一種離散連續(xù)混成的時空事件驅(qū)動的CPS體系架構(gòu)

趙紅專，孫棣華，程森林，趙　敏

(1. 信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶 400044)

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一種離散連續(xù)混成的時空事件驅(qū)動的CPS體系架構(gòu)

趙紅專1,2，孫棣華1,2，程森林1,2，趙敏1,2

(1. 信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶 400044)

為描述信息物理融合系統(tǒng)(cyber-physical system, CPS)中離散信息系統(tǒng)和連續(xù)物理系統(tǒng)交互融合的混成特性，基于混成自動機(jī)理論，結(jié)合多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)和時空事件驅(qū)動方法，提出一種CPS體系架構(gòu). 該架構(gòu)用改進(jìn)的混成自動機(jī)理論刻畫了離散空間和連續(xù)狀態(tài)混成的CPS體系架構(gòu)的主體，同時定義了基于時空事件的CPS事件，設(shè)計了基于MAS的CPS端，并運(yùn)用定義不同功能的CPS端和CPS事件驅(qū)動機(jī)制解析了CPS體系架構(gòu)內(nèi)部信息物理交互反饋過程. 最后以車速調(diào)控系統(tǒng)為例，采用提出的CPS體系架構(gòu)分析了協(xié)同駕駛過程中單一車輛內(nèi)部速度調(diào)控的信息物理融合過程，并對其進(jìn)行了形式化描述, 實(shí)例的形式化過程表明提出的體系架構(gòu)的有效性. 構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)為刻畫CPS的本質(zhì)特征提供了新的方法.

信息物理融合系統(tǒng)；體系架構(gòu)；混成自動機(jī)理論；多智能體系統(tǒng)；時空事件

CPS具有對信息世界和物理世界全新的理解方式和對系統(tǒng)設(shè)計的全新思想，一經(jīng)提出就受到各國以及學(xué)術(shù)界的高度重視[1-3]. CPS是在時空事件驅(qū)動機(jī)制下并通過離散信息作用的連續(xù)物理演化過程，因此，CPS的本質(zhì)特征在于其離散的信息系統(tǒng)和連續(xù)的物理系統(tǒng)交互融合，具有典型的時空混成特性[4-6]. CPS的時空混成特性具體體現(xiàn)在計算實(shí)體和物理實(shí)體在空間及時間上的相關(guān)性，通過時間和空間位置來確定事件執(zhí)行順序、確保系統(tǒng)狀態(tài)和行為的正確性. 因此，CPS的系統(tǒng)體系架構(gòu)及其內(nèi)部融合機(jī)理是影響CPS實(shí)用性與效率的關(guān)鍵因素之一，對此展開探索有助于深入理解CPS思想和利用CPS解決實(shí)際應(yīng)用中具有CPS典型特征的問題[7-9].

現(xiàn)有CPS體系架構(gòu)的研究主要集中在對已有嵌入式系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和拓展，通過分層并刻畫各層的特征和結(jié)構(gòu)來具體描述CPS體系架構(gòu). 如文獻(xiàn)[10]基于網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)分層設(shè)計了CPS體系架構(gòu)，每層進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對架構(gòu)的整體特性刻畫不夠；文獻(xiàn)[11]從嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的角度提出了一種CPS體系結(jié)構(gòu)原型，該體系結(jié)構(gòu)原型滿足CPS的幾個本質(zhì)特征要求，如：及時性、分布性、可靠性、容錯性、安全性、可擴(kuò)展性和自治性，但未用具體的案例分析體現(xiàn)原型系統(tǒng)的特征；文獻(xiàn)[12]通過分析智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system，ITS)與CPS的現(xiàn)狀，并結(jié)合交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了交通信息物理融合系統(tǒng)(transportation cyber-physical system，T-CPS)基本架構(gòu)，詮釋了T-CPS各層次的功能及特點(diǎn)，討論了T-CPS的若干關(guān)鍵技術(shù)，但機(jī)理分析欠深入. 文獻(xiàn)[13]中提出了信息物理網(wǎng)(cyber-physical internet, CPI)的概念，并在原來計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)5層體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了CPS層. 此外，也有從管理和服務(wù)的角度對CPS體系架構(gòu)的研究， 如文獻(xiàn)[14]從交通事故管理的角度提出了一種CPS感知控制結(jié)構(gòu)，但未涉及CPS混成特性；文獻(xiàn)[15]提出了一種基于服務(wù)CPS體系架構(gòu)，融合了計算和物理進(jìn)程，但未涉及其時空特性. 隨著對CPS混成特性的不斷重視，現(xiàn)有涉及CPS混成特性的研究多集中在具體應(yīng)用系統(tǒng)混成特性的形式化描述，未對CPS體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)歸納和抽象[16]. 通過對研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對CPS體系架構(gòu)的研究還處于探索階段，尚未形成統(tǒng)一的CPS體系架構(gòu)，特別是難以體現(xiàn)CPS典型的時空混成特性. 為此，本文以CPS中離散信息系統(tǒng)和連續(xù)物理系統(tǒng)的混成特性為切入點(diǎn)，通過解析CPS混成特性和時空特性，形成新的基于混成自動機(jī)的離散空間和連續(xù)狀態(tài)混成的時空事件驅(qū)動的CPS體系架構(gòu).

