赛博物理系统工程建模与仿真——赛博物理系统的复杂性挑战支持智能、适应和自主的建模与仿真的应用_[美]SaurabhMittal， [美]AndreasTolk主编，高星海译_9787512436084

本书面向赛博物理系统(CPS)的智能、自主和适应的复杂性特征,聚焦建模与仿真(M&S)技术在基于模型的工程、基于仿真的工程等方面的研究成果,广泛汇编并综述近年来国际上多个政府组织、研究团体的相应的文献和验证项目,面对被广为关注的智慧城市、自主驾驶、复杂防务体系等多个应用领域,详细阐述 CPS工程中 M&S技术的领先应用模式;同时,就普适性解决方案中共享的概念,如 CPS统一本体架构、自主系统协同仿真框架、自主系统架构、复杂系统强韧性测度以及社会系统演进等,提出了卓有建树的开放性研究思路和探索方向,从而激发读者对 M&S的研究兴趣,并将其应用于CPS工程的技术与管理流程中,使本书成为基于模型的系统工程(MBSE)中应用先进 M&S 技术和方法的一站式参考,从而为工程领域提供领先的设计和评估能力发挥重要的作用。

本书适合从事复杂组织体系和先进工程系统开发方法研究的学者,以及系统架构师、系统工程师等从业者阅读;可作为系统工程大学教育中复杂系统设计分析的专业课程的教材,也可作为其他专业课程扩展领域的参考书,如针对计算机科学的人工智能和赛博安全、电子工程和控制工程的嵌入式实时系统、机械工程的现场制造系统等。

译者序

直到近几十年,科学和哲学领域才将我们所观察到的自然和工程系统所呈现的复杂性归结为涌现性,这一特征并非由系统组成直接创建,而通常表现在系统行为的宏观层面由相互作用的组件所产生。到了今天,人们普遍认为基于模型的范式是未来我们应对系统复杂性演进的为关键的方式,当然也是系统工程中为突出的发展方向。

首先,从开发方法论的视角来看,基于模型的系统工程(MBSE)转型实质上是持续地转移到由模型的连续性、追溯性所支持的系统开发流程,当提及模型时,我们通常指的是可执行的仿真模型。因此,先进的建模与仿真(M&S)技术和方法成为驱动系统工程方法运作的核心机制。其次,从系统演进的视角来看,我们将赛博物理系统(CPS)定义为由通信、计算和控制主导物理行为的系统,CPS代表先进的系统混合形式,其中 M&S技术的应用将涉及系统的概念、规范和运行等多个层级采用形式化方法表达基本概念(如结构、状态、事件、并发等)及其关系,将真实世界中所研究的系统(问题) 表达为模型,通过仿真引擎执行各种仿真指令来验证系统行为和功能的实现。综合上述两个视角,CPS概念与 M&S技术的结合,在 MBSE 的大背景下将引发 CPS工程建模与仿真的应用热潮,这也将成为复杂自适应系统(CAS)工程、软件密集型系统(SIS) 工程、体系(系统之系统,SoS)工程、网络系统(NS)工程、实时嵌入式系统(RTES)工程以及其他更多具有相似特征工程的共同范式。

本书为 Wiley出版的复杂系统与复杂组织系列丛书之一。该丛书是 Wiley已出版30余年的系统工程和管理系列丛书的姊妹篇。后者相继出版了50多部,侧重于传统的系统工程主题;而前者在近5年来已出版8部,特别针对工程和组织系统中出现的各种复杂行为与社会现象,立足于系统科学和系统工程的核心基础方面的快速发展, 寻求系统性和权威性的诠释和阐明,同时也更加关注社会和工程领域所面临的日益复杂的挑战从技术、人员到组织的互联水平和演进速度的持续提高。因此,当今我们解决系统问题的方法需要建立在跨学科的基础之上,由此理解、分析并综合各种解决方案,而成功的跨学科研究取决于有关概念、原理、模型、方法和工具等广泛知识的获得和应用,复杂系统与复杂组织系列丛书的编撰正在为系统科学和系统工程的发展提供更多的视角。

