信息物理系统应用与原理（英文版）

目　录
第一部分　CPS应用领域
第1章　医疗CPS3
1.1　引言4
1.2　系统描述与操作场景5
1.2.1　虚拟医疗设备7
1.2.2　临床场景8
1.3　关键设计驱动与质量属性9
1.3.1　发展趋势9
1.3.2　质量属性以及MCPS领域的挑战12
1.3.3　MCPS的高可信度开发14
1.3.4　按需医疗设备及其安全保障21
1.3.5　智能报警以及医疗决策支持系统28
1.3.6　闭环系统34
1.3.7　安全案例40
1.4　医疗从业者的影响48
1.4.1　MCPS开发者角度49
1.4.2　MCPS管理者角度50
1.4.3　MCPS用户角度50
1.4.4　患者角度51
1.4.5　MCPS监管机构角度51
1.5　总结和挑战52
参考文献53
第2章　能源CPS61
2.1　引言62
2.2　系统描述与操作场景63
2.3　关键设计驱动与质量属性65
2.3.1　关键系统原则67
2.3.2　架构1的性能目标73
2.3.3　未来的方向78
2.4　可持续性SEES的网络范例79
2.4.1　在SEES中基于物理的CPS组合82
2.4.2　在SEES中基于DyMonDS的CPS标准86
2.4.3　交互变量自动建模与控制94
2.5　从业者的意图96
2.5.1　性能目标的IT演化96
2.5.2　分布式优化96
2.6　总结与挑战97
参考文献100
第3章　基于无线传感器网络的CPS103
3.1　引言104
3.2　系统描述与操作场景105
3.2.1　媒介访问控制107
3.2.2　路由109
3.2.3　节点定位111
3.2.4　时钟同步113
3.2.5　电源管理114
3.3　关键驱动设计与质量属性115
3.3.1　物理感知115
3.3.2　实时感知116
3.3.3　运行时验证感知118
3.3.4　安全感知120
3.4　实践意义122
3.5　总结与挑战124
参考文献125
第二部分　CPS基础理论
第4章　CPS的符号化合成133
4.1　引言134
4.2　基础技术135
4.2.1　预备知识135
4.2.2　问题定义135
4.2.3　合成问题的解决144
4.2.4　符号模型构建148
4.3　高级技术152
4.3.1　构建符号模型154
4.3.2　连续时间控制器156
4.3.3　软件工具157
4.4　总结与挑战158
参考文献159
第5章　反馈控制系统中的软件和平台问题165
5.1　引言166
5.2　基础技术167
5.2.1　控制器定时167
5.2.2　资源效率控制设计169
5.3　高级技术171
5.3.1　减少计算时间171
5.3.2　降低采样频率172
5.3.3　基于事件的控制173
5.3.4　控制器的软件结构174
5.3.5　计算资源共享176
5.3.6　反馈控制系统的分析与仿真178
5.4　总结与挑战192
参考文献193
第6章　混合系统的逻辑正确性197
6.1　引言198
6.2　基础技术200
6.2.1　离散验证200
6.3　高级技术221
6.3.1　实时验证221
6.3.2　混合验证227
6.4　总结与挑战231
参考文献232
第7章　CPS的安全237
7.1　引言238
7.2　基础技术239
7.2.1　网络安全需求239
7.2.2　攻击模型240
7.2.3　应对策略245
7.3　高级技术248
7.3.1　系统理论248
7.4　总结与挑战256
参考文献256
第8章　分布式CPS的同步259
8.1　引言259
8.1.1　CPS的挑战261
8.1.2　一种降低同步复杂度的技术···261
8.2　基础技术262
8.2.1　软件工程263
8.2.2　分布式一致性算法264
8.2.3　同步锁步执行266
8.2.4　时间触发架构267
8.2.5　相关技术268
8.3　高级技术270
8.3.1　物理异步、逻辑同步系统270
8.4　总结和挑战282
参考文献283
第9章　CPS的实时调度289
9.1　引言290
9.2　基础技术291
9.2.1　固定时间参数的调度291
9.2.2　内存效应300
9.3　高级技术301
9.3.1　多处理器/多核调度301
9.3.2　适应可变性和不确定性313
9.3.3　其他资源的管理318
9.3.4　间歇任务调度323
9.4　总结和挑战325
参考文献325
第10章　CPS模型集成331
10.1　引言332
10.2　基础技术333
10.2.1　因果关系334
10.2.2　时间语义域335
10.2.3　计算过程的交互模型336
10.2.4　CPS DSML建模语言的语义337
10.3　高级技术338
10.3.1　ForSpec语言339
10.3.2　CyPhyML系统建模语言的语法342
10.3.3　语义的形式化344
10.3.4　形式化的语言集成349
10.4　总结和挑战356
参考文献357
关于作者361
关于有贡献的作者363



Contents
PART I Cyber-Physical System Application Domains 1
Chapter 1 Medical Cyber-Physical Systems 3
1.1 Introduction and Motivation 4
1.2 System Description and Operational Scenarios 5
1.2.1 Virtual Medical Devices 71.2.2 Clinical Scenarios 8
1.3 Key Design Drivers and Quality Attributes 9
1.3.1 Trends 9
1.3.2 Quality Attributes and Challenges of the MCPS Domain 12
1.3.3 High-Confidence Development of MCPS 14
1.3.4 On-Demand Medical Devices and Assured Safety 21
1.3.5 Smart Alarms and Clinical Decision Support Systems 28
1.3.6 Closed-Loop System 34
1.3.7 Assurance Cases 40
1.4 Practitioners’ Implications 48
1.4.1 MCPS Developer Perspective 49
1.4.2 MCPS Administrator Perspective 50
1.4.3 MCPS User Perspective 50
1.4.4 Patient Perspective 51
1.4.5 MCPS Regulatory Perspective 51
1.5. Summary and Open Challenges 52References 53