張程 陳付龍 劉超 齊學(xué)梅

摘 要：信息物理融合系統(tǒng)（CPS）涉及多種計(jì)算模型的集成和協(xié)同工作，針對(duì)CPS設(shè)計(jì)方法不統(tǒng)一、重塑性差、復(fù)雜度高、難以協(xié)同建模驗(yàn)證等問題，提出一種結(jié)構(gòu)化、可描述行為的異元組件模型。首先，用統(tǒng)一組件建模方法進(jìn)行建模，解決模型不開放問題;然后，用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）規(guī)范描述各類組件，解決不同計(jì)算模型描述語(yǔ)言不一致和不可擴(kuò)展問題;最后，用多級(jí)開放組件模型的協(xié)同仿真驗(yàn)證方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證，解決驗(yàn)證的不可協(xié)同問題。通過通用組件建模方法、XML組件規(guī)范描述語(yǔ)言以及驗(yàn)證工具平臺(tái)XModel對(duì)醫(yī)用恒溫箱進(jìn)行了建模、描述和仿真。醫(yī)用恒溫箱的案例表明，這種模型驅(qū)動(dòng)建立可重塑異元組件并確認(rèn)其設(shè)計(jì)正確性的過程，支持信息物理協(xié)同設(shè)計(jì)和邊構(gòu)建邊糾正，可避免在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)再進(jìn)行反復(fù)修改。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng);組件;可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言;XModel;開放模型;協(xié)同仿真

中圖分類號(hào)： TP391.9計(jì)算機(jī)仿真

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

專用信息處理的嵌入式系統(tǒng)[1]是包含了集成計(jì)算、通信與控制的新一代多維智能系統(tǒng)，是信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System， CPS）[2]的核心技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空、醫(yī)藥、交通機(jī)器人等領(lǐng)域。自2005年CPS被提出至今，各國(guó)科研人員和學(xué)者從CPS的理論方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn)等不同層面進(jìn)行探討和研究，各自提出了對(duì)CPS概念的理解。本文對(duì)CPS的理解是CPS強(qiáng)調(diào)用戶空間、信息空間與物理空間的感知、傳輸、處理和控制過程，突出對(duì)物理空間的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的信息控制與信息服務(wù)的特點(diǎn)，構(gòu)成了一個(gè)能通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物世界的密切互動(dòng)，如圖1所示。CPS組成復(fù)雜、功能多變[3]，需要與通信、傳感、控制及物理等組件協(xié)同設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)開發(fā)變得難以把握，高效的協(xié)同設(shè)計(jì)方法成為迫切的需求和緊要的任務(wù)。

一個(gè)完整的CPS涉及到人、機(jī)、物等異構(gòu)單元的協(xié)同工作，不只是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)作的裝置，它的異元組件主要是體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是CPS軟件組件和硬件組件，其分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試方法存在顯著差異;二是CPS組件與傳感、控制、通信、物理等組件的功能特點(diǎn)、計(jì)算模型（連續(xù)、離散）、描述（文本、圖形）和驗(yàn)證（形式化驗(yàn)證、仿真、測(cè)試）方法不一致，難以協(xié)同設(shè)計(jì);三是CPS組件在不同的應(yīng)用環(huán)境中所采用的種類、型號(hào)、連接形式迥然不同，規(guī)模差異較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要較好的可重塑性。

當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜到一定程度，如果直接編程設(shè)計(jì)，會(huì)增加系統(tǒng)出錯(cuò)甚至失敗的可能性。鑒于CPS異元組件協(xié)同設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，為達(dá)到系統(tǒng)執(zhí)行效果好、代價(jià)小和可靠性高的要求，設(shè)計(jì)需在能完成設(shè)計(jì)周期的描述方式下提高系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量和效率。因此CPS各類組件協(xié)同設(shè)計(jì)的第一步應(yīng)該是建立系統(tǒng)的模型，即抽象地描述系統(tǒng)，其內(nèi)容主要包括三點(diǎn)：1）將需求分析轉(zhuǎn)化為可重塑、可驗(yàn)證和可視化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，便于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足需求分析的要求，也便于理解和修改設(shè)計(jì);2）表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為;3）表示系統(tǒng)的非功能約束條件。CPS的可重塑異元協(xié)同設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)人員之間的合作和不同模型子組件（軟件、硬件、傳感、控制、通信以及物理子組件）之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，是一個(gè)亟待解決的難題。解決這類復(fù)雜問題最有效的方法之一就是分層和協(xié)同建模理論[4]，緊密結(jié)合嵌入式系工作的外部物理環(huán)境要素，將復(fù)雜問題分為多個(gè)子問題逐一解決。分層協(xié)同建模就是對(duì)多計(jì)算模型的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分層，把要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)行為聯(lián)系起來(lái)，并對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化控制，從而發(fā)現(xiàn)需求并更好地解決問題。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還遵循一個(gè)規(guī)律：越早驗(yàn)證、越早發(fā)現(xiàn)問題，付出的代價(jià)越小。有效的系統(tǒng)模型和描述規(guī)范有利于分工設(shè)計(jì)與專業(yè)化產(chǎn)生，有利于協(xié)同驗(yàn)證，邊構(gòu)建邊糾正，從而節(jié)省設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

