CN109408984B

CN109408984B - 一种cps场景建模方法及装置

Info

Publication number: CN109408984B
Application number: CN201811294816.4A
Authority: CN
Inventors: 杨刚; 廉园园; 姚远; 周兴社; 何晓丽; 翟开利; 杜雪远; 胡玉姣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: CN109408984A

Abstract

本发明公开了一种CPS场景建模方法及装置，涉及信息物理融合技术领域。用以解决现有的CPS系统存在不能对整个系统的所有场景本身建模的问题。该方法包括：根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条运行路径上的责任点，根据责任点与组件的关联关系，得到CPS系统的UCMs图；根据UCMs图确定CPS系统包括的第一工作场景以及与第一工作场景对应的第一初始化条件；根据第一初始化条件遍历UCMs图，得到与第一初始化条件对应第一工作场景以及第一工作场景包括的七元组信息；将七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历UCMs图，得到第一工作场景在CPS系统中的行为交互模型。

Description

一种CPS场景建模方法及装置

技术领域

本发明涉及信息物理融合技术领域，更具体的涉及一种CPS场景建模方法及装置。

背景技术

近年来，信息物理融合系统(CPS，Cyber-PhysicalSystems)已经在包括智能电网、智能交通系统、航空航天电子系统等领域取得了广泛的应用，而这些领域使用的大多数是安全攸关的系统，因此设计的CPS系统能否满足实际应用对安全性的属性约束对系统的推广与应用至关重要。

目前，基于模型的系统安全性分析方法已成为保障系统研发质量的重要方法和技术途径。然而，目前对CPS的建模方法主要是对系统结构和动态行为分别进行建模，从系统组成和运行时行为两个方面对其特征进行刻画和分析，以获得对其静态结构和动态行为较为完整的认知。但是，随着对CPS研究深入，系统设计过程中涉及到不同的研究场景，且不同场景所关注的系统行为也不同，采用的建模方法及建模语言也不同。然而对于整个系统而言需求规约是一致的，各个领域之间又是相互关联的，如何在模型层面刻画这种关联，实现多场景模型之间的协同设计已成为CPS形同建模中的一个难题。

综上所述，现有的CPS系统的建模方式都是对CPS系统特定场景下的系统结构和动态行为进行建模，存在不能对整个系统的所有场景本身建模的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种CPS场景建模方法及装置，用以解决现有的CPS系统的建模方式都是对CPS系统特定场景下的系统结构和动态行为进行建模，存在不能对整个系统的所有场景本身建模的问题。

本发明实施例提供一种CPS场景建模方法，包括：

根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条所述运行路径上的责任点，根据每个所述责任点发生的因果关系，确定每个所述责任点与所述组件的关联关系，根据所述责任点与所述组件的关联关系，得到所述CPS系统的UCMs图；

根据所述UCMs图确定所述CPS系统包括的第一工作场景以及与所述第一工作场景对应的第一初始化条件；根据所述第一初始化条件，遍历所述UCMs图，得到与所述第一初始化条件对应所述第一工作场景以及所述第一工作场景包括的七元组信息；

将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。

进一步地，所述运行路径包括至少一个与分支和/或至少一个或分支；

所述将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型，具体包括：

在与所述第一工作场景对应的第一运行路径上，将所述起始点信息确定为所述第一运行路径的起点，采用所述递归算法遍历所述第一运行路径，根据所述第一运行路径包括的所述与分支和所述或分支的组合，生成所述第一运行路径包括的全部交互信息，根据全部所述交互信息得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。

进一步地，所述七元组信息包括：场景的名称，场景是否包括父子关系，场景被触发条件，场景执行后结果，初始化条件，所述起始点和出口点。

本发明实施例还提供一种CPS场景建模装置，包括：

第一得到单元，用于根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条所述运行路径上的责任点，根据每个所述责任点发生的因果关系，确定每个所述责任点与所述组件的关联关系，根据所述责任点与所述组件的关联关系，得到所述CPS系统的UCMs图；

第二得到单元，用于根据所述UCMs图确定所述CPS系统包括的第一工作场景以及与所述第一工作场景对应的第一初始化条件；根据所述第一初始化条件，遍历所述UCMs图，得到与所述第一初始化条件对应所述第一工作场景以及所述第一工作场景包括的七元组信息；