1　CPS體系架構(gòu)的設(shè)計

1.1CPS本質(zhì)特征

CPS是信息世界和物理世界高度融合的系統(tǒng). 美國自然科學(xué)基金[1]、Sztipanovits J[4]、 Edward Lee[17]、溫景容[8]、周興社[18]以及朱敏[19]等描述了CPS系統(tǒng)并總結(jié)了CPS系統(tǒng)的本質(zhì)特征. 通過歸納，CPS本質(zhì)特征主要表現(xiàn)在：1)信息處理進(jìn)程與物理控制進(jìn)程緊密結(jié)合，地位平等；2)CPS體現(xiàn)為多尺度，高可靠性；3)CPS是一種分析系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理來解決問題的新思想；4)CPS是典型的時空系統(tǒng)；5)CPS是基于時空事件觸發(fā)的分布式系統(tǒng)；6)CPS具備動態(tài)重組、重配置和自治特性；7)CPS是高安全和低時延系統(tǒng)；8)CPS能夠統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)內(nèi)部異質(zhì)元素，是分析典型信息物理系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制的有效方法.

1.2CPS體系架構(gòu)

現(xiàn)有極具代表性的研究，如Edward Lee等[17]基于嵌入式系統(tǒng)理論定義了CPS，利用嵌入式計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進(jìn)行監(jiān)測和控制，并通過反饋實(shí)現(xiàn)計算和物理過程的相互影響；Liu Sha等[20]基于實(shí)時同步系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)，闡述了CPS在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)過程中面臨的一些挑戰(zhàn)以及引言中闡述的基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、管理和服務(wù)等角度研究CPS體系架構(gòu).

然而，CPS是通過離散信息空間的信息因素來影響物理空間的連續(xù)過程，在有效處理信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)過交互反饋實(shí)現(xiàn)深度融合，進(jìn)而可有效控制物理對象，最終提供高效服務(wù). 因此，文章針對CPS的本質(zhì)特征，從CPS時空混成特性以及時空動態(tài)演化的角度，借鑒混成自動機(jī)模型來描述CPS的離散與連續(xù)的混成特性，采用時空事件描述方法刻畫CPS時空事件，同時，參考MAS的智能自治性和協(xié)調(diào)交互性來設(shè)計CPS端結(jié)構(gòu). 將三者有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而可以形成一種新的面向離散和連續(xù)混成的CPS體系架構(gòu).

1.2.1 CPS體系架構(gòu)的混成特性描述

混成自動機(jī)模型(hybrid automation model, HAM)是一種針對離散狀態(tài)和連續(xù)變化混合系統(tǒng)的形式化描述. 混成自動機(jī)是在時間自動機(jī)的基礎(chǔ)上，增加隨時間連續(xù)變化的變量，并通過微分方程描述這些變量的連續(xù)動態(tài)行為. 混成自動機(jī)模型作為混合系統(tǒng)形式化描述和算法分析框架，對強(qiáng)時空特性的混合系統(tǒng)建模和體系架構(gòu)設(shè)計具有參考價值[21-22].