1 相關(guān)工作

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)嵌入式系統(tǒng)、CPS的設(shè)計(jì)方法也作出了探索性的研究。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)建模方法的分類如下：1）按照是否支持形式化，可分為形式化和非形式化方法。常見的非形式化方法有：語(yǔ)言Petri Nets[5-8]、統(tǒng)一建模語(yǔ)言（Unified Modeling Language， UML）[9-10]、有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine， FSM）、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedforward Neural Network， FNN）[11]等。Petri Nets的局限性在于，系統(tǒng)復(fù)雜度的增長(zhǎng)會(huì)快速導(dǎo)致系統(tǒng)的不可理解性。由于缺乏對(duì)并發(fā)性和層次性的顯式支持，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，F(xiàn)SM可能出現(xiàn)“狀態(tài)爆炸”和“遷移膨脹”現(xiàn)象。UML和FNN基本上能描述系統(tǒng)的功能屬性，可通過仿真來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，但對(duì)非功能屬性的描述能力有限，且不利于通過數(shù)學(xué)方法來(lái)嚴(yán)格驗(yàn)證。2）按照建模對(duì)象的組成元素分類，可分為基于過程、基于任務(wù)、基于組件的方法?；诮M件的方法又包括面向?qū)ο螅ㄈ鐚?shí)時(shí)UML）、面向中間件（如公共對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture， COBRA）、EJB（Enterprise Java Beans）、分布式組件對(duì)象模型（Distributed Component Object Model， DCOM）、組件對(duì)象模型（Component Object Model， COM）等商業(yè)規(guī)范）、面向角色[12]、面向領(lǐng)域、面向資源等技術(shù)。3）按照系統(tǒng)描述的視圖分類，可分為面向狀態(tài)（如FSM和Petri Nets）、面向活動(dòng)（如數(shù)據(jù)流圖和控制流圖）、面向結(jié)構(gòu)（如構(gòu)件連接圖）、面向數(shù)據(jù)（如實(shí)體關(guān)系圖和Jackson圖）和異構(gòu)的模型（如控制/數(shù)據(jù)流圖）。4）按照開發(fā)方法分類，有Top-Down（如Simulink、規(guī)范與描述語(yǔ)言（Specification and Description Language， SDL）、StateCharts等）、Bottom-Up（如硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description Language， HDL）、UML、接口描述語(yǔ)言（Interface Description Language， IDL）、高級(jí)分布式語(yǔ)言（Advanced Distributed Language， ADL）、Modelica等）兩種方法。前者適于系統(tǒng)的需求分析和高層體系結(jié)構(gòu)描述以及系統(tǒng)評(píng)價(jià)，后者適于系統(tǒng)底層體系結(jié)構(gòu)的描述、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

這些方法在以往的傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，但在面向CPS協(xié)同設(shè)計(jì)中則面臨新的問題和難以克服的困難。面向CPS，不同于通常純粹的軟件或硬件系統(tǒng)，而是軟件、硬件、傳感、控制、通信、物理系統(tǒng)綜合在一起的[13-15]系統(tǒng)，有些功能既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，還可以用物理設(shè)備完成。另外，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)不僅涉及到計(jì)算機(jī)軟件和硬件，也會(huì)涉及到許多非計(jì)算機(jī)工程中的問題，諸如機(jī)械尺寸、功耗和制造成本問題等。即使是計(jì)算機(jī)工程方面的問題，大部分系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠性和多速率等問題方面也都有特別要求。隨著應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，CPS功能變強(qiáng)大，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的要求更苛刻。

