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內容簡介

本書主要介紹信息物理融閤係統的基本理論，包括係統設計、規約、建模和分析方法。針對基於模型的設計、並發理論、分布式算法、規約和驗證的形式化方法、控製理論、實時係統和混成係統等分支學科，從不同側麵對信息物理融閤係統進行描述。本書采用數學化的建模、基於模型的設計，以及規約與分析等概念，並配以案例研究圖解來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等理論。本書適閤作為計算科學、計算機工程和電子工程相關學科的高年級本科生或一年級研究生的教材。

目錄

PrinciplesofCyber-PhysicalSystems

齣版者的話

譯者序

前言

第1章簡介1

1.1什麼是信息物理融閤係統1

1.2信息物理融閤係統的主要特徵1

1.3研究主題概述3

1.4課程組織指南5

第2章同步模型8

2.1反應式構件8

2.1.1變量、值和錶達式8

2.1.2輸入、輸齣和狀態9

2.1.3初始化9

2.1.4更新10

2.1.5執行11

2.1.6擴展狀態機12

2.2構件屬性13

2.2.1有限狀態構件13

2.2.2復閤構件14

2.2.3事件觸發構件*14

2.2.4非確定性構件16

2.2.5輸入使能構件17

2.2.6任務圖和等待依賴關係18

2.3構件構成22

2.3.1方框圖22

2.3.2輸入/輸齣變量重命名23

2.3.3並行組閤23

2.3.4輸齣隱藏29

2.4同步設計30

2.4.1同步電路30

2.4.2巡航控製係統33

2.4.3同步網絡*36

參考文獻說明38

第3章安全性需求40

3.1安全性規約40

3.1.1遷移係統的不變量40

3.1.2需求在係統設計中的作用43

3.1.3安全監控器46

3.2驗證不變量48

3.2.1證明不變量48

3.2.2不變量的自動驗證*52

3.2.3基於模擬的分析54

3.3枚舉搜索*55

3.4符號搜索60

3.4.1符號遷移係統60

3.4.2符號廣度優先搜索63

3.4.3約簡有序二叉判定圖*67

參考文獻說明75

第4章異步模型77

4.1異步進程77

4.1.1狀態、輸入和輸齣77

4.1.2輸入、輸齣和內部動作78

4.1.3執行80

4.1.4擴展的狀態機82

4.1.5進程操作83

4.1.6安全性需求87

4.2異步設計原語88

4.2.1阻塞同步與非阻塞同步88

4.2.2死鎖88

4.2.3共享存儲器90

4.2.4公平性假設*95

4.3異步協調協議100

4.3.1領導選舉100

4.3.2可靠傳輸103

4.3.3等待無關共識*105

參考文獻說明110

第5章活性需求111

5.1時序邏輯111

5.1.1綫性時序邏輯111

5.1.2LTL規約116

5.1.3異步進程的LTL規約*118

5.1.4超越LTL*121

5.2模型檢查122

5.2.1Büchi自動機123

5.2.2從LTL到Büchi自動機*126

5.2.3嵌套深度優先搜索*130

5.2.4符號重復性檢查132

5.3活性證明*136

5.3.1eventuality屬性136

5.3.2條件response屬性137

參考文獻說明140

第6章動態係統142

6.1連續時間模型142

6.1.1連續變化的輸入和輸齣142

6.1.2擾動模型148

6.1.3構件構成148

6.1.4穩定性149

6.2綫性係統151

6.2.1綫性度152

6.2.2綫性微分方程的解154

6.2.3穩定性159

6.3控製器設計161

6.3.1開環控製器與反饋控製器162

6.3.2穩定化控製器162

6.3.3PID控製器*165

6.4分析技術*170

6.4.1數值模擬170

6.4.2柵欄函數172

參考文獻說明176

第7章時間模型177

7.1時間進程177

7.1.1基於時間的電燈開關177

7.1.2有界延遲的緩衝器178

7.1.3多個時鍾179

7.1.4形式化模型180

7.1.5時間進程組閤182

7.1.6不完全時鍾的建模��184

7.2基於時間的協議184

7.2.1基於時間的分布式協調184

7.2.2音頻控製協議��186

7.2.3雙腔植入式心髒起搏器190

7.3時間自動機194

7.3.1時間自動機的模型194

7.3.2區域等價*195

7.3.3基於矩陣錶示的符號分析201

參考文獻說明207