因此，可以將CPS離散性和連續(xù)性統(tǒng)一在混成自動機(jī)抽象模型中，借鑒混成自動機(jī)模型將描述連續(xù)動態(tài)行為的微分方程嵌入到傳統(tǒng)的離散狀態(tài)機(jī)模型中，從而使自動機(jī)模型具有了描述連續(xù)行為能力.

為構(gòu)建CPS體系架構(gòu)的主體，首先定義一個七元組(L,C,X,W,E,Ainv, Aact) ，表達(dá)式為

基于混成自動機(jī)模型構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)中，用混成自動機(jī)的離散狀態(tài)體現(xiàn)CPS的離散特征，CPS每一個離散狀態(tài)有一個使其保持在這個離散狀態(tài)的關(guān)聯(lián)不變式，通過有向邊結(jié)構(gòu)表示離散狀態(tài)之間的遷移關(guān)系. 利用防衛(wèi)條件和重置條件標(biāo)記每條邊的連續(xù)狀態(tài)，防衛(wèi)條件也稱為遷移條件，重置條件是在遷移發(fā)生后，觸發(fā)條件重置，為下一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換提供限制條件. 當(dāng)滿足防衛(wèi)條件和重置條件時，實(shí)現(xiàn)離散的狀態(tài)遷移. 基于混成自動機(jī)模型的CPS狀態(tài)為一個二元偶，即

其中： q為離散狀態(tài)，x 為連續(xù)變量，q∈Q，q滿足Ainv(q).

設(shè)基于混成自動機(jī)的CPS的兩個轉(zhuǎn)換狀態(tài)為Si=F(qi,xi)，Sj=F(qj,xj)，如果存在狀態(tài)遷移e∈E:qi→q，并且xi,xj的取值滿足e上的防衛(wèi)條件和重置條件，這個遷移(Si,Sj) 稱為一個跳轉(zhuǎn)，Sj為Si的跳轉(zhuǎn)后繼. 這個過程可以描述CPS信息空間與物理空間的交互過程.

1.2.2基于MAS的CPS端結(jié)構(gòu)設(shè)計

MAS由不同的單個Agent為完成某一特定任務(wù)組成的集合. 單個Agent要對周圍環(huán)境狀況作出實(shí)時、準(zhǔn)確的響應(yīng)，同時能處理與其他Agent的沖突，或者與其他Agent協(xié)調(diào)處理沖突、規(guī)劃行為并最終作出決策. Agent通過傳感器感知環(huán)境，通過執(zhí)行動作實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)來影響環(huán)境[23]. MAS的自組織能力和智能協(xié)調(diào)能力為CPS端的設(shè)計提供了設(shè)計思路

將CPS信息基元和物理基元智能融合后得出決策的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部信息的感知和執(zhí)行結(jié)果反饋的端口，稱為CPS端. CPS端按功能需求，或完成信息轉(zhuǎn)換，或完成能量轉(zhuǎn)換. 因此，CPS端是CPS不可或缺的部分. 基于MAS和CPS端的功能特性，設(shè)計的CPS端Dclient可以描述為

其中：CID為區(qū)分不同的功能的CPS端的ID；F為描述單一CPS端自身功能的函數(shù)；S為單一CPS端在完成任務(wù)和實(shí)時交互過程中的實(shí)時狀態(tài)集；T為單一CPS端的自身任務(wù)集；O為單一CPS端需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)集；P為單一CPS端為完成任務(wù)應(yīng)采取的策略集；A為完成任務(wù)所執(zhí)行的動作集；I為單一CPS端完成任務(wù)所需要的各種信息的集；E為從外部環(huán)境獲取的信息集；RFB為任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的反饋信息集.

