FITEE 2019-2020专题速递 | 面向信息物理融合系统的模型驱动软件开发（2020, No. 11，刘志明教授）

Original 编辑部信息与电子工程前沿FITEE

收录于合集

【FITEE 2020年第11期出版“面向信息物理融合系统的模型驱动软件开发”专题，由西南大学刘志明教授担任主编。专题收录2篇视点，1篇综述，2篇研究论文。】

【视点】

人机物融合系统：概念、挑战与研究机遇

刘志明¹，王戟²

1. 西南大学计算机与信息科学学院软件研究与创新中心，中国重庆市，400715

2. 国防科技大学计算机学院高性能计算国家重点实验室，中国长沙市，410073

摘要：回顾人机物融合系统的背景，介绍并澄清一些重要概念。从系统工程角度探讨并提出建立人机物融合系统的科学基础面临的重要挑战，包括：（1）复杂的异质性；（2）合适抽象的缺失；（3）大量异质黑盒子系统的动态集成；（4）复杂的功能、性能和服务质量方面的需求；（5）满足需求的人机物融合系统的设计、实现和运维。为应对以上挑战，建议从4个方面开展研究：（1）人机物融合系统的抽象与计算理论；（2）人机物融合系统体系架构的建模理论与方法；（3）模型性质的规约与验证；（4）人机物融合系统的软件定义方法与技术。最后，作为本信息物理融合系统专题的编辑按语，简介专题收录的4篇文章。

关键词：抽象；体系架构建模；演化；软件定义技术

概要PPT：西南大学刘志明等 | 人机物融合系统：概念、挑战与研究机遇

引用格式：

Zhiming LIU, Ji WANG, 2020. Human-cyber-physical systems: concepts, challenges, and researchopportunities. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(11):1535-1553.

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000537

【视点】

信息物理融合系统中的突现：潜力与风险

Shmuel TYSZBEROWICZ^1,2, David FAITELSON²

1. 西南大学软件研究与创新中心，中国重庆市，400715

2. 特拉维夫阿夫卡工程学院软件工程系，以色列特拉维夫市，6998812

摘要：信息物理融合系统是集计算、通信、物理等组件的分布式集合体，能够感知环境，通过算法评估收到的信息，并且影响其所在的物理环境。信息物理融合系统与其他复杂适应系统有相同的结构，也因此同样承受突现可能带来的有利与不利影响。突现是个体系统组件与环境交互引起的意料之外的模式。本文聚焦信息物理融合系统中关于突现的3个主要问题：如何成功利用突现，如何避免单个信息物理融合系统中的突现产生的不利影响，以及如何避免同一环境中多个独立开发的信息物理融合系统间由意外交互引起的不利影响。本文回顾这些问题的研究现状，并概述相关方法。

关键词：信息物理融合系统；突现行为；复杂适应系统；共识主动性；归类；数字孪生

引用格式：

Shmuel TYSZBEROWICZ, David FAITELSON, 2020. Emergence in cyber-physical systems: potential and risk. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(11):1554-1566.

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000279

【综述】

信息物理融合系统的模型驱动构建技术与工具综述

刘波¹，张元睿¹，曹雪莲¹，刘钰¹，顾斌^2,3，王铁鑫⁴

1. 西南大学计算机与信息科学学院软件研究与创新中心，中国重庆市，400715

2. 北京控制工程研究所，中国北京市，100190

3. 西北工业大学计算机学院，中国西安市，710029

4. 南京航空航天大学计算机科学与技术学院，中国南京市，211106

摘要：信息物理融合系统（cyber-physical system，CPS）已成为应对社会经济可持续发展诸多挑战性问题的潜在使能技术。自2006年CPS肇始至今的大量研究表明：CPS由大量异构子系统构成，其系统构建是一个困难且复杂的工程。在既有的CPS构建实践中，较之其他复杂系统设计方法，模型驱动方法展现出显著优势。鉴于此，本文针对CPS的模型驱动开发方法展开综述：介绍当前模型驱动开发中广泛使用的方法、技术与工具，并讨论其在CPS构建中的应用；同时，从建模语言、功能及应对CPS构建挑战性问题的能力等方面，对比分析这些技术与工具。基于这些工作，本文认为：尽管模型驱动方法尚需持续改进其理论、技术与工具，但其仍不失为构建CPS的必由之路；此外，可支持不同建模方法的统一建模平台已是迫切需求，统一平台不仅有利于学术研究及工业实践活动，也利于提升工业界与学术界的协作。

关键词：信息物理融合系统；模型驱动方法；系统建模；软件工程

概要PPT：西南大学刘波等 | 信息物理融合系统的模型驱动构建技术与工具综述

引用格式：

Bo LIU, Yuan-rui ZHANG, Xue-lian CAO, Yu LIU, Bin GU, Tie-xin WANG, 2020. A survey of model-driven techniques and tools for cyber-physical systems. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(11):1567-1590.

