CN110989396B - 一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法及装置，包括以下步骤：1)建立设备模型，并明确各设备与外界的能量端口、物质端口和信息端口；2)将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型；3)将两个或两个以上子系统模型按端口连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型；4)根据控制器与外界环境存在的能量和信息的交互，并明确控制器与外界的能量和信息端口；5)将物理系统模型、控制器模型按照实际连接关系按端口连接在一起，得到整个信息物理融合系统的分层模型。本发明可以广泛应用于信息物理融合系统分析和评价领域。

Description

一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法及装置

技术领域

本发明涉及信息物理融合领域，特别涉及一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法及装置。

背景技术

信息物理融合系统(CPS)是计算与物理过程的统一，控制器及通讯网络监测控制物理过程，而物理世界则反馈、影响计算进程，通过反馈循环实现计算与物理世界的深度融合与实时交互。CPS是虚拟的计算和网络与物理过程在各种不同系统规模和各个系统层次上的紧密集成，其内部各组成部分之间存在复杂的物质、能量和信息的交互。如何描述物理过程与信息网络及其关联关系是对CPS进行分析的基础。对于大型复杂CPS系统，传统的模块化方法或面向对象方法难以同时从宏观和微观等不同规模尺度上对CPS进行分析，特别是其物理、控制、通讯网络之间的关联关系，不能很好的识别CPS内部各组成部分之间物质、能量和信息的交互。

中国发明专利公开说明书CN107390662A公开了一种基于监控对象模型的工业监控方法及装置，其中，方法包括：根据监控对象的属性和行为建立监控对象模型库；根据监控对象模型库进行监控对象模型实例化，并建立监控对象实例库；根据通讯协议和监控对象实例库对监控对象和通讯规约进行绑定，得到网关对象，并建立网关实例库；根据网关实例库中网关对象和监控对象构建监控系统，以对监控对象进行监控。但是，该方法建立监控对象模型的目的是满足开发设计监控系统，其模型主要反映的是设备运行状态属性信息，没有抽象定义设备的端口，并不能描述设备之间、设备与子系统之间能量、物质、信息的交互特性，此外该方法也不能描述设备、子系统、物理系统和控制器之间的分层递进关系。

中国发明专利公开说明书CN103678834A公开了一种信息物理融合系统CPS的建模方法及装置，该方法包括：分析信息物理融合系统CPS的功能需求，获得N个目标功能需求；其中，N为整数；分别建立N个目标功能需求的N个原子服务模型；组合N个原子服务模型,获得组合服务模型，可实现对CPS的建模。但是，该方法目的是验证CPS是否满足设计的功能需求，其建模对象是功能模块，对模块端口的描述特指通讯端口，该建模方法并不能反映CPS中设备、控制器、感知网络的连接关系，特别是设备之间能量、物质的交互以及设备与控制器和网络之间的信息交互。

中国发明专利公开说明书CN 109408984 A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，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。但是，该方法提出的建模方法主要对CPS的交互行为进行建模，其中涉及的责任点与组件的关联关系是指功能上的逻辑关系，并不能反映CPS内部物理设备之间及其控制器、通讯网络的实际连接关系，也不能体现设备之间物质、能量和信息的交互。

中国发明专利公开说明书CN108594768A公开了一种基于子系统注册的工业系统监控画面自动组态方法及装置，其中，方法包括以下步骤：根据拓扑结构固定的子系统建立工业子系统模型；对工业子系统模型进行实例化，以生成工业子系统，并存储到监控系统的数据库中，以注册工业子系统；根据监控系统的注册的工业子系统之间的连接关系和注册子系统内部的包含关系生成监控画面。但是，该方法所述的根据拓扑结构固定的子系统建立工业子系统模型只是设备之间静态的拓扑结构，不能反映设备之间能量、物质、信息的动态交互行为，其拓扑结构的描述方法基于json和xml文件，没有数学定义，无法进行拓扑关系的计算和分析。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法及装置，采用此建模方法，可以将大且复杂的CPS逐层分解，从控制层、物理系统层、子系统层到设备层等不同规模尺度上分析系统内的连接关系，特别是容易理清设备之间、设备与控制器和网络之间能量、物质和信息的交互关系。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，其包括以下步骤：

1)根据实际信息物理融合系统中各设备与外界环境存在的能量、物质和信息的交互，建立设备模型，并明确各设备与外界的能量端口、物质端口和信息端口；

2)根据实际信息物理融合系统中设备之间的连接关系，将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型；

