基于扩展时间Petri网的信息物理融合系统建模与验证研究
发布时间：2021-07-10 02:25
信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,CPS）是一类融合了信息处理过程与真实物理环境进程于一体的分布式实时反馈系统,包含计算、通信与控制三大功能。它不仅可以对物理环境进行实时感知,还能够通过计算与通信实现对物理实体的动态控制。CPS拥有传统系统难以企及的优势,是工业4.0中实现智能制造的核心与关键之一。CPS系统复杂,功能强大,这为它带来优势的同时也为其研究带来了困难与挑战。组成CPS的子系统在结构、功能及开发语言方面都有所不同,且它们之间存在大量的交互与协作,再加上需要对物理实体进行实时控制,增加了其复杂程度。因此,需要采用适当的建模方法,对CPS的性质与功能进行合理的描述,并进行有效的验证。Petri网拥有直观地表达系统结构以及描述异步并发事件的能力。而时间Petri网在此基础上增加了时间因素,可用于对分布式的实时系统进行建模,但对空间因素难以进行有效的表达。本文针对经典时间Petri网的不足,向其添加对空间信息的描述,使其具备描述物理实体位置变迁的能力,构造一种扩展的时间Petri网模型——时空Petri网STPN,并研究其对CPS进行建模的方法等。本文...
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CPS基本功能逻辑单元
桂林理工大学硕士学位论文7监测感知单元：监测感知单元由大量传感器节点组成，用于获取系统中物理实体以及其周围物理环境的信息，并将采集到的信息作为控制算法的输入传输给决策控制单元以得到控制指令。决策控制单元：决策控制单元负责处理与分析由监测感知单元传来的信息，根据控制规则部署监测任务以及产生出相应的控制命令，并将命令发送至驱动执行单元，使其进行相应的操作。驱动执行单元：驱动执行单元由若干执行器组成，执行器在接收到由决策控制单元发来的控制指令后，按照预先设定的计算规则对其进行处理，并实施相应的动作，以控制物理实体，改变物理世界的环境。图2.2描述了一个信息物理生产系统（Cyber-PhysicalProductionSystems,CPPS）的体系结构，作为CPS体系结构的代表。一个完整的CPS体系可以分为决策层、感控层与通信层三部分。图2.2信息物理生产系统的体系结构
桂林理工大学硕士学位论文12统中的多个Agent之间在在逻辑上彼此相互独立的，它们通过网络共享资源，参考相邻其他Agent的状态进行任务的分配以及资源的获取，做出最高效的策略以及最合理的安排，通过彼此协作的方式完成复杂的任务。一个多Agent的CPS结构如图2.3所示。文献[41]基于合作博弈Agent对一个纳米纤维生产设备的CPS应用实例进行建模。文献[42]基于Agent对一个智能电网的CPS进行了研究。CPS与Agent具备的相似的特性有自主性、反应性、主动性、交互性、分布性，可以说Agent拥有了CPS大部分的性质，但是对于CPS极其关键的时空一致性、高可靠性却很难用多Agent系统来描述出来。多Agent系统难以在严苛的时间要求下完成相应的指令与操作，也难以将物理实体的空间信息与时间对应起来；同时，由于只给出了个体Agent的行为规则，而缺乏整个系统动态行为的规则，多Agent系统的高度自治带来的不确定性与难以预测的威胁也在一定程度上违背了CPS安全可靠的要求。图2.3基于多Agent的CPS结构框图(2)基于服务的一体化建模在CPS的物理过程、计算过程以及它们的交互过程中引入面向服务的体系结构，是基于服务的一体化建模的核心思想。该建模方式是以服务的形式将CPS中的物理过程与计算过程进行封装，以实现两者的异构集成。文献[43]构造了一个由三层框架构成的CPS，其构成分别为物理层、控制层及服务层，如图2.4所示。其中，服务层是一组分布式的实时计算服务，用以为控制层提供服务的更新；控制层则类似决策控制单元，是该体系的核心，能够通过通信网络将物理进程与计算进程进行交互，它在接收到服务请求后，会到服务层查询更新服务，再发出
【参考文献】：
期刊论文
[1]孙优贤院士论工业信息物理融合系统[J]. 邢黎闻. 信息化建设. 2018(01)
[2]CPS在工业控制信息化过程中的应用[J]. 黄捷,吉顺平,陈志广. 科教导刊(中旬刊). 2017(11)
[3]信息物理系统技术与标准研究[J]. 袁波,张翠,陈德基,徐冬梅. 信息技术与标准化. 2016(05)
[4]智能工厂走向工业互联网时代[J]. 智慧工厂. 2016(02)
[5]工业互联网与智能工厂[J]. 蒋明炜. 中国工业评论. 2016(01)
[6]中国制造2025:智能时代的国家战略[J]. 郭铁成. 人民论坛·学术前沿. 2015(19)
[7]信息物理融合系统及其在航空制造业应用展望[J]. 侯志霞,邹方,吕瑞强,王湘念. 航空制造技术. 2014(21)