研究者們逐漸意識(shí)到了面向信息物理融合的異元嵌入式系統(tǒng)協(xié)同建模與驗(yàn)證的重要性。離散事件系統(tǒng)規(guī)范（Discrete Event System Specification， DEVS）是Zeigler等[16]在研究一般系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一種離散事件系統(tǒng)仿真理論，具有簡(jiǎn)潔的操作語(yǔ)義，并且與真實(shí)系統(tǒng)存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系;但DEVS是一種貧語(yǔ)義的系統(tǒng)描述，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制、時(shí)間概念的支持，其劣勢(shì)在于缺少信息機(jī)制、時(shí)間概念的支持，也缺乏對(duì)于系統(tǒng)行為的描述，模型結(jié)構(gòu)的開放性低，且其抽象的數(shù)學(xué)描述離具體的系統(tǒng)建模尚存在很大的差距。劉晨等[17]將StateCharts嵌入到DEVS，利用StateCharts適于建立系統(tǒng)的行為模型、描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)律等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以建立起簡(jiǎn)潔、直觀的系統(tǒng)模型，該方法可以有效地提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，完成高層建模到底層代碼實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)映射。此外，Modelica在其迅速發(fā)展的同時(shí)受到工業(yè)界的高度關(guān)注，眾多相關(guān)行業(yè)的頂尖企業(yè)紛紛推出支持計(jì)劃。在Modelica[18]的支持下，Taha等[19]在完成Acumen項(xiàng)目的同時(shí)，提出了混合系統(tǒng)的建模和驗(yàn)證方法，采用連續(xù)函數(shù)對(duì)連續(xù)系統(tǒng)建模，并進(jìn)行離散化仿真，目前Taha團(tuán)隊(duì)正致力于擴(kuò)展其行為描述能力，但通信功能方面還沒有實(shí)現(xiàn)。在具體應(yīng)用領(lǐng)域方面，Parolini等[20]提出了面向控制的模型，采用計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和熱量網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)中心能量效率的有效控制;Saber等[21]則將信息物理能量系統(tǒng)分為隨機(jī)模型、智能動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡模型和靈巧網(wǎng)格模型，包含能量、可網(wǎng)格化車輛和熱量單元，實(shí)現(xiàn)能量可重用和利用率最大化;Saeedloei等[22]則強(qiáng)調(diào)了編程模型的重要性，并用協(xié)同誘導(dǎo)、限制因數(shù)和協(xié)同迂回通信等方法對(duì)CPS進(jìn)行邏輯編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)的形式化建模和驗(yàn)證;趙俊華等[23]則利用微分代數(shù)方程組、有窮自動(dòng)機(jī)、隨機(jī)過程、排隊(duì)論等數(shù)學(xué)工具，建立電力CPS的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)模型。此外，馬華東等[24]從體系結(jié)構(gòu)角度研究了模型及互聯(lián)機(jī)制，為以嵌入式系統(tǒng)為核心的CPS乃至信息物理融合應(yīng)用系統(tǒng)提供了一定的理論和技術(shù)支持。

綜合以上分析，針對(duì)目前CPS協(xié)同設(shè)計(jì)所面臨的困難，尤其是CPS設(shè)計(jì)過程中的模型選擇、模型描述、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)的自動(dòng)生成，以及其對(duì)計(jì)算性能和協(xié)同設(shè)計(jì)的需求，本文從體系結(jié)構(gòu)的角度，構(gòu)建基于組件（構(gòu)件）的嵌入式系統(tǒng)模型（組態(tài)模型），為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)提供一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)途徑，為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供抽象的并可用于設(shè)計(jì)的傳感、控制、通信和物理驗(yàn)證模型，從而有效解決了CPS組件協(xié)同設(shè)計(jì)中遇到的模型不開放、描述不一致、協(xié)同驗(yàn)證難以自動(dòng)化等問題，并探索協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建和代碼生成自動(dòng)化等問題。

2 通用組件建模方法

2.1 通用組件建模方法定義

CPS組成元素可以是物理設(shè)備（如感知器、路由器、處理器、控制器等）、人、甚至小部件（如電子元件、小集成電路、軟件模塊等）。CPS的組成元素具有復(fù)雜性、多樣性，為有效表示CPS中所有的組成元素，統(tǒng)稱這些元素為CPS組件。在通用建模方法中CPS組件的定義是指構(gòu)成CPS的具有特定屬性、組成結(jié)構(gòu)和行為方法的對(duì)象，且對(duì)象之間可進(jìn)行相互連接、協(xié)同完成特定的工作。CPS組件基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPS組件基本結(jié)構(gòu)的定義如下：