本书面向赛博物理系统(CPS)的智能、自主和适应的复杂性特征,聚焦建模与仿真 (M&S)技术在基于模型的工程、基于仿真的工程等方面的研究成果,广泛汇编并综述近年来国际上多个政府组织、研究团体相应的文献和验证项目,面对广为关注的智能城市、自主驾驶、复杂防务体系等多个应用领域,详细阐述 CPS工程中 M&S技术的领先应用模式;同时就普适性解决方案中共享的概念,如:CPS统一本体架构、自主系统协同仿真框架、自主系统架构、复杂系统强韧性测度、社会系统演进等,提出了卓有建树的开放性研究思路和探索方向,从而激发读者对 M&S的研究兴趣,并将其应用于 CPS 工程的技术与管理流程中,使本书成为基于模型的系统工程(MBSE)中应用先进 M&S 技术和方法的一站式参考。

本书将 CPS工程的复杂性归于系统微观组成的动态时空交互过程,借助 M&S技术的支持来达到 CPS基于行为的认知和实现的目标。因此,本书特别适于那些期望创造全新系统解决方案、探索系统工程数字转型方向以及掌握未来系统工程应用范式的研究者、实践者和学习者。书中呈现的内容集中反映了当前系统工程理论和方法的发展趋势,涉及众多的理论和实践方面的知识,鉴于译者本人专业领域知识所限,难免有不妥或偏颇之处, 恳请读者批评指正。

在本书翻译过程中,段世安承担了大量翻译稿的整理工作,在此对他的辛勤工作表示感谢。

译者 2021年8月于北航

序言

赛博物理系统(CPS)的各种定义均聚焦于其中的计算组件和物理组件以及集成的传感器、网络和动力等,但我们常常忽略了 CPS将会显著地改变我们了解各种系统和环境的方式。CPS无处不在:汽车自动泊车系统识别路标并做出相应的反应,掌握与其他汽车的车距并确保合适的距离等;新型的医疗设备系列,从外科手术辅助装置到智能假体;智能家居观察人们的适宜状况并相应地控制空调,把握人们回家的时间,准备好饭菜,并在交通阻塞的状况下对饭菜进行保温;家居只是智能城市的一部分,传感器还将掌握交通拥堵状况并自动进行交通分流,重新调整交通信号灯并将信息传递给智能汽车;应急及军事人员已经习惯人赛博团队中的 CPS同事,CPS能够评估那些对于人类团队伙伴过于危险或难以到达的区域。然而,所有这些支持都需要付出代价,即系统变得越来越复杂! 我们如何管理或管控这些智能、自主和适应的系统呢? 我们又如何利用机会来规避消极的后果呢?

曾经我们经历了类似的巨大变化,Internet改变了我们检索和获取信息的观念,现在,同样众多的 CPS也在使用Internet收集和改变信息,它同样也需要付出代价。在 Internet时代之前,许多复杂的系统都同时具有软件和硬件组件,但由于未接入网络, 因此它们免受网络攻击。然而,由于 CPS的组件具有跨越不同网络(拥有 CPS组织的内部和外部)的连接能力,因此出现了新的挑战,这些挑战包括网络安全、控制、测试、连接程度、连续的警戒和持续的运行、自主程度、基于智能的行为、强韧性以及对社会经济结构的影响。

正像当前许多出版文献所论述的,CPS和物联网(IoT)可互换使用,但是两者之间却存在着一些微妙的差别。我们将 CPS理解为IoT 在特定领域的某种形式,因此它们的区别在于规模、社会影响和效应传播等方面。CPS主要聚焦于特定领域,例如航空、医疗、军事、防务和制造等。由于特定领域的本质特性,可在运行技术(OT)和信息技术 (IT)层面针对 CPS进行更详细的研究。然而,由此带来的弊端是,CPS既不能在特定领域中分享对其的理解,也不能从其他领域对 CPS的理解中受益。与领域无关的公共理论将对其有所帮助,由此可产生在特定领域中共同的解决方案,我们将讨论一些存在的可选方法,但支持这一思想的共同的形式化方法迄今为止尚未被广泛接受。建模和仿真(M&S)技术已成为一种可在虚拟环境中研究 CPS各种挑战的机制。尽管仿真活动包含建模活动,但基于模型的工程(MBE)和基于仿真的工程是两种截然不同的活动。模型是系统的抽象表达,并在可能的在线环境(人使用实际的系统)、虚拟环境(人使用仿真的系统)或构造性环境(仿真的人和系统)中进行评估。仿真基础架构确保为模型系统提供正确的功能评估环境,而这些功能实质上是需要测试和评估的系统功能。