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000311

【研究】

机器人集群的去中心化运行时强制方法

胡驰¹，董威¹，杨永辉²，史浩¹，邓霏²

1. 国防科技大学计算机学院，中国长沙市，410073

2. 中国工程物理研究院计算机应用研究所，中国绵阳市，621999

摘要：机器人系统设计通常是自下而上的，这种开发方式使机器人群体很容易受到环境影响。具体来说，目前广泛使用的集群控制模型不能保证宏观上群体任务的正确性，也不能保证微观上机器人节点间交互的安全性。因此，为确保机器人行为在运行时的安全性，有必要考虑机器人集群系统在不确定环境下的复杂性质。运行时强制技术能确保状态序列始终满足给定性质，并且避免状态爆炸的问题。虽然在其他领域出现了一些运行时强制的工作，但目前还不能解决机器人集群问题。本文通过引入宏观/微观性质强制框架、防护器以及一个离散时间的强制机制（discrete time enforcement，D-time 强制）解决该问题。论述了领域规约语言和强制器合成算法，然后，将此方法应用到一个机器人集群仿真工具robotflocksim中合成强制器。以无人机集群任务为例实现了该方法，并对实验效果进行讨论。

关键词：运行时强制；多层级性质；D-time强制；机器人集群

概要PPT：国防科技大学董威等 | 机器人集群的去中心化运行时强制方法

引用格式：

Chi HU, Wei DONG, Yong-hui YANG, Hao SHI, Fei DENG, 2020. Decentralized runtime enforcement for robotic swarms. Frontiersof Information Technology & Electronic Engineering, 21(11):1591-1606.

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000203

【研究】

基于AADL的信息物理融合系统架构级特定风险建模与分析

肖明睿¹，董云卫¹，苟倩文¹，薛峰²，陈永华²

1. 西北工业大学计算机学院，中国西安市，710072

2. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），中国南京市，210000

摘要：信息物理融合系统在安全攸关领域的重要性日益增强。为了在研发早期确保系统的可信属性，特定风险分析扮演了安全性评估工作中的重要角色。人为因素和物理环境是特定风险评估中最为重要的组成部分。因此，有必要综合考虑人和物理环境的行为特征进行安全性分析。为提高架构分析与设计语言（AADL）的建模能力，提出一种新的特定风险模型，同时提出一种基于架构的特定风险分析方法支持信息物理融合系统模型层面的安全性评估。为实现特定风险模型的定量分析，提出从特定风险模型到确定性随机Petri网模型的转换方法。以电力系统中的安全稳定控制系统为例，采用所提方法进行架构模型建模和特定风险分析。

关键词：人-信息-物理融合系统；特定风险分析；架构分析与设计语言；确定性随机Petri网；特定风险模型

概要PPT：西北工业大学董云卫等 | 基于AADL的信息物理融合系统架构级特定风险建模与分析

引用格式：

Ming-rui XIAO, Yun-wei DONG, Qian-wen GOU, Feng XUE, Yong-hua CHEN, 2020. Architecture-level particular risk modeling and analysis for a cyber-physical system with AADL. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(11):1607-1625. https://doi.org/10.1631/FITEE.2000428

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主要客编简介

刘志明（专题主编），1991年在英国华威大学获博士学位，1991-1994年在华威大学完成博士后研究；1994-2005年，担任莱切斯特大学讲师；2002-2013年，相继担任澳门联合国大学国际软件技术研究所（UNU-IIST）研究员、高级研究员；2013-2015年，担任英国伯明翰城市大学讲席教授。2016年1月全职加入西南大学，领导创建软件研究与创新中心（RISE），现担任该中心主任。长期从事软件理论和方法领域，尤其是形式化方法与模型驱动软件工程方法的研究。主要成果包括基于模型/规约转化的容错程序设计与验证、概率时段演算及可靠性规约和证明、和基于构件的形式化模型驱动软件工程方法rCOS。其代表性著作150余篇，发表在形式化方法领域顶级期刊及主流学术会议。其rCOS形式化方法曾获第二届澳门特别行政区自然科学二等奖。是国际学术会议ICTAC、SEFM、FACS和SETTA的发起人。

王戟，长期从事形式化方法、软件方法学、并行与分布计算领域的研究，研究方向包括可信软件、智能软件。发表论文百余篇，研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级奖励3项。担任高性能计算国家重点实验室学术委员会副主任、计算机科学国家重点实验室学术委员会委员；中国计算机学会理事、形式化方法专委会主任；中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》（FITEE）执行副主编、《IEEE Software》Associate Editor、《软件学报》领域编委、Frontiers of Computer Science及Journal of System and Software编委。2007年获国家杰出青年科学基金资助，2009年入选长江学者特聘教授。

客座编委会成员：

赵恒军博士, 西南大学（主编助理）

Kim G. Larsen教授，丹麦奥尔堡大学

Shmuel Tyszberowicz教授，以色列特拉维夫阿夫卡工程学院

Jim Woodcock教授，英国约克大学

关于本刊

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（简称FITEE，中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，ISSN 2095-9184，CN 33-1389/TP）是信息电子类综合性英文学术月刊，SCI-E、EI收录，最新影响因子1.604，进入JCR Q2分区。前身为2010年创办的《浙江大学学报英文版C辑：计算机与电子》，2015年更为现名，现为中国工程院信息与电子工程学部唯一院刊。覆盖计算机、信息与通信、控制、电子、光学等领域。文章类型包括研究论文、综述、个人视点、评述等。现任主编为中国工程院院士潘云鹤、卢锡城。实行国际同行评审制，初次转达意见一般在2~3个月内。文章一经录用将快速在线。

2019年，荣获中国科协等七部委推出的中国科技期刊卓越行动计划项目资助（梯队期刊）。

官网：http://www.jzus.zju.edu.cn

期刊Springer主页：

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