第三得到单元，用于将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。

所述第三得到单元具体用于：

本发明实施例提供一种CPS场景建模方法，包括：根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条所述运行路径上的责任点，根据每个所述责任点发生的因果关系，确定每个所述责任点与所述组件的关联关系，根据所述责任点与所述组件的关联关系，得到所述CPS系统的UCMs图；根据所述UCMs图确定所述CPS系统包括的第一工作场景以及与所述第一工作场景对应的第一初始化条件；根据所述第一初始化条件，遍历所述UCMs图，得到与所述第一初始化条件对应所述第一工作场景以及所述第一工作场景包括的七元组信息；将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。该方法使用UCMs图可以画出整个CPS系统的结构和动态行为交互过程，其次，根据七元组对CPS系统所包括的场景进行描述，并将UCMs图与七元组进行关联，最后，通过递归扫描算法提取UCMs图中特定的一个场景在CPS系统中行为交互模型。通过该方法，可以依次对CPS系统所包括的全部场景进行建模，从而解决了现有的CPS系统的建模方式都是对CPS系统特定场景下的系统结构和动态行为进行建模，存在不能对整个系统的所有场景本身建模的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种CPS场景建模方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的包括有或分支和与分支的UCMs示意图；

图3为本发明实施例提供的含有责任点的UCMs示意图；

图4为本发明实施例提供的绑定组建后的UCMs示意图；

图5为本发明实施例一提供的温室控制系统结构示意图；

图6为本发明实施例一提供的室温控制系统的UCMs示意图；

图7为本发明实施例一提供的只有空调工作场景下的交互模型示意图；

图8为本发明实施例提供的一种CPS场景建模装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种CPS场景建模方法流程示意图，如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101，根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条所述运行路径上的责任点，根据每个所述责任点发生的因果关系，确定每个所述责任点与所述组件的关联关系，根据所述责任点与所述组件的关联关系，得到所述CPS系统的UCMs图；

步骤102，根据所述UCMs图确定所述CPS系统包括的第一工作场景以及与所述第一工作场景对应的第一初始化条件；根据所述第一初始化条件，遍历所述UCMs图，得到与所述第一初始化条件对应所述第一工作场景以及所述第一工作场景包括的七元组信息；

步骤103，将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。

在步骤101之前，先介绍以下UCMs，UCMs是一种高度抽象的用于描述如何组织复杂系统的结构和系统交互行为场景的符号表示，UCMs图中对系统中所有的责任点存在的逻辑关系采用函数表达式进行描述，所有责任点与组件之间的执行关系采用集合的方式将于组件执行的所有的责任点集合在一起，并将这种描述图形化为一条可视化的系统运行路径。

在UCMs的描述中，通常其由组件、责任点以及路径这三个最基本的元素组成，对于复杂系统的描述，UCMs还提供了包括场景分支、场景联结、插件、桩、以及池等这样的高级组成元素。

其中，路径，组件及责任点的概念如下：

路径：路径其实就就是对责任点间因果关系的一个可视化表示方式。每条路径都是源于起始点终于结束点的一条系统执行事件的因果序列。

责任点：其实就是一个系统运行场景中，系统所有可能发生的操作动作，这里为了简便没有将这些动作细化，而是用责任点这样一个抽象的概念来广义的代表

组件：用来统称系统中所有责任点执行体。每个UCMs图中的矩形都代表一个系统组件，而系统中所有需要该组件执行的责任点都为与图中表示相应组件的矩形图中。

在实际应用中，一个UCMs图中可以根据实际的模型抽象层次的不同包含任意数量的运行路径和系统组件。运行路径主要是根据系统运行的实际行为之间的因果关系来建立的一系列因果关系序列。运行路径主要是根据系统运行的实际行为之间的因果关系来建立的一系列因果关系序列。在每个UCMs图中，一条完整的执行路径均是从起始点开始一直到结束点为止，其中的起始点表示的是路径开始执行的触发条件，而结束点则表示路径执行完成后系统的结束状态。责任点可以代表的是一个系统中所有可能执行的动作，UCMs图中还可以使用分支路径、联结路径等的路径选择方式来表示系统在实际运行过程中路径的并发和选择执行。图2为本发明实施例提供的包括有或分支和与分支的UCMs示意图。

进一步地，UCMs图中使用组件来统称系统中所有责任点执行体。图2为本发明实施例提供的含有责任点的UCMs示意图；图3为本发明实施例提供的绑定组建后的UCMs示意图；如图2所示，图中虚线构成的菱形表示责任点，如图3所示，每个UCMs图中的矩形都代表一个系统组件，而系统中所有需要该组件执行的责任点均为菱形，且每个责任点都在图中表示的相应组件的矩形图中。

在本发明实施例中，将场景定义为一个由事件、组件以及各个事件之间的因果关系三部分组成，并且将事件通过它们之间的因果关系进行关联，最终表示为在系统结构基础上的一条因果路径。这样定义场景最主要的优点就是能够综合系统结构和行为，并且将这种综合以图形化的方式进行表示，使用户直观的、全局的了解系统各项功能及其实现。其中，组件描述的是符合系统规范的结构实体，它可以是处理器、对象、容器、代理等等的抽象实体。组件与事件之间的关系是执行与被执行的关系，故而事件也可称为组件所需执行的责任点，组件则可以包含一个它本身需要执行的所有责任点的列表。