3)根据实际信息物理融合系统中子系统之间的连接关系，将两个或两个以上子系统模型按端口类型连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型；

4)根据控制器与外界环境存在的能量和信息的交互，建立控制器模型，并明确控制器与外界的能量和信息端口；

5)将物理系统模型、控制器模型按照实际连接关系按端口连接在一起，得到整个信息物理融合系统的分层模型。

进一步的，所述步骤2)中，根据实际信息物理融合系统中设备之间的连接关系，将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型的方法，包括以下步骤：

2.1)将两个或两个以上设备按照实际连接关系将其对应的设备模型按端口类型连接在一起形成具有一定功能的子系统，未参与连接的设备端口映射为子系统的对外端口；

2.2)将各子系统内部的设备抽象为网络的节点，设备之间端口的连接抽象为网络的边，得到其对应的网络模型，并采用节点关联矩阵描述子系统内部设备端口的连接关系。

进一步的，所述步骤2.2)中，对于有g个设备和b个端口连接的子系统模型，其关联矩阵Q为：

其中，

进一步的，所述步骤3)中，根据实际信息物理融合系统中子系统之间的连接关系，将两个或两个以上子系统模型按端口类型连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型的方法，包括以下步骤：

3.1)将两个或两个以上子系统按照实际连接关系将其对应的子系统模型按端口类型连接在一起，未参与连接的子系统端口映射为物理系统模型的对外端口；

3.2)将物理系统模型内部的子系统模型抽象为网络的节点，子系统模型之间端口的连接抽象为网络的边，得到其网络模型，并用关联矩阵描述物理系统模型之间端口的连接关系。

本发明的第二个方面，是提供一种信息物理融合系统拓扑关系建模装置，其包括：

设备层模型建立模块，用于明确设备与外界进行能量、物质、信息交换三类端口，并建立相应的设备模型；

子系统层模型建立模块，用于明确子系统内部各设备之间能量、物质、信息端口连接关系，并建立相应的子系统模型；

物理系统层模型建立模块，用于明确物理系统内各子系统之间能量、物质、信息端口的连接关系，并建立相应的物理系统模型；

控制器层模型建立模块，用于明确控制器能量和信息端口，建立控制器模型；

模型综合模块，用于根据物理系统模型和控制器模型端口进行模型综合。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将信息物理融合系统按照设备层、子系统层、物理系统层和控制层分别进行建模，并按照其与外界的物质、能量、信息交互明确各端口，然后根据实际连接关系将物理系统层模型和控制器层进行融合，得到信息物理融合系统的分层模型，实现了从不同规模尺度上分析系统内的连接关系。2、本发明在建立子系统层和物理系统层时，采用节点关联矩阵的方法进行描述，使得对信息物理融合系统拓扑关系的描述更加清晰，特别是可以理清其中物质、能量、信息的传输关系和路径，为开展系统分析和评价提供模型基础。因此，本发明可以广泛应用于信息物理融合领域。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的信息物理融合系统分层建模方法流程图；

图2是本发明实施例中冷水机组设备模型；

图3是本发明实施例中水泵设备模型；

图4是本发明实施例中阀门设备模型；

图5是本发明实施例中冷却塔设备模型；

图6是本发明实施例中冷冻水子系统模型；

图7是本发明实施例中冷冻水网络；

图8是本发明实施例中冷却水子系统模型；

图9是本发明实施例中冷却水网络；

图10是本发明实施例中制冷物理系统连接关系；

图11是本发明实施例中制冷物理系统对外端口；

图12是本发明实施例中制冷物理系统网络；

图13是本发明实施例中控制器模型；

图14是本发明实施例中制冷物理系统模型；

图15是本发明实施例中制冷及控制模型综合；

图16是本发明实施例中制冷及控制网络。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，包括以下步骤：

1)建立设备层模型：根据实际信息物理融合系统中各设备与外界环境存在的能量、物质和信息的交互，建立设备模型，并明确各设备与外界的能量端口、物质端口和信息端口。其中，设备模型的能量端口、物质端口和信息端口是设备与外界分别进行物质、能量或信息交换的抽象描述，是对设备物质输入输出端口、能量输入输出端口和信息端口的描述或约定。

2)建立子系统层模型：根据实际信息物理融合系统中设备之间的连接关系，将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型。