上述已定義了CPS基本結(jié)構(gòu)元素，根據(jù)組件端口的不同功能進(jìn)行分類，輸入端口型I、輸出端口型O以及輸入輸出端口型IO。CPS中元素有兩種角色，組件和子組件。

一個(gè)組件可以不是一個(gè)簡(jiǎn)單客體，它可以由其他組件組成，但是為了區(qū)分組件內(nèi)部包含的組件，賦予組件內(nèi)部的組件新的定義名稱為子組件。換言之，CPS中元素具有雙重身份，既是組件，又是子組件。

組件既可以是由子組件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的客體，也可以不含任何子組件。對(duì)此，產(chǎn)生新的概念，即復(fù)合組件和原子組件。復(fù)合組件和原子組件都是CPS組件，區(qū)分兩者的依據(jù)是組件內(nèi)部是否存在其他子組件。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子，如半加器。半加器可看作一個(gè)復(fù)合組件，它由一個(gè)異或門和一個(gè)與門組成，即這兩個(gè)子組件組成。對(duì)CPS組件概念的理解，可認(rèn)為一個(gè)CPS本身就是一個(gè)組件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是多個(gè)組件構(gòu)成?？紤]在文中用組件建模方法描述一個(gè)大型復(fù)雜的CPS難以實(shí)現(xiàn)，CPS的建模采用通用組件建模方法。對(duì)此，給出一個(gè)簡(jiǎn)潔的CPS組件結(jié)構(gòu)圖表示CPS的建模方式，如圖3所示。同時(shí)，對(duì)CPS 組件結(jié)構(gòu)圖也進(jìn)行描述，表達(dá)式如下：

2.2 組件建模方法分析

2.1節(jié)已定義了CPS組件基本結(jié)構(gòu)和組件建模描述的模式，本節(jié)將分析和總結(jié)組件建模方法的優(yōu)劣。

本文提出的組件建模方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）CPS具有復(fù)雜性、多樣性。隨著需求的增大，規(guī)模也逐漸變龐大、功能更具復(fù)雜性，那么組件方法建模CPS的過程中，忽略冗余的信息，精煉地提取并描述CPS中組件的關(guān)鍵信息，有利于降低CPS建模的復(fù)雜性。

2）至今已有許多研究人員針對(duì)信息物理融合建模提出了很多建模的方法，但都有各自的缺陷，如：層次模型可以直觀地將CPS以層次劃分并表示每層的主要功能;但是沒有很好對(duì)每層進(jìn)行細(xì)化。本文的CPS組件，可以靈活地嵌套在層次模型中，且已能夠詳細(xì)化每層的結(jié)構(gòu)和功能。又如：形式化模型，通過數(shù)學(xué)形式驗(yàn)證;但無(wú)法刻畫出CPS結(jié)構(gòu)，造成可讀性差和難理解。組件建模方式不僅通過行為屬性來(lái)使用形式化方式，而且通過組件與組件之間的組合，達(dá)到驗(yàn)證的效果?？偠灾?，組件建模的使用具有靈活性，其功能也更加強(qiáng)大。

3）通過本文的CPS組件定義可看出，將CPS組件化也就是對(duì)象化，組件都有各個(gè)ID、結(jié)構(gòu)以及行為，這很符合現(xiàn)實(shí)情況。無(wú)論是人或物，都具有自己的組成結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)外界刺激作出特定反應(yīng)。因此，組件建模方式也更具真實(shí)性。

4）本文CPS建模采用二層模式，這樣有利于提高其可讀性。人的思維習(xí)慣是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，如果直接給予一整個(gè)CPS結(jié)構(gòu)，這種方式會(huì)具有可行性差、可讀性差的問題。

組件建模方法具備上述優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下問題：

1）復(fù)雜、龐大的CPS在建模時(shí)可采用形式化嵌套在內(nèi)，但是眾多組件之間應(yīng)該怎樣有效地組合才真正達(dá)到合理的仿真效果？

2）采用兩層模式建模，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量的描述文件。這些文件該如何存儲(chǔ)、如何調(diào)用，讓整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài)？

3）組件建摸方式并沒有考略到安全性的問題，采用什么樣的方式，將建立安全方式運(yùn)用在組件建模方法中？

3 XML組件描述規(guī)范、解析及仿真

本節(jié)具體介紹XML組件描述規(guī)范，描述規(guī)范的解析器及仿真流程。

3.1 XML組件規(guī)范描述語(yǔ)義

根據(jù)組件定義，描述方式采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXtensible Markup Language， XML）描述。XML描述規(guī)范具有以下特定特征：

