7讨论与结论265

致谢266

参考文献266

附录缩略语表273

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