七元组的形式包括：<Scenario id，Included scenarios，Preconditions，Initializations，Postconditions，Start points，End points>，七元组用于将因果路径与场景模型进行绑定。其中，七元组包括的各属性的具体描述如下：

Scenario id：表示场景模型的名称，是场景模型的唯一表示符，用来区别其他场景。具体描述方式为：Scenario id＝<string，number>；

其中string表示该场景模型所表示的场景功能，number为了表示该场景模型与其他具有相同功能特征的场景模型的不同，比如对于一个某武器装备的转台系统而言，表示系统的整体场景与表示系统中自主跟踪子场景的描述中string部分不同，而对于自主跟踪子场景而言，通过雷达探测实现自主跟踪和使用红外线实现自主跟踪的描述中number不同。采用这种描述方法，既可以对不同功能的场景进行区分，又可以对具有相同功能的场景进行区分。

Included scenarios：表示场景模型中包含了哪些其他场景模型图。因为当一个场景模型过于复杂时，场景模型就会变得十分复杂不利用使用者对系统功能的观察和理解，所以我们能对场景模型实现层次化的组织。在场景模型中将完成同一功能但具体的实现方式有多种的情况在高层模型中将其抽象成一个占位符(stub)，而对其功能具体的描述则在另一个场景模型中进行描述，并且前后两个场景模型形成一种父子关系，对于这种父子关系的形式化描述即是在父场景模型中使用Included scenarios属性进行表示。

Preconditions：表示场景被触发的前置条件或触发原因。

Initializations：表示场景中的事件与事件之间的因果函数的自变量的取值。由上述场景的定义可知场景是通过事件与事件之间的因果关系将各个组件之间发生的事件连接起来的一条可视化的系统执行路径。而这种因果关系的形式化表示就是一些函数，这些函数会通过输入不同的自变量的取值而得到不同的因变量值，这样就可以表示系统的不同执行结果。

Postconditions：表示场景执行后会产生的结果。

Start points：表示场景执行的入口点。因为对于一个CPS系统而言，该系统有多个场景，每个场景在开始执行之前会有执行入口。

End points：表示场景执行的出口点。同Start points一样，复杂系统中存在多个并行的场景，每个场景在执行结束之后会有执行出口。

在步骤101中，先确定CPS系统包括的场景，每个场景对应的运行路径，组件。需要说明的是，在实际应用中，CPS系统内包括的场景的数量可以是一个，也可以是多个，在本发明实施例中，对CPS系统内包括的场景的数量不做具体的限定。

进一步地，当确定每个场景对应的运行路径之后，则从路径的起始点开始，直至运行路径的结束点，确定运行路径上包括的责任点，并且根据责任点在运行路径上的顺序，确定多个责任点发生的因果关系，在本发明实施例中，对运行路径上包括的责任点的数量不做具体地限定。

进一步地，当确定运行路径上包括的责任点之间的因果关系之后，则需要确定责任点与场景内包括的组件之间的关联关系，从而得到CPS系统的UCMs图。在本发明实施例中，组件内存储有待执行的责任点的列表，即组件和CPS系统内包括的全部责任点具有执行和被执行的关系。

举例来说，图5为本发明实施例一提供的温室控制系统结构示意图，图6为本发明实施例一提供的室温控制系统的UCMs示意图。如图5所示，室温控制系统是一个典型的CPS系统，从该系统的详细软件设计说明书中可知，CPS系统是由一个带有窗户的房子，两个Agent，一台加热器以及一台空调构成。根据系统详细设计说明书使用UCMs图画出系统的静态结构以及动态的行为交互信息，如图6所示。

室温控制系统的工作场景十分简单，当Agent1所处位置的温度超过30度时，Agent1会感觉到太热，将打开空调；当Agent1所处位置的温度低于15度时，Agent1会感到太冷，将打开加热器。当Agent2所处位置的温度超过35度时，Agent2会感觉太热，此时若Agent1不感到冷，就打开空调；当Agent2所处位置的温度低于10度，Agent2会感到太冷，此时若Agent1不感到热，就会打开加热器。其他情况下加热器喝空调都是关闭的，且房间的窗户总之打开的。

在步骤102中，当确定CPS系统的UCMs图之后，可根据UCMs图确定CPS系统包括的多种工作场景，在实际应用中，当确定CPS系统包括的多种工作场景之后，需要将通过场景模型中定义的七元组中的各个属性元组的赋值，将UCMs图与相关场景进行绑定。