CPS端通過感知外部環(huán)境信息，采集物理對象狀態(tài)信息并結(jié)合信息物理融合獲得的決策對外部請求或控制對象作出迅速的響應(yīng)，同時能與其他CPS端協(xié)調(diào)并處理沖突，規(guī)劃行為并共同完成任務(wù)以準(zhǔn)確控制物理對象. CPS端結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　CPS端結(jié)構(gòu)

CPS端根據(jù)不同的功能而分為感知CPS端、控制CPS端、執(zhí)行CPS端以及協(xié)調(diào)CPS端，其中感知CPS端、執(zhí)行CPS端以及控制CPS端之間通過互通信和狀態(tài)反饋進(jìn)行信息或能量的轉(zhuǎn)換，或控制物理對象執(zhí)行任務(wù)，或感知物理對象狀態(tài)和環(huán)境信息；協(xié)調(diào)CPS端根據(jù)各CPS端狀態(tài)，動態(tài)分配任務(wù)，協(xié)調(diào)各CPS端共同完成目標(biāo). CPS端因完成不同任務(wù)存在差異性，這種差異性表現(xiàn)為體量、位置以及功能的差異.

在上述CPS體系架構(gòu)主體的基礎(chǔ)上，利用MAS的特征設(shè)計的CPS端則在CPS主體的層面上完善了CPS，同時引入驅(qū)動CPS運(yùn)轉(zhuǎn)的CPS時空事件，最終構(gòu)建了準(zhǔn)確描述CPS特征的基于混成自動機(jī)的多智能體時空事件驅(qū)動的CPS體系架構(gòu),構(gòu)建的CPS體系架構(gòu)如圖2所示.

在上述CPS體系架構(gòu)中，信息和能量的轉(zhuǎn)換是一個不斷循環(huán)的過程. 感知CPS端獲取環(huán)境和物理對象狀態(tài)信息的過程，可以理解為物理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為信息系統(tǒng)的信息過程；信息空間的決策信息送入控制CPS端，協(xié)調(diào)CPS端與控制CPS端通過互聯(lián)互通互操作形成決策指令，并傳入執(zhí)行CPS端準(zhǔn)確控制物理對象，這個過程可以理解為信息系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)化為物理系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的過程. 因此，整個信息和能量的轉(zhuǎn)換往復(fù)循環(huán)都是通過協(xié)調(diào)CPS端與其他CPS端的通信、分配、調(diào)節(jié)以及協(xié)同任務(wù)共同完成的.

圖2　CPS體系架構(gòu)

2　CPS融合循環(huán)過程

CPS融合循環(huán)過程是基于CPS時空事件驅(qū)動的能量與信息轉(zhuǎn)換過程，從控制系統(tǒng)角度可以將這個過程看成是一個前饋補(bǔ)償和反饋控制相結(jié)合的綜合過程.

2.1基于時空特性的CPS事件模型

在CPS中，事件的時間和空間特性是體現(xiàn)CPS交互融合的本質(zhì)特征之一，其物理事件的發(fā)生在時間和空間上一般是分離的，而事件的時空信息在采集、傳輸及處理過程中卻具有同步特性. 信息系統(tǒng)中，時間是離散的點(diǎn)，精確度受到諸多限制；物理系統(tǒng)中，物理對象狀態(tài)是連續(xù)的動態(tài)演變，演變過程受時間約束和標(biāo)識. 因此，時空事件根據(jù)事件屬性、時間和地點(diǎn)描述信息世界或者物理世界的一個或者多個目標(biāo)的狀態(tài)，一般可以定義為

式中：E為事件類型識別符，i為事件序列號，ti為事件發(fā)生的時間，li為事件發(fā)生地點(diǎn)，Vi為事件發(fā)生屬性的集合. 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合CPS事件的本質(zhì)屬性，得到CPS時空事件的模型[24], 表示為