1）每一個(gè)CPS組件描述文件（Docment）包含三個(gè)部分：描述文件聲明（Declaration）、組件定義（Component）以及文件注釋。

2）注釋的格式以“〈！”開始，以“〉”結(jié)束;描述文件聲明包含XML版本聲明（Version）、編碼聲明（Encoding）、外部定義的Schema文件存在性聲明（Standlone）。

3）描述文件中包含一個(gè)或若干組件，組件以〈component〉開始、〈/component〉結(jié)束的標(biāo)記對(duì)定義。

4）每一組件都有著自己的組件名稱（ID），以便于與其他組件區(qū)分。組件包含兩個(gè)部分：組件結(jié)構(gòu)（Structure）和組件行為（Behavior），如表1所示。組件行為數(shù)據(jù)化和信息化，產(chǎn)生若干具有特性的數(shù)據(jù)元素，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算處理和計(jì)算優(yōu)化，再通過一系列專用的軟件將真實(shí)物理世界的客體虛擬地顯示于計(jì)算機(jī)的顯示設(shè)備。

XML提供了一種描述結(jié)構(gòu)化方法，主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)以及外觀。XML與超文本標(biāo)記語(yǔ)言（HyperText Markup Language， HTML）不同之處在于，它的標(biāo)記是用于定義數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型。每個(gè)元素封裝可能十分簡(jiǎn)單也可能十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)，對(duì)此可定義一組無(wú)限制的XML標(biāo)記來(lái)描繪數(shù)據(jù)元素。比如定義一些XML標(biāo)記來(lái)描述訂單中的數(shù)據(jù)，如價(jià)格、稅收、發(fā)貨地址、賬單地址以及發(fā)貨的方式。此外，XML是一種簡(jiǎn)單、與平臺(tái)無(wú)關(guān)、并被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)，使集成來(lái)自不同源的數(shù)據(jù)成為可能。XML具有可擴(kuò)展性、可兼容性和可讀性的特點(diǎn)，是一種適合描述信息物理融合世界的語(yǔ)言。信息物理融合世界包括三個(gè)主體部分：人、物，以及使兩者或者與其自身產(chǎn)生聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)。三者看似屬于不同范疇，但是它們還是具備一些共同特征，如結(jié)構(gòu)屬性和行為屬性。無(wú)論是人，還是物理客體和網(wǎng)絡(luò)，都有其自身的組成結(jié)構(gòu)，只是組成的原子不同。同時(shí)，它們都能對(duì)來(lái)自信息物理融合世界中的刺激因子產(chǎn)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生某些特定的行為方式。對(duì)此，在XML組件規(guī)范描述語(yǔ)言描述組件過程中，將整個(gè)組件劃分為結(jié)構(gòu)和行為兩個(gè)部分，如表2所示，組件結(jié)構(gòu)規(guī)范中定義了端口集、子組件集合、連接器集合和屬性集合。

端口集（Ports）主要作用是傳遞信息，它有一系列的輸入端口集（Inports）、輸出端口集（Outputs）以及輸入輸出端口集（Inoutputs）。輸入端口用來(lái)接收來(lái)自外界或連接器的輸入信號(hào)，輸出端口用來(lái)為連接器產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸入輸出端口則具備兩者的功能?？紤]到信息物理融合世界中不同客體有著不同的端口集合，即使在同一客體中也存在不同的端口集合，且相互傳遞的信息數(shù)據(jù)類型存在多樣性，定義端口ID用于識(shí)別不同端口，端口Type決定了此端口所傳遞的數(shù)據(jù)類型（字節(jié)型、字符型、布爾型、整型等）。組件是由其內(nèi)部具有一定數(shù)量的子組件集（Subcomponents）且按照一定的排列結(jié)構(gòu)所組成。同樣采用標(biāo)記ID的方式區(qū)別不同的子組件，其標(biāo)簽對(duì)（label）中的屬性component是為說明此子組件是屬于某一組件。XModel建模仿真驗(yàn)證平臺(tái)采用圖形化和XML文本化編輯方式，對(duì)此需要視圖屬性（View）記錄子組件在圖形化界面顯示的位置、尺寸、圖片等。信息物理融合世界特別強(qiáng)調(diào)用戶空間、信息空間與物理空間的信息傳輸，根據(jù)此特點(diǎn)需要定義連接器集（Connectors）用于連接不同組件及組件的內(nèi)部各個(gè)子組件。組件行為描述規(guī)范中，定義了狀態(tài)機(jī)行為（mealy狀態(tài)機(jī)和Moore狀態(tài)機(jī)），狀態(tài)機(jī)具體的計(jì)算行為如表3所示。