[8]信息物理融合系统的时间需求一致性分析[J]. 尹玲,陈小红,刘静. 软件学报. 2014(02)
[9]信息物理融合系统的特性、架构及研究挑战[J]. 许少伦,严正,张良,唐聪. 计算机应用. 2013(S2)
[10]面向CPS节点操作系统的混合调度系统研究与设计[J]. 杜晓舟,曹晨红,乔建忠,林树宽. 通信学报. 2013(12)
硕士论文
[1]基于贝叶斯网络的水泥回转窑故障诊断系统的研究[D]. 吕晓贺.燕山大学 2016
本文编号：3274990
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CPS基本功能逻辑单元
桂林理工大学硕士学位论文7监测感知单元：监测感知单元由大量传感器节点组成，用于获取系统中物理实体以及其周围物理环境的信息，并将采集到的信息作为控制算法的输入传输给决策控制单元以得到控制指令。决策控制单元：决策控制单元负责处理与分析由监测感知单元传来的信息，根据控制规则部署监测任务以及产生出相应的控制命令，并将命令发送至驱动执行单元，使其进行相应的操作。驱动执行单元：驱动执行单元由若干执行器组成，执行器在接收到由决策控制单元发来的控制指令后，按照预先设定的计算规则对其进行处理，并实施相应的动作，以控制物理实体，改变物理世界的环境。图2.2描述了一个信息物理生产系统（Cyber-PhysicalProductionSystems,CPPS）的体系结构，作为CPS体系结构的代表。一个完整的CPS体系可以分为决策层、感控层与通信层三部分。图2.2信息物理生产系统的体系结构
桂林理工大学硕士学位论文12统中的多个Agent之间在在逻辑上彼此相互独立的，它们通过网络共享资源，参考相邻其他Agent的状态进行任务的分配以及资源的获取，做出最高效的策略以及最合理的安排，通过彼此协作的方式完成复杂的任务。一个多Agent的CPS结构如图2.3所示。文献[41]基于合作博弈Agent对一个纳米纤维生产设备的CPS应用实例进行建模。文献[42]基于Agent对一个智能电网的CPS进行了研究。CPS与Agent具备的相似的特性有自主性、反应性、主动性、交互性、分布性，可以说Agent拥有了CPS大部分的性质，但是对于CPS极其关键的时空一致性、高可靠性却很难用多Agent系统来描述出来。多Agent系统难以在严苛的时间要求下完成相应的指令与操作，也难以将物理实体的空间信息与时间对应起来；同时，由于只给出了个体Agent的行为规则，而缺乏整个系统动态行为的规则，多Agent系统的高度自治带来的不确定性与难以预测的威胁也在一定程度上违背了CPS安全可靠的要求。图2.3基于多Agent的CPS结构框图(2)基于服务的一体化建模在CPS的物理过程、计算过程以及它们的交互过程中引入面向服务的体系结构，是基于服务的一体化建模的核心思想。该建模方式是以服务的形式将CPS中的物理过程与计算过程进行封装，以实现两者的异构集成。文献[43]构造了一个由三层框架构成的CPS，其构成分别为物理层、控制层及服务层，如图2.4所示。其中，服务层是一组分布式的实时计算服务，用以为控制层提供服务的更新；控制层则类似决策控制单元，是该体系的核心，能够通过通信网络将物理进程与计算进程进行交互，它在接收到服务请求后，会到服务层查询更新服务，再发出
【参考文献】：
期刊论文
[1]孙优贤院士论工业信息物理融合系统[J]. 邢黎闻. 信息化建设. 2018(01)
[2]CPS在工业控制信息化过程中的应用[J]. 黄捷,吉顺平,陈志广. 科教导刊(中旬刊). 2017(11)
[3]信息物理系统技术与标准研究[J]. 袁波,张翠,陈德基,徐冬梅. 信息技术与标准化. 2016(05)
[4]智能工厂走向工业互联网时代[J]. 智慧工厂. 2016(02)
[5]工业互联网与智能工厂[J]. 蒋明炜. 中国工业评论. 2016(01)
[6]中国制造2025:智能时代的国家战略[J]. 郭铁成. 人民论坛·学术前沿. 2015(19)
[7]信息物理融合系统及其在航空制造业应用展望[J]. 侯志霞,邹方,吕瑞强,王湘念. 航空制造技术. 2014(21)
[8]信息物理融合系统的时间需求一致性分析[J]. 尹玲,陈小红,刘静. 软件学报. 2014(02)
[9]信息物理融合系统的特性、架构及研究挑战[J]. 许少伦,严正,张良,唐聪. 计算机应用. 2013(S2)
[10]面向CPS节点操作系统的混合调度系统研究与设计[J]. 杜晓舟,曹晨红,乔建忠,林树宽. 通信学报. 2013(12)
硕士论文
[1]基于贝叶斯网络的水泥回转窑故障诊断系统的研究[D]. 吕晓贺.燕山大学 2016
本文编号：3274990
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