第8章實時調度208

8.1調度概念208

8.1.1調度器架構208

8.1.2周期作業模型209

8.1.3可調度性211

8.1.4其他的作業模型215

8.2EDF調度216

8.2.1周期作業模型的EDF217

8.2.2EDF的最優性219

8.2.3基於利用率的可調度性測試220

8.3固定優先級調度223

8.3.1單調截止期策略和單調速率策略223

8.3.2單調截止期策略的最優性*225

8.3.3單調速率策略的可調度性測試*229

參考文獻說明234

第9章混成係統235

9.1混成動態模型235

9.1.1混成進程235

9.1.2進程組閤239

9.1.3奇諾行為241

9.1.4穩定性243

9.2混成係統設計244

9.2.1自動駕駛車輛244

9.2.2多機器人協調的障礙規避246

9.2.3多跳控製網絡*251

9.3綫性混成自動機*256

9.3.1追趕遊戲例子256

9.3.2形式化模型258

9.3.3符號可達性分析260

參考文獻說明266

參考文獻267

索引274

精彩書摘

　　《信息物理融閤係統（CPS）原理》：
　　EDF策略的屬性
　　在8.2.2節中，我們將學習在何種條件下，保證EDF策略産生一個滿足截止期的調度。下麵我們學習一些基本屬性。
　　無論什麼時候製定調度策略，EDF策略都是從就緒作業中選擇當前具有最早截止期的作業，而不用顯式地分析這種策略的全局結果。這種策略是稱為貪婪算法的經典算法的一個例子。
　　我們假設無論何時EDF調度策略需要在具有相同截止期的就緒作業中選擇一個作業，它都使用固定的決策規則（例如，選擇最小標識符的作業）。根據這個假設，EDF策略産生的調度是周期調度，該調度的周期等於所有作業的周期的最小公倍數。
　　在圖8—3所示的EDF策略中，在時間0，給作業J2分配瞭比作業J1高的優先級，而在時間3，給作業J1分配瞭比作業J2高的優先級。這種在就緒作業中它們的相關優先級隨時間而不同的調度策略稱為動態優先級策略。
　　通常，使用EDF策略産生的調度可能是搶占式的。例如，考慮一個作業集閤，它包含兩個作業J1和J2。作業J1的周期為2，截止期為1，WCET為1；作業J2的周期為4，截止期為4，WCET為2。EDF策略在時間0和2選擇作業J1，在時間1和3選擇作業J2。由此産生的調度是滿足截止期的，且是搶占式的。
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前言/序言

　　PrinciplesofCyber-PhysicalSystems信息物理融閤係統由能夠相互通信的計算設備組成，這些計算設備藉助傳感器和作動器實現與物理世界的交互。現實生活中，這樣的係統越來越多，從智能建築到醫療設備再到汽車都可以看作信息物理融閤係統。在過去的十多年中，開發確保信息物理融閤係統可靠性的設計和分析工具是一項具有挑戰性的工作，它吸引瞭眾多學術界和工業界的研究人員開展卓有成效的跨學科研究。

　　本書的目標是為信息物理融閤係統的設計、規約、建模和分析提供一套基本理論，這些理論勾畫瞭開發信息物理融閤係統所涉及的眾多分支學科，包括基於模型的設計方法、並發理論、分布式算法、規約和驗證的形式化方法、控製理論、實時係統和混成係統。我試圖為信息物理融閤係統設計和分析方法相關的研究主題提供一套脈絡清晰的理論思想。全書采用數學化的建模、規約與分析等概念，並配以案例研究圖解來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等多學科分支理論。

　　本教材自成體係，適閤作為計算科學、計算機工程和電子工程相關學科的高年級本科生或一年級研究生一學期課程的教材。第1章討論瞭幾種可供選擇的課程組閤。

　　我對信息物理融閤係統的研究興趣萌生於20世紀90年代和TomHenzinger閤作研究混成係統協同性。另外，本教材的結構基於我與Tom閤作撰寫但未齣版的課堂講義《Computer-AidedVerification》（計算機輔助驗證），其中，第２章和第３章中的一些例子和圖例也來自該講義，並得到Tom的同意。因此，Tom對本教材的貢獻是不可估量的，我對他錶達崇高的敬意。

　　我對信息物理融閤係統的理解和本書的內容深受賓夕法尼亞大學工程學院RECISE信息物理融閤係統研究中心的學生和同事的影響。在此，我對我的同事VijayKumar、InsupLee、RahulMangharam、GeorgePappas、LinhPhan、OlegSokolsky和UfukTopcu給予的閤作與支持錶示敬意。同時，我還要感謝DARPA和NSF在信息物理融閤係統研究項目上對我的持續資助。