3.2 XML組件描述語(yǔ)言解析和仿真

定義XML組件描述語(yǔ)言規(guī)范，但計(jì)算機(jī)本身并不能理解XML文件的內(nèi)容。類似計(jì)算機(jī)所使用的高級(jí)語(yǔ)言，XML更接近于人類能夠理解的自然語(yǔ)言，但計(jì)算機(jī)卻不能識(shí)別。為解決此問題，產(chǎn)生了高級(jí)語(yǔ)言編譯器將高級(jí)語(yǔ)言編輯的程序文件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制文件。

為了能識(shí)別XML文件的內(nèi)容，同樣要建立XML編譯器來(lái)解析XML文件，編譯過程需要經(jīng)過詞法分析、語(yǔ)法分析和語(yǔ)義分析。通過編譯后，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行仿真，仿真流程如圖4所示。

4 案例分析

對(duì)醫(yī)用恒溫箱模型化，并在XModel建模仿真平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 模型定義

醫(yī)用恒溫箱，主要用于藥品、試劑儲(chǔ)存運(yùn)輸，疫苗、血液冷藏保溫，透析液加溫和生理鹽水加溫等。實(shí)際中醫(yī)用恒溫箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在模型化時(shí)將簡(jiǎn)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立能夠體現(xiàn)醫(yī)用恒溫箱工作方式的組件模型，如圖5所示。

由圖5可知，醫(yī)用恒溫箱組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，包括溫度傳感器組件、溫度控制器組件以及顯示組件。醫(yī)用恒溫箱組件的溫度傳感器組件的作用是感知恒溫箱內(nèi)的溫度，起到一定的監(jiān)視作用。圖5中說明溫度傳感器組件是復(fù)合組件，其中包括噪聲組件和累加器組件。溫度控制器組件是原子組件，不具備結(jié)構(gòu)屬性，僅有行為屬性，通過行為狀態(tài)機(jī)控制恒溫箱中的溫度，使其保持在允許溫度范圍內(nèi)。顯示組件的作用就是顯示溫度變化的波形圖，可以更加直觀地看到恒溫箱中溫度變化情況。

4.2 分析與驗(yàn)證

整個(gè)仿真過程，從溫度傳感器組件開始產(chǎn)生溫度初始值Tinitial，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到溫度控制器中。溫度控制器的行為屬性是狀態(tài)機(jī)，如圖5所示，可知此狀態(tài)機(jī)是由加熱狀態(tài)（Heating State）、冷卻狀態(tài)（Cooling State）以及四個(gè)條件轉(zhuǎn)化（Transition）組成。初始狀態(tài)定義為加熱狀態(tài)，假設(shè)接收的采集數(shù)據(jù)是5.5℃，明顯超過恒溫箱定義的溫度上限（HeatingOnThershold），根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的條件判斷，當(dāng)前的加熱狀態(tài)將轉(zhuǎn)化為冷卻狀態(tài)，并且在轉(zhuǎn)移的過程中輸出當(dāng)前溫度值和冷卻變化率（表示下一步將進(jìn)行冷卻操作）。從溫度控制器組件中輸出的數(shù)據(jù)，將傳遞到溫度傳感器組件。噪聲組件和累加器組件是它的重要組成部分，在現(xiàn)實(shí)情況中，恒溫箱的中溫度一定受到外界因素的干擾，產(chǎn)生內(nèi)部溫度的波動(dòng)。正因?yàn)榭紤]到這種情況，才有噪聲組件的設(shè)計(jì)。將當(dāng)前溫度值和逐漸產(chǎn)生的噪聲值傳遞到累加組件中進(jìn)行累加操作，產(chǎn)生新的溫度值。

在開發(fā)的驗(yàn)證工具平臺(tái)Xmodel上對(duì)醫(yī)用恒溫箱模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示，一系列溫度值都保持在恒定的溫度范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文的CPS協(xié)同設(shè)計(jì)方法的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用CPS的通用組件建模方法建立醫(yī)用恒溫箱模型，并在設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)XModel上運(yùn)行驗(yàn)證，達(dá)到了一定的預(yù)期效果。但XModel的組件庫(kù)還是處于一個(gè)初期階段，軟件平臺(tái)的功能不是很完善。對(duì)此，在后期工作中，希望不斷進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)充組件庫(kù)，完善XModel建模仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

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