2.2基于CPS時空事件驅(qū)動的前饋補(bǔ)償和反饋控制過程

CPS時空事件的發(fā)生會影響目標(biāo)物理對象的控制決策和狀態(tài)改變. 因此，感知CPS端實(shí)時感知目標(biāo)物理對象初始狀態(tài)，在CPS時空事件發(fā)生之前，將CPS時空事件發(fā)生的動作信息同時傳給受控對象，參與目標(biāo)物理對象的控制決策. 這種動作信息稱為前饋信息. CPS前饋信息連同目標(biāo)本身狀態(tài)信息經(jīng)過采集、傳輸、處理后，得到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物理對象狀態(tài)改變的決策信息. 將此決策信息傳到控制CPS端，形成決策指令，此時協(xié)調(diào)CPS端與控制CPS端互聯(lián)互通互操作，執(zhí)行CPS端接收決策指令改變目標(biāo)物理對象狀態(tài)，控制完成后的目標(biāo)對象狀態(tài)反饋到目標(biāo)物理對象的信息空間，根據(jù)目標(biāo)誤差調(diào)整控制命令，如此循環(huán)，最終準(zhǔn)確控制物理對象達(dá)到誤差范圍內(nèi)的目標(biāo)狀態(tài)，完成反饋控制. 前饋補(bǔ)償和反饋控制同時進(jìn)行，在目標(biāo)規(guī)定誤差范圍內(nèi)有限循環(huán)，形成CPS能量和信息轉(zhuǎn)換的內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)過程，其流程如圖3所示.

圖3　CPS運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)過程

3　實(shí)例描述與分析

在有效通信的范圍內(nèi)，道路中的多輛通信車輛可以看成一個具有自主協(xié)調(diào)能力的有機(jī)組合體，通過車車交互協(xié)調(diào)，形成車間距和車速穩(wěn)定的車流，能有效提高道路中車輛的主動安全性、車流行駛速度和道路通行能力[25-26]. 車輛信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)交互融合，在邏輯或物理上相鄰的通信車輛構(gòu)成的協(xié)同駕駛系統(tǒng)就是一個典型的CPS. 單一車輛作為受控目標(biāo)和信息載體，在交通信息以及其他車輛信息的影響下，通過各種CPS端結(jié)構(gòu)的交互融合，從而與邏輯或物理上相鄰的通信車輛構(gòu)成協(xié)同駕駛系統(tǒng). 因此，單一車輛內(nèi)部的信息物理融合過程如圖4所示.

圖4　單一車輛的CPS單元

車輛狀態(tài)的改變是通過其速度的改變來實(shí)現(xiàn)的. 因此，通過形式化描述車輛速度控制過程來刻畫車輛內(nèi)部信息物理融合過程. 駕駛者通過油門踏板傳送一個油門指令給發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)將一個轉(zhuǎn)速送到傳動裝置，此時油門傳感器將油門的狀態(tài)信息送到傳動裝置，傳動裝置將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成輸出力矩送到車輪，車速傳感器將當(dāng)前車速信息發(fā)送給傳動控制裝置，傳動控制裝置根據(jù)駕駛者油門指令信息、當(dāng)前速度信息以及控制規(guī)則庫向傳動裝置發(fā)出控制命令，以實(shí)時控制車速的大小. 單一車輛速度控制系統(tǒng)如圖5所示.

圖5　車輛速度控制系統(tǒng)

通過對車輛內(nèi)部感知、傳動以及控制3個步驟的形式化建模，來分析協(xié)同系統(tǒng)中單一車輛信息物理融合過程[27].

控制CPS端的建模為Cclient=(Ccmd,c→{Cup,Cdown,Cstop})，傳動CPS端的建模為Tclient=(Ttrans,{Tgear,Ccmd,Ttorque,TR},{Tretate,Cclient},{Tout},Tdom,THA,Tsystem,DTCS)，感知CPS端的建模為Pclient=({Pthrottle,x→[0,1]},{Psystem,PHA},DSSA). 其中，Ccmd為控制指令集；Coperation為控制操作集；Ttrans為傳動指令集；Tgear為加速檔類別；Ttorque為傳動輸出矩；TR為傳動轉(zhuǎn)速；Tsystem為傳動系統(tǒng)函數(shù)；HA為組件動態(tài)行為的混成自動機(jī)；dom為組件屬性到數(shù)據(jù)類型的映射關(guān)系；Tdom(Tgear)={1,2,3,4} ；DTCS為傳動控制系統(tǒng)函數(shù)；Pthrottle為油門控制指令集；φ(x) 為油門開度函數(shù)；DSSA為車速感知服務(wù)函數(shù)；數(shù)據(jù)信息的兩種操作讀和寫分別用“?”和“?”表示，Vvelocity?Vstate表示從端口讀入數(shù)據(jù)變量Vvelocity到車輛模式Vstate中，Vvelocity?Vstate表示將車輛模式Vstate從端口輸出變量Vvelocity；“||”為邏輯或，“:=”為初始化賦值；Cupth與Cdownth表示車輛模式的閾值. 單一車輛的CPS運(yùn)行控制系統(tǒng)如圖6所示.