具体地，从多种工作场景中选择第一工作场景以及第一工作场景对应的第一初始化条件，然后根据该第一初始化条件，遍历在步骤101构成的UCMs图，从而可以得到与第一初始化条件对应的第一工作场景，以及第一工作场景所包括的七元组信息。需要说明的是，在实际应用中，初始化条件即为七元组信息内包括的一项属性，因此，在上述实施例中，只需要确定第一工作场景包括的七元组内的剩余六项属性。

举例来说，步骤101中的实施例中，当确定室温控制系统的UCMs图之后，可以根据室温控制系统的UCMs，确定室温控制系统共有空调和加热器均关闭(Coff&Hoff)，只有空调工作(Con)和只有加热器工作(Hon)三种工作场景，其中每个场景模型的形式化表示如下：

Scenario Coff&Hoff＝<Coff&Hoff_1，null，null，<表1>，null，OpenWindow，null>；

表1 Coff&Hoff场景的Initializations

Scenario Con＝<Con_1，null，null，<表2>，null，null，null>

表2 Con场景的Initializations

Scenario Hon＝<Hon_1，null，null，<表3>，null，null，null>

表3 Hon场景的Initializations

在步骤103中，在CPS系统中由于运行路径包括至少一个与分支，或者至少一个或分支，或者至少一个与分支和一个或分支，因此，在CPS系统内包括的第一工作场景对应的运行路径上，根据与第一工作场景对应的七元组中给出的第一运行路径上的起始点和结束点，从起始点开始采用递归算法遍历UCMs图，在遍历过程中，根据七元组组包括的参数序列信息，确定遍历过程中遇到的与分支和或分支，根据第一运行路径上包括的多个与分支，多个或分支确定与分支和或分支组成的多种组合，然后根据上述组合确定生成第一运行路径上包括的全部交互信息，并根据上述全部交互信息得到第一工作场景的行为交互模型。

举例来说，图7为本发明实施例一提供的只有空调工作场景下的交互模型示意图，在步骤101和步骤102中所提到的室温智能控制系统，这里选择了遍历和提取其在只有空调工作的场景下的系统行为交互信息，其消息序列图表示如图7所示。从图7可知，室温控制系统在该工作场景中的行为过程是：如果Agent1所处位置的温度超过30度时，房间的空调会直接被打开，如果Agent2所处位置的温度超过35度且Agent1所处位置的温度在30度到15度之间时，房间的空调也会被打开。

综上所述，本发明实施例提供一种CPS场景建模方法，该方法使用UCMs图可以画出整个CPS系统的结构和动态行为交互过程，其次，根据七元组对CPS系统所包括的场景进行描述，并将UCMs图与七元组进行关联，最后，通过递归扫描算法提取UCMs图中特定的一个场景在CPS系统中行为交互模型。通过该方法，可以依次对CPS系统所包括的全部场景进行建模，从而解决了现有的CPS系统的建模方式都是对CPS系统特定场景下的系统结构和动态行为进行建模，存在不能对整个系统的所有场景本身建模的问题。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种CPS场景建模装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种CPS场景建模方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图8为本发明实施例提供的一种CPS场景建模装置结构示意图，如图8所示，该装置主要包括第一得到单元801，第二得到单元802和第三得到单元803。

第一得到单元801，用于根据CPS系统包括的至少一个场景的运行路径和组件，确定每条所述运行路径上的责任点，根据每个所述责任点发生的因果关系，确定每个所述责任点与所述组件的关联关系，根据所述责任点与所述组件的关联关系，得到所述CPS系统的UCMs图；

第二得到单元802，用于根据所述UCMs图确定所述CPS系统包括的第一工作场景以及与所述第一工作场景对应的第一初始化条件；根据所述第一初始化条件，遍历所述UCMs图，得到与所述第一初始化条件对应所述第一工作场景以及所述第一工作场景包括的七元组信息；

第三得到单元803，用于将所述七元组信息包括的起始点信息确定为起点，采用递归扫描算法遍历所述UCMs图，得到所述第一工作场景在所述CPS系统中的行为交互模型。

所述第三得到单元803具体用于：

应当理解，以上一种CPS场景建模装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种CPS场景建模装置所实现的功能与上述实施例提供的一种CPS场景建模装置一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种CPS场景建模方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行路径包括至少一个与分支和/或至少一个或分支；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述七元组信息包括：场景的名称，场景是否包括父子关系，场景被触发条件，场景执行后结果，初始化条件，所述起始点和出口点。

4.一种CPS场景建模装置，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述运行路径包括至少一个与分支和/或至少一个或分支；

所述第三得到单元具体用于：

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述七元组信息包括：场景的名称，场景是否包括父子关系，场景被触发条件，场景执行后结果，初始化条件，所述起始点和出口点。