　　在過去的５年中，我已經勾畫齣瞭本教材的草稿，取名《PrinciplesofEmbeddedComputation》（嵌入式計算的基本原理），最初目標是在賓夕法尼亞大學開設一門嵌入式係統碩士研究生課程。定期教授這門課程是促使我完成本書的關鍵動因，學生的反饋也極大地促進瞭本教材內容的完善。感謝所有的學生和勤勉的助教，他們是SanjianChen、ZhihaoJiang、SalarMoarref、TruongNghiem、NimitSinghania和RahulVasist。

　　我也很幸運地收到瞭其他大學的研究者對本教材手稿的反饋建議。特彆是根據SriramSankaranarayanan和PauloTabuada的建議，對第6章和第9章的內容進行瞭很多修改。特彆感謝ChristosStergiou對最新版本進行瞭仔細的推敲，並對第9章的例子用Matlab工具進行模擬。

　　藉此機會感謝齣版商（MIT齣版社）對本項目的支持，特彆是VirginiaCrossman、MarieLufkinLee和MarcLowenthal在本書齣版過程中提供瞭大量的幫助和鼓勵。本書的寫作耗時多年，如果沒有傢人的支持也是不可能完成的，我要特彆感謝我妻子Mona的友善、愛和耐心。

　　RajeevAlur美國費城賓夕法尼亞大學2015年1月

　　譯者序PrinciplesofCyber-PhysicalSystems進入21世紀，以計算機科學為代錶的信息技術發展迅猛，一些代錶新技術發展的計算技術名詞泉湧而齣，如物聯網、互聯網+、雲計算、大數據、工業4.0等，而信息物理融閤係統（Cyber-PhysicalSystem，CPS）是其中最為引人關注的技術熱詞之一。CPS作為一個正式的概念於2006年由美國國傢自然基金委員會科學傢HelenGates提齣後，就被美國、歐盟和中國等各國政府定位為影響未來科技研究、國傢信息技術與産業融閤發展的國傢戰略目標，並製定瞭一係列的CPS技術研究和産業發展計劃。

　　從技術上講，CPS是為解決信息技術對傳統産品數字化後所帶來的問題進行的一次係統性思考。這些問題包括：數值計算誤差積纍、跨平颱的計算時序性、開環控製的不確定性、分布式計算的網絡時延、多核計算的調度性以及長生命周期産品的運維等。這些問題逐步成為一道阻礙新一代智能計算技術發展必須跨越的鴻溝。這就要求計算技術專傢必須另闢計算科學的方法論和實踐工程技術，指導工程技術人員在産品的策劃和設計之初就用係統工程的觀點，考慮貫穿於産品全生命周期的兩類因素——物理過程和計算過程，以及它們之間的相互影響。

　　CPS技術的發展不僅要繼承嵌入式係統、網絡通信和控製論的技術和方法，同時還要對現有理論、技術框架進行突破和創新。CPS係統集成瞭計算過程和物理過程，並且物理過程與計算過程相互影響、深度融閤。CPS的概念也指齣瞭CPS的兩條發展路徑：物理係統的信息化和計算係統的物理化。這兩條道路是將導緻CPS的研究、開發和應用的多樣化發展，還是將殊途同歸、形成一套統一的理論和方法，還有待於廣大的CPS技術研究開發人員通過進一步的努力來驗證，我們將拭目以待。

　　本書從計算理論的角度總結瞭CPS技術必須考慮的理論方法，並綜閤瞭分布式控製和網絡通信等相關技術，是一本係統介紹信息物理融閤係統理論基礎的教材或者工具書，不僅適閤初學者，還適用於有相關經驗的研究人員和工程技術人員。本書不但概述瞭信息物理融閤係統的基本原理，而且詳細介紹瞭對此類係統的規約、設計、建模和分析等一套理論，包括基於模型的設計方法、並發理論、分布式算法、形式化規約和驗證方法、控製理論、實時係統和混成係統等，並配以案例分析來闡述信息物理係統所涉及的分布式算法、網絡協議、控製設計和機器人等多學科分支理論。本書的選材和作為教材的特點在前言和第1章中已有詳述，被世界名校采納作為教材也充分說明瞭其價值，此處不再贅述。

　　本書的翻譯主要由董雲衛博士和張雨博士共同完成，西北工業大學嵌入式係統實驗室的葛永琪、吳婷婷、魏曉敏、孫鵬鵬、賀媛媛、薑臻穎、魏昕和李峰等研究生也參與瞭本書的部分翻譯和校對，他們為本書的齣版付齣瞭辛勤勞動。

　　由於中西方文化背景上的差異以及我們的學術和語言水平的限製，譯文中難免有不妥甚至錯誤之處，歡迎讀者及專傢批評指正。

　　譯者2016年10月1日於西安

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