(a)感知過程

(b)傳動過程

(c)控制過程

Fig.6The process of cyber physical fusion model of a single vehicle in cooperative driving system

基于建立的CPS體系架構(gòu)來形式化描述協(xié)同駕駛中單一車輛的信息物理融合過程，能夠客觀地刻畫典型CPS應(yīng)用系統(tǒng)的信息物理融合過程，體現(xiàn)其交互反饋的本質(zhì)特征.

4　結(jié)　論

1)針對CPS的本質(zhì)特征和內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，構(gòu)建了一種離散連續(xù)混成的時空事件驅(qū)動的CPS體系架構(gòu). 提出的體系架構(gòu)描述了CPS中離散連續(xù)的時空混成特性，同時運(yùn)用信息與能量的循環(huán)轉(zhuǎn)換來解析CPS信息物理融合的過程.

2)提出的體系架構(gòu)突破了傳統(tǒng)CPS體系架構(gòu)僅僅是對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層體系的改進(jìn)與升級，是對CPS體系架構(gòu)理論的一種新探索和嘗試.

3)提出的體系架構(gòu)是一種表征CPS框架和刻畫信息物理融合過程的新方法，在理論上為未來CPS的發(fā)展和體系架構(gòu)的設(shè)計提供參考，同時在實(shí)踐中為解決各種典型信息物理融合問題，特別是刻畫交通應(yīng)用系統(tǒng)本質(zhì)特征和揭示交通領(lǐng)域強(qiáng)時空混成系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律提供了新的思路.

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(編輯魏希柱)

A hybrid discrete and continuous CPS architecture driven by spatial-temporal event

ZHAO Hongzhuan1,2, SUN Dihua1,2, CHEN Senlin1,2, ZHAO Min1,2

(1.Key Laboratory of Cyber Physical Social Dependable Service Computation (Chongqing University), Ministry of Education,Chongqing 400044, China; 2.School of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

In order to describe the hybrid characteristics of the discrete cyber system and the continuous physical system, a novel CPS architecture is proposed based on hybrid automata model, Multi-Agent System (MAS) and spatial-temporal event driven mechanism. The main body of our CPS architecture is constructed based on improved hybrid automata theory. Meanwhile, by defining spatial-temporal event-based CPS event, designing the MAS-based CPS client architecture, and using the defined CPS clients with different functions and CPS event driven mechanism, the inherent cyber physical interaction and feedback process of the CPS architecture is analyzed. Finally, taking the vehicular velocity regulation and control system for instance, the inherent cyber-physical fusion process of vehicular velocity regulation and control in cooperative driving system is analyzed and formalized with our proposed CPS architecture, and the formalization process demonstrates the effectiveness of our proposed CPS architecture. The proposed CPS architecture provides novel thoughts and methods for describing the inherent characteristics of CPS.

cyber-physical system (CPS); system architecture; hybrid automata theory; multi-agent system (MAS); spatial-temporal event

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.029

2015-06-14

國家自然科學(xué)基金(61573075)；重慶市“151”科技重大專項(xiàng)(cstc2013jcsf-zdzxqqX0003)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(106112014CDJZR178801); 重慶市自然科學(xué)基金(cstc2016jcyjA0565)

趙紅專(1985—)，男，博士研究生;

孫棣華(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

孫棣華，d3sun@163.com

TP30

A

0367-6234(2016)09-0170-06