我们从2017年秋季开始这方面的研究工作,在研究 CPS支持的混合仿真所面临的挑战时,获得了 MITER公司内部的部分经费支持,在此表示感谢。同时,我们也拨出了一些经费,请专家们参与小组讨论。这些专家来自不同的领域,他们使用 M&S方法来应对 CPS的挑战并共同开展 CPS工程的研究工作。有趣的是,这扩展出了一些合作,因为我们在应对挑战和寻找解决方案时找到了相同之处,终使得本书诞生。本书力图将我们的研究用于 CPS工程中 M&S技术的应用中。书中主题共涉及五部分:简介、支持CPS工程的建模技术、基于仿真的CPS工程、赛博元素以及发展方向。

部分包括第1~3章,其中,第1章介绍在 CPS工程中 M&S技术应用的相关复杂性;Castro等在第2 章中详细描述智能 CPS 在运行和设计中的挑战;第 3 章由 Mazal等撰写,在北大西洋公约组织(NATO)涉及的自主系统背景下研究 M&S。第二部分包括第4~7章,其中,Traoré撰写的第4章涉及非常复杂的系统分析的多角度建模和整体仿真;Barros在第 5 章介绍了 CPS 层级化的协同仿真的统一框架;随后, Markina-Khusid等在第6章进行了基于模型的系统工程权衡分析;第7章由 Mittal等撰写,研究了更大形式的 CPS,即物联网(IoT),以及与开发风险评估框架相关的复杂性。第三部分包括第8~10章,其中,Castro等在第8章介绍仿真模型连续体,用以支持 CPS中嵌入式控制器的有效开发;Henares等在第9章提出了 CPS设计方法论预测慢性疾病症状,介绍从概念到云部署再到执行的 CPS工程的整个生命周期方法论,这是另一个实际应用;Bhadani等在第10章将基于模型的工程应用于 CPS中的自主性主题。第四部分包括第11~13章,其中,Furness撰写的第11章涉及确保 CPS安全的各种观点;Haque等在第12章对此提供支持,介绍关于 CPS强韧性的内容,并讨论强韧性系统工程的框架、复杂性和未来方向;Suarez和 Demerath在第13章讨论使用 CPS 创建社会结构。第五部分包括第14章,提供针对 CPS工程中 M&S应用复杂性的研究议程。

编撰本书是一次有益的经历,给我们提供了大量的学习和发现机会。我们邀请你一同分享 CPS工程中令人振奋的旅程,为各个层级的提升提供大量的机会。CPS 将塑造我们的生活:观测老年人的平静生活,检查我们自己的健康,观察和优化我们的生产系统以及其他更多的情况。正如我们的孩子那样,为了家庭作业或学业项目,很难想象在互联网和谷歌出现之前如何寻找感兴趣的相关信息;新生一代可能再也无法想象我们要经常练习路边侧位平行停车,或者每天只能投送一次包裹的场景。我们希望通过本书能为未来有效地开发 CPS解决方案做出贡献,并希望为学者和研究人员带来一些新颖的观念。

SaurabhMittal博士 MITRE公司美国俄亥俄州费尔伯恩

AndreasTolk博士 MITRE公司美国弗吉尼亚州汉普顿

前言

关于赛博物理系统的发展,出现了一些重要的全球化趋势。在全球范围内,正在寻求重大技术驱动的进步,以适应日益提高的赛博物理系统的性能、安全性和保密性,同时实现低成本的设计、开发和运行的效能。这些趋势包括:

? 在物理系统(包括自主系统)的更高层级的自动化方面进行大量投资。

? 越来越多地将人工智能(AI)应用于物理系统的研究和早期应用,包括解决可靠的 AI问题,以确保 AI软件设计和开发的高度可靠性。

? 由建模和仿真研究团体开发先进的静态和动态分析工具,由此产生的基于模型的系统工程(MBSE)分析工具和方法,解决了与高度集成的体系架构日益复杂有关的问题。

? 开发赛博攻击强韧系统架构,以响应由实时检测的赛博攻击所造成的功能失效,从而使其恢复到可接受的系统运行状态。

这些举措使系统设计的复杂性与日俱增,在设计新的或大幅升级的系统时,需要解决相应的风险问题,这些风险包括:

? 赛博攻击,包括供应链和内部攻击,会直接影响物理系统的应用层,在的情况下,有可能导致操作人员或用户受伤或致命。

? 由系统设计中未发现的缺陷而导致的相关安全事件。

? 异常情况下,与人机角色相关的不确定性而导致的操作人员失误。

但是,令人担忧的风险也许是公认的工程师和科学家的短缺,虽然他们为这些新技术和工具的开发做出了贡献,但由于缺少合适的人员,在开发和评估新的赛博物理系统设计时,无法有效地使用那些提高效率的分析工具。本书通过提供合理组织的精选的文献来帮助读者解决上述问题,针对复杂赛博物理系统的设计和开发,共同为读者提供技术的综合观点。通过整合不同的文献,本书可作为大学教育课程的补充,倾向于将以上研究主题转化为不同系别的课程,例如,针对机械工程的物理系统、计算机科学的人工智能和赛博安全、系统工程的复杂系统设计分析等。因此,我相信在正规教育和先前经验的基础上,针对赛博物理系统所倡导的方向,此类书籍将为工程师获得强大的设计和评估能力发挥巨大的作用。

对于那些有志于参与这种全球化趋势并对此做出贡献的工程师和科学家,我强烈建议阅读本书,以提高赛博物理系统的自动化水平!

BarryMartinHorowitz

美国国家工程院院士

弗吉尼亚大学系统与信息工程教授

MITRE公司前首席执行官

弗吉尼亚州前网络安全专员 2019年3月

编者

2020年6月19日

主编简介

SaurabhMittal是 MITER公司(位于俄亥俄州费尔博恩)仿真、实验和博弈部门的首席科学家,国际建模与仿真学会(SCS)(位于加利福尼亚州圣地亚哥)副主席、董事会成员;拥有亚利桑那大学图森分校电子和计算机工程博士学位和硕士学位,并在系统和工业工程以及管理和信息系统领域获得两个辅修学位;与他人合作发表100多篇文献, 包括书籍章节、期刊论文和会议论文,其中有3本书涉及复杂系统、体系(系统之系统)、复杂自适应系统、涌现行为、建模和仿真(M&S)以及跨多学科的基于 M&S的系统工程;曾在许多国际会议计划/技术委员会任职,是著名学术期刊的推荐人,并在 SCS Transactions、《防务 M&S》杂志和《复杂组织体架构(EA)知识体》的编辑委员会任职; 曾获美国亚利桑那大学的卓越领导奖、美国国防部的民间合同方奖金鹰奖, 以及SCS的杰出服务和专业贡献奖。

AndreasTolk是 MITER公司(位于弗吉尼亚州汉普顿)的高级管理人员,是弗吉尼亚州诺福克市 OldDominion大学的兼职教授;拥有德国联邦武装大学计算机科学博士学位和理学硕士学位;研究兴趣包括计算和认识论的基础、M&S的约束以及计算科学中构成基于模型的解决方案的数学基础;发表了250多篇同行评审的期刊论文、书籍章节和会议论文,并编辑了10部有关 M&S以及系统工程主题的教科书和纲要;是建模与仿真学会的会员、IEEE和计算机协会的高级会员。

译者简介

高星海，研究员，北京航空航天大学无人系统研究院系统架构首席，国际系统工程委员会（INCOSE）认证系统工程师（CSEP）。曾任中国航空工业集团公司信息技术中心常务副主任，金航数码科技有限责任公司总工程师，航空工业集团公司系统工程推进办公室副主任等。多年来，面向高端装备领域复杂系统的创新开发和管理，大力推进基于模型的系统工程，组织建立全球认可的系统工程培训和认证体系，目前培训人员超过1500人，300多人获得国际系统工程师认证。曾主持两化深度融合创新体验中心建设和运营，建立国内领先的系统工程技术服务团队。曾出版译著《基于模型的系统工程有效方法》。作为主要创造人之一参加的大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设项目，获2018年全国企业管理现代化创新成果一等奖。

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