具体的，包括以下步骤：

2.1)将两个或两个以上设备按照实际连接关系将其对应的设备模型按端口类型连接在一起形成具有一定功能的子系统，未参与连接的设备端口映射为子系统的对外端口。其中，对外端口是子系统作为整体与外界进行物质、能量或信息交换的抽象描述，具体是对子系统物质输入输出端口、能量输入输出端口和信息端口的描述或约定。

2.2)将各子系统内部的设备抽象为网络的节点，设备之间端口的连接抽象为网络的边，采用节点关联矩阵描述子系统内部设备端口的连接关系，对于有g个设备和b个端口连接的子系统，其关联矩阵Q为：

其中，

3)建立物理系统层模型：根据实际信息物理融合系统中子系统之间的连接关系，将两个或两个以上子系统模型按端口类型连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型。

具体的，包括以下步骤：

3.1)将两个或两个以上子系统按照实际连接关系将其对应的子系统模型按端口类型连接在一起，未参与连接的子系统端口映射为物理系统模型的对外端口。其中，物理系统的对外端口是物理系统作为整体与外界进行物质、能量或信息交换的抽象描述，具体是对物理系统物质输入输出端口、能量输入输出端口和信息端口的描述或约定。

3.2)将物理系统模型内部的子系统模型抽象为网络的节点，子系统模型之间端口的连接抽象为网络的边，同样用关联矩阵描述子系统模型之间端口的连接关系。

4)建立控制器层模型：根据控制器与外界环境存在的能量和信息的交互，明确控制器与外界的能量和信息端口，这些端口是控制器与外界进行能量或信息交换的抽象描述，是对控制器能量输入输出端口和信息端口的描述或约定。

5)模型综合：将物理系统模型、控制器模型按照实际连接关系按端口连接在一起，进而得到整个信息物理融合系统的分层模型，能够逐层对CPS进行分解，在不同层级上对其组成及关联关系进行分析，特别是可以掌握各组成部分之间的物质、能量、信息的交互和流动，便于开展系统分析。

基于上述信息物理融合系统拓扑关系建模方法，本发明还提供一种信息物理融合系统分层建模装置，包括：设备层模型建立模块，用于明确设备与外界进行能量、物质、信息交换等三类端口，并建立相应的设备模型；子系统层模型建立模块，用于明确子系统内部设备之间能量、物质、信息端口连接关系，并建立相应的子系统模型；物理系统层模型建立模块，用于明确物理系统内各子系统之间能量、物质、信息端口的连接关系，并建立相应的物理系统模型；控制器层模型建立模块，用于明确控制器能量和信息端口，建立控制器模型；模型综合模块，用于根据物理系统层模型和控制器层模型端口进行模型综合。

下面以空调系统制冷站及控制系统对本发明的具体实施方式进行描述，包括以下步骤：

1)建立设备模型，包括冷水机组设备模型、水泵设备模型、阀门设备模型、冷却塔设备模型。

如图2所示，为建立的冷水机组设备模型，该模型的外部物质端口包括冷冻水进出口、冷却水进出口，能量端口是电源端口，信息端口是对冷机进行控制和获取冷机状态信息的端口，端口描述如表1所示，类似的可以对其它设备的端口进行描述。

表1冷水机组供电端口

如图3所示，为建立的水泵设备模型，该模型的外部物质端口包括进出水端口，能量端口是电源端口，信息端口是对水泵进行控制以及采集水泵状态的端口。

如图4所示，为建立的阀门设备模型，该模型的外部物质端口包括进出水端口，能量端口是电源端口，信息端口是对阀门进行控制以及采集阀门状态的端口。

如图5所示，为建立的冷却塔设备模型，该模型的外部物质端口是进出水端口，能量端口是电源端口，信息端口是对冷却塔风扇进行控制以及采集冷却塔状态的端口。

2)如图6所示，建立冷冻水子系统模型，将阀门设备模型、水泵设备模型按照能量、物质端口连接，组成冷冻水子系统模型，图中，实线表示端口的连接，虚线代表设备端口映射到冷冻水子系统模型的外部端口。

如图7所示，建立的冷却水子系统模型内部有2个设备，存在1个端口连接，对应的网络模型，令q1、q2分别代表水泵和阀门，e1表示q2指向q1的边，其关联矩阵是一个向量：

3)如图8所示，建立冷却水子系统模型：将阀门设备模型、水泵设备模型、冷却塔设备模型按照能量、物质端口连接，组成冷却水子系统模型。

如图9所示，该冷却水子系统模型对应的网络模型内部有3个设备，存在2个端口连接，假设q1～q3分别代表冷却塔、水泵和电动水阀，网络边e1,e2的方向与图7的连接方向一致，则其关联矩阵为：

4)如图10所示，建立物理系统模型，将冷冻水子系统模型、冷却水子系统模型和冷水机组模型按照端口连接在一起，组成物理系统模型。

如图11所示，对建立的物理系统模型进行简化，即只考虑各子系统的外部端口，得到简化的物理系统模型。

如图12所示，根据物理系统模型的简化模型得到对应的网络模型，其中，q1代表冷冻水子系统模型，q2代表冷却水子系统模型，q3代表冷水机组，则其关联矩阵为：

5)如图13所示，建立控制器模型，其外部能量端口是电源端口，信息端口是控制器发送控制命令，获取设备状态的信息端口。

6)如图14所示，不考虑物理系统模型内部的组成，则可以得到物理系统外部端口。

如图15所示，将物理系统模型、控制器模型按照实际连接关系将端口连接在一起，不考虑物理系统模型内部各部件的连接关系，从而建立起空调系统制冷站信息物理融合系统分层模型。

如图16所示，为物理系统模型对应的网络模型，对应的关联矩阵为

据此，通过Q₁～Q₄可以描述整个制冷系统和控制器的连接关系及物质、能量、信息的流动和交互方式。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据实际信息物理融合系统中各设备与外界环境存在的能量、物质和信息的交互，建立设备模型，并明确各设备与外界的能量端口、物质端口和信息端口；

2)根据实际信息物理融合系统中设备之间的连接关系，将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型；

3)根据实际信息物理融合系统中子系统之间的连接关系，将两个或两个以上子系统模型按端口类型连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型；

4)根据控制器与外界环境存在的能量和信息的交互，建立控制器模型，并明确控制器与外界的能量和信息端口；

5)将物理系统模型、控制器模型按照实际连接关系按端口连接在一起，得到整个信息物理融合系统的分层模型。

2.如权利要求1所述的一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，其特征在于：所述步骤2)中，根据实际信息物理融合系统中设备之间的连接关系，将两个或两个以上设备模型根据端口连接在一起形成具有相应功能的子系统模型，并根据子系统模型得到其网络模型的方法，包括以下步骤：

2.1)将两个或两个以上设备按照实际连接关系将其对应的设备模型按端口类型连接在一起形成具有一定功能的子系统，未参与连接的设备端口映射为子系统的对外端口；

2.2)将各子系统内部的设备抽象为网络的节点，设备之间端口的连接抽象为网络的边，得到其对应的网络模型，并采用节点关联矩阵描述子系统内部设备端口的连接关系。

3.如权利要求2所述的一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，对于有g个设备和b个端口连接的子系统模型，其关联矩阵Q为：

其中，

4.如权利要求1所述的一种信息物理融合系统拓扑关系建模方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据实际信息物理融合系统中子系统之间的连接关系，将两个或两个以上子系统模型按端口类型连接在一起形成具有相应功能的物理系统模型，并根据物理系统模型得到其网络模型的方法，包括以下步骤：

3.1)将两个或两个以上子系统按照实际连接关系将其对应的子系统模型按端口类型连接在一起，未参与连接的子系统端口映射为物理系统模型的对外端口；

3.2)将物理系统模型内部的子系统模型抽象为网络的节点，子系统模型之间端口的连接抽象为网络的边，得到其网络模型，并用关联矩阵描述物理系统模型之间端口的连接关系。

5.一种适用于如权利要求1～4任一项所述方法的信息物理融合系统拓扑关系建模装置，其特征在于：其包括：

设备层模型建立模块，用于明确设备与外界进行能量、物质、信息交换三类端口，并建立相应的设备模型；

子系统层模型建立模块，用于明确子系统内部各设备之间能量、物质、信息端口连接关系，并建立相应的子系统模型；

物理系统层模型建立模块，用于明确物理系统内各子系统之间能量、物质、信息端口的连接关系，并建立相应的物理系统模型；

控制器层模型建立模块，用于明确控制器能量和信息端口，建立控制器模型；

模型综合模块，用于根据物理系统模型和控制器模型端口进